Podle údajů OSN veřejné osvětlení v globálním měřítku spotřebovává kolem 19% dodané elektrické energie. To je nejen drahé, ale i neekologické, a poutá to zejména v ne zcela rozvinutých oblastech cenné prostředky výroby a přenosu elektrické energie. Přitom, tento systém je pospojovaný dráty. První pokusy se snažily toto metalické vedení využít též k přenosu řídicích informací pro ovládání této sítě, avšak nemožnost přesné adresace a nespolehlivost přenosu, jakož i nutnost přesto instalovat oddělené řídicí jednotky, vedly k neúspěchu nebo nedokonalým řešením.
Rádiové řízení sítě těchto spotřebičů je proto novou výzvou, umožňující využít nové, poměrně levné řízení pro každé svítidlo, a s využitím síťové adresace, řídit jak malé, tak velké oblasti této sítě, pomoc bezplatné komunikace v nelicencovaném pásmu. Umožňuje to „smart“ metody řízení, které reagují na aktuální potřeby, tak na požadavky elektrické sítě ve špičkách zátěže. Ve studii návrhu a použití heterogenních systémů veřejného osvětlení, provedené boloňskou univerzitou, byly vyzkoušeny následující systémy:
Celulární LPWAN
Nejznámějšími systémy tohoto druhu jsou NB-IoT (úskopásmový Internet věcí) a LTE CAT-M1. Obě tyto technologie, jakkoli jsou datově úsporné, využívají existující buněčnou technologii LTE, a proto jsou na ní závislé. Stejně jako mobilní telefony, jsou LTE klienti zatíženi poplatky provozovateli sítě, což při počtu řádově deseti-tisíců jednotek není zanedbatelné. V některých situacích teké není zajištěna plná dostupnost, dož se může projevit na lavinovitém chování (výpadku). V neposlední řadě mají systémy osvětlení odlišnou životnost než telekomunikační technika, což může přinést problémy či dodatečné náklady. Proto byly tyto systémy vyhodnoceny jako ne optimální.
Rádio s topologií Hvězda
Existují topologie Star (Hvězda) a Mesh (smíšená nebo polygonová) síť. Hvězdová topologie umožňuje mít jediný přístupový bod, obhospodařující komunikaci se všemi koncovými body. Je to např. LoRa nebo SigFox. Mají podobnou architekturu, ale mají nízkou přenosovou rychlost a jsou optinalizovány pro dostředivý (uplink) přenos, a hodí se spíše pro sběr dat z různých čidel. Největší nevýhodou obou je však poměrně malý dosah rádiového přenosu, a tedy potřeba velkého vysílacího výkonu, což může vést k rušení nebo vzniku míst bez pokrytí, a tedy potřebě změny polohy ústředního bodu hvězdy. V praxi se často toto objevuje po stavbě výškové budovy v okolí, takže buď na ni můžete umístit svůj přístupový bod, nebo přesunout koncové body, anebo se smířit se zhoršením dosahu, po nějaké době, kdy systém bezchybně pracoval. Architektura hvězdy je tedy dlouhodobě neperspektivní.
Topologie Mesh
Beztvará síť typu Mesh nabízí dobré řešení na výše zmíněné problémy. Umožňuje pomocí mezilehlých stanic (větvím) přeposlání zprávy vzdáleným koncovým ovládacím bodům (listům), a větvicí jednotky samy dokonce mohou ovládat lokální spotřebiče a přenášet i dostředivou informaci z čidel nebo zprávu o poruše. Mesh dokonce umí se automaticky rekonfigurovat při změně příjmových podmínek a přesouvat datovou zátěž, pokud to okolnosti umožní, na méně zatížené cesty. Nejzmámějšími adepty na mesh síť jsou IEEE 802.11 a IEEE 802.15.4 .
