Zdalny odczyt liczników wody – który system wybrać?

Automatyzacja i cyfryzacja sieci wodociągowej wprowadza nową jakość w zarządzaniu dystrybucją wody, jednocześnie pomagając ograniczać jej straty. Nowe technologie dały początek rewolucji w sposobie odczytu liczników zużycia wody, eliminując nieefektywne, ręczne spisywanie danych, najczęściej obarczone ludzkimi błędami, oraz poprawiły bezpieczeństwo pracowników. Dostępne na rynku systemy zdalnych odczytów wodomierzy są wspierane różnymi technikami komunikacji bezprzewodowej. Wśród nich wyróżnia się techniki krótkozasięgowe tj. np. Wireless M-Bus oraz długozasięgowe LPWAN tj. np. LoRa WAN, SIGFOX, LTE-M czy NB-IoT. Te o mniejszym zasięgu stosuje się w systemach inkasenckich (objazdowych i obchodzonych), a te o większym znalazły zastosowanie w stacjonarnych systemach odczytu liczników wody. W tym artykule zostanie przedstawione, jak działają zdalne systemy odczytu wodomierzy, jakie korzyści przynoszą oraz jakie mają ograniczenia.

Czym jest zdalny odczyt?

Zdalny odczyt, znany również pod hasłem AMR (ang. Automatic Meter Reading), jest technologią telemetrii, która pozwala na automatyczną transmisję danych zebranych z liczników mediów. Wartości pobrane z liczników tj. wodomierze, gazomierze, ciepłomierze oraz energii elektrycznej trafiają do bazy, gdzie po odpowiedniej analizie wykorzystuje się je do rozliczeń klientów. Zdalne odczyty AMR działają w oparciu o infrastrukturę telekomunikacyjną operatorów telefonii komórkowej, nielicencjonowane częstotliwości radiowe lub PLC (ang. Power Line Communication).

Zdalne odczyty – korzyści, które przynosi technologia AMR

Automatyczne, zdalne pomiary umożliwiły oszczędzenie czasu wkładanego w cykliczne odwiedzanie lokatorów i dokonywanie ręcznych odczytów stanu liczników. Również zredukowały czas przepływu informacji, które często były obarczone błędami ludzkimi. Dodatkowo zwiększyły bezpieczeństwo inkasentów odbywających wizyty na posesjach mieszkańców, jak i ułatwiły gromadzenie danych z liczników wodomierzy, które zazwyczaj znajdują się w trudno dostępnych miejscach. Wiarygodne dane pozwoliły wyliczyć rzeczywiste koszty zużycia mediów oraz odejść od rachunków w oparciu o szacowane prognozy. Takie podejście umożliwiło zarówno lokatorom, jak i zarządcy budynku, monitorowanie zużycia mediów w dokładniejszy sposób.

Systemy zdalnego odczytu mediów

System obchodzony i objazdowy odczytu wodomierzy

Obchodzony oraz objazdowy system odczytu wodomierzy należą do inkasenckich systemów zbierania danych. Odczyty w tych modelach wykonywane są przez pracownika (inkasenta) wyposażonego w komputer, tablet lub smartfon z odpowiednią aplikacją do odczytu wodomierzy, oraz urządzenie z nadajnikiem/odbiornikiem radiowym, które gromadzi dane z inteligentnych rejestratorów. Zdalny odczyt zużycia wody i automatyczny transfer danych w systemach obchodzonych i objazdowych jest możliwy dzięki technikom krótkiego zasięgu, tj. np. technika komunikacji bezprzewodowej Wireless M-Bus.

Odczyt obchodzony (ang. walk-by) polega na tym, że inkasent musi przejść wyznaczoną trasą odczytu, aby pobrać dane z liczników zainstalowanych w wyznaczonych lokalizacjach. Jeżeli urządzenie z nadajnikiem/odbiornikiem znajduje się wewnątrz pojazdu, taki system nazywa się odczytem objazdowym (ang. drive-by). Wtedy, pracownik podczas kierowania pojazdem, automatycznie zbiera informacje z inteligentnych czujników zainstalowanych na wodomierzach.

Chociaż inkasenckie systemy wprowadziły automatyzację zdalnych odczytów wodomierzy, wciąż nie wyeliminowały całkowicie pracy człowieka. Jeżeli występowały problemy z komunikacją między urządzeniami, to nadal pracownik musiał odwiedzić kłopotliwe lokalizacje osobiście, aby ręcznie spisać liczniki wody. Co więcej, inkasenckie odczyty danych z liczników są przeprowadzane raz w ciągu miesiąca lub dwóch. Taka ilość danych nie jest wystarczająca dla przedsiębiorstw wodociągowo-kanalizacyjnych, które chcą ograniczyć straty wody i na bieżąco identyfikować zaistniałe awarie bądź wycieki. W odpowiedzi na te potrzeby z pomocą przychodzą automatyczne systemy odczytu wodomierzy, które zostaną omówione w dalszych częściach tego artykułu.

Inkasenckie sposoby odczytu wodomierzy: kluczowe korzyści i ograniczenia w pigułce

Korzyści:

• Zaprzestanie ręcznych odczytów.
• Możliwość szybkiego przeszkolenia pracownika, który pobierze dane z liczników.
• Niskie koszty wdrożenia systemu.

Ograniczenia:

• Niezbędne uczestnictwo pracowników w terenie.
• W przypadku problematycznych lokalizacji, osobiste odwiedziny inkasenta w mieszkaniach.
• Duże koszty związane z utrzymaniem pojazdów służbowych w systemie objazdowym.
• Czasochłonność wykonywanych pomiarów.
• Mała częstotliwość zbierania pomiarów.

Wireless M-Bus

Standard komunikacji Wireless M-Bus został opracowany pod potrzeby zdalnego odczytu liczników wody, gazu, ciepła czy energii elektrycznej. Jego szczegółowy opis działania został zawarty w normie europejskiej EN 13757 – „Systemy komunikacji dla przyrządów pomiarowych. Część 4: Komunikacja bezprzewodowa w standardzie M-Bus”. Protokół Wireless M-Bus działa w otwartych pasmach radiowych ISM. W Europie są to pasma 433 MHz oraz 868 MHz. Dla podanych częstotliwości Wireless M-Bus posiada trzy tryby pracy — S (ang. Stationary), T (ang. Transmit) oraz C (ang. Compact). W trybie „S” dane są wysyłane kilka razy dziennie, a prędkość transmisji jest niewielka. Tryb „T” oraz „C” zapewnia bardzo częstą transmisję danych (co 2-3 sekundy) z dużą prędkością — do 100 kbps, a „C” dodatkowo wykorzystuje kodowanie NRZ. Każdy z trybów może wystąpić w komunikacji jednokierunkowej (C1, S1 oraz T1) oraz dwukierunkowej (C2, S2, T2). Komunikacja jednokierunkowa polega na tym, że nadajnik emituje odczyty w sposób ciągły z określoną częstotliwością, które trafiają do odbiornika odczytującego stan licznika. Natomiast dwukierunkowa oznacza, że nadajnik przy liczniku wysyła dane po odebraniu zapytania od urządzenia nadawczo-odbiorczego, a w pozostałym czasie pozostaje w spoczynku.

Technika Wireless M-Bus jest oferowana w wodomierzach kompaktowych z liczydłem elektronicznym oraz w nakładkach radiowych do wodomierzy. Przykładem urządzeń wykorzystujących protokół Wireless M-Bus jest seria rejestratorów danych IoT AIUNEO np. APULSE x1F6 oraz wodomierze wiodących producentów tj. Itron, Sensus, Diehl, Apator i inni.