Pro účel řízení veřejného osvětlení je dále možno jít kompromisní cestou LoS (spoje na přímou viditelnost) s nízkým výkonem, přinejmenším mezi jednotlivými sloupy, anebo ještě lépe s dosahem na 2-3 sousedy v každém směru. To umožňuje při poruše jednak ji hlásit, jednak zachovat spojení a přeskočit uzel v poruše. Síťový software v každé jednotce musí mít funkci směrování (router), podporující tuto redundanci. Podobně je možné mít jedno aktivní centrálním místo a jiné záložní.
Data se v mesh síti přenášejí „skoky“ mezi uzly. Pro systém osvětlení, se sloupy typicky umístěnými v řadě a malým počtem větvení, tedy ve tvaru stromu, je to ideální technika.
Industriální mesh s IP technologií firmy Radiocrafts: RIIM
RIIM je poměrně nová rádiová síť typu Mesh pro průmyslové (zabezpečené) použití jako Industriální Internet věcí (IIoT), využívající prověřenou adresovací a spojovací technologii vyvinutou Radiocraftem. To umožňuje pružnou konfiguraci, dlouhý dosah, zabezpečení, šifrování, a dokonce on-line změny firmwaru při nových edicích programového vybavení. Je to ideální systém pro řízení rozlehlých a složitých systémů jako inteligentní budovy a obce, řízení vzduchotechniky a osvětlení, a podobně.
Obr.2
Zabezpečení dále dovoluje zpětnovazební informaci z kombinované jednotky s výstupem a nezávislým vstupem (např. čidlo svitu), která jednak potvrzuje řídicí akci, jednak detekuje případnou vadnou součástku (např. výbojku).
RIIM používá adresování IPv6, umožňující oslovit každý bit portu jednotky. Díle každá jednotka má podsystém ICI (Intelligent C-programmable Interface), umožňující jednak uživatelsky programovat, jednak distribuovat algoritmy řízení nebo sekvence a jiné souvztažnosti koncových ovladačů.
Základním stavebním blokem sítě RIIM je modul Radiocrafts RC1882-IPM. Tento modul je univerzální a umožňuje tři rozdílné role:
a) Border Router (kořenový / hraniční přístupový bod z cloudu - směrovač),
b) Mesh Router Node (uzel větvení sítě),
c) Leaf Node (list - koncový uzel).
K dalším zajímavým vlastnostem sítě RIIM patří:
- Pásmo 868 nebo 915 MHz (dle národních tabulek, volné pásmo)
- Bezpečnost zajištěná linkovou vrstvou
- Multicast – hromadné rozesílání zpráv a povelů
- Podpora protokolů UDP a CoAP současně
- Podpora až tisíců prvků sítě
- Dosah až 1 km v módu LoS s nízkým výkonem, nebo až 5 km s vysokovýkonovým modulem (impulsně)
- Duplexní (2-Way) symetrická komunikace s možností aktualizace FW rádiem (OTA)
- Velmi krátké přenosové zpoždění, pro téměř real-time aplikace
- Cloudové aplikace pomocí IP-slučitelných paketů komunikovaných mezi routery
V roce 2020 se očekává režim časových slotů – synchronizovaných zpráv dle IEEE 802.15.4 (TSCH standard), kdy všechny existující uzly mohou vytvořit globálně synchronizovanou událost. Síť postupně rozešle „přípravu“ na tuto událost a potom centrálně vyšle časovou značku pro její spuštění. Přitom se propočítá časové zpoždění (drift) pro co nejbližší synchronizaci, a při případné ztrátě přenosu v jednom časovém „slotu“ celý systém vyčká na opakovaný výskyt slotu nebo v jiném kanálu, kdy se přenos podaří. Tento systém umožňuje „probudit“ i jinak „spící“ uzly v sítích s nízkým příkonem.
Testy sítí byly provedeny v simulovaném prostředí za těchto podmínek:
- 101 uzlů v síti (1x Border Router + 100 Mesh Routers)
- 4 km „ulice“ se 100 „sloupy“
- 40 m průměrná vzdálenost mezi sloupy, max. 210 m
- Rozesílání zpráv (povelů) každé 4 hodiny střídavě Uni- a Multicast
- Čtení stavu z čidel v každém „sloupu“ každé 2 hodiny
Výsledky simulace
Nejprve byly stanoveny klíčové indikátory výkonnosti (KPI, Key Performance Indicators), vyhovující skutečným požadavkům na systém řízení osvětlení. Např. jedním parametrem je latence (zpoždění) od odeslání povelu do rozsvícení všech 100% řízených světel. Chování sítě je díky rádiovému přenosu, šumu a kolizím, ne zcela 100% deterministické. Radiocrafts proto vyvinul a díky tomu zpřesnil aplikaci předpovídající performanci sítě RIIM, pracující s velkou přesností.
Doba zbudování sítě po zapnutí nepřesáhla 6 minut a proběhla ve všech případech zcela automaticky.
Obr.3
Na Obr. 3 je vidět aktuální “mapu“sítě. Je vidět, že nejvzdálenější “listy“ sítě jsou vzdáleny ne více než 20 skoků od Border Routeru. Obrázek také ukazuje, že síť zaujme sama „lineární“ strukturu, s drobnými lokálními odchylkami jako např. na jihu a východě. Obrázek sám je výsledkem prezentace simulačního softwaru Radiocrafts.
Frekvence paketů, latence a zatížení sítě
Během simulace 24-hodinového provozu, bylo v 86 432 sekundách vysláno 154 749 paketů, což je asi 6 paketů za sekundu, a z toho je 251 tisíc MAC ACK (potvrzení adresy), tedy konfigurace sítě. Pro náhodně vybraný uzel č. 75, který je v simulované vzdálenosti 3000m od BR, bylo zjištěno 1731 vyslaných paketů (kromě MAC ACK). To odpovídá asi 50 s mezi vyslanými pakety. BR vysla 5859 paketů (včetně ACK), tedy asi 17 s mezi pakety.
Obr.4
Pakety „Multicast“ (pře/rozesílání více příjemcům), nová metoda, uvedená Radiocraftem letos v novém softwaru, byly v testu všem příjemcům v síti doručeny v průměrné době 31,4 sekundy (ne více než 32,5 s). Zprávy byly rozesílány do sítě pětkrát během testu. Multicast zprávy se používají v „nárazových“ situacích: všechno zapnout / vypnout. Tato latence byla vyhodnocena jako přijatelná.
Pakety Unicast (se používají v komunikaci bod-bod mezi Border Routerem a jeho podřízenými jednotkami (větve a uzly). V simulaci byly tyto zprávy rovněž posílány každé (liché) dvě hodiny, aby se zamezilo ovlivnění se sousedními událostmi. Zprávy byly přenášeny mezi BR a postupně všemi 100 podřízenými uzly. Výsledky jsou setříděny v grafu na Obr. 5 a jsou tam střední, maximální a minimální hodnoty. Z grafu (s drobnými odchylkami) je vidět předpověditelná souvislost mezi latencí a počtem skoků mezi BR a uzlem.
Obr.5
Závěr
Inteligentní řízení veřejného osvětlení má budoucnost a má šanci na návratnost. Ve studii byly testovány různé architektury a topologie, z nichž RIIM byla vyhodnocena jako optimální z různých hledisek, i z hlediska nákladů na instalaci a provoz řiditelného LED osvětlení se stmíváním. Aplikace smart-řízení by mohla nejen ušetřit značné částky, ale mohla by přispět k lepšímu osvětlení tam, kde je to důležité, jako při detekci chodců na přechodu.
Pro dostupnost, cenu nebo jiné konkrétní informace kontaktujte distributora Ryston Electronics .
www.ryston.cz
Další informace: www.radiocrafts.com
Použitá literatura:
Radiocrafts: AN038_Performance_of_RIIM_in_Street_Lighting_Networks_Simulations_Results Radiocrafts: Webinar Presentation: RIIM_for_Smart_Street_Lighting_Networks_Simulations_Results.pdf
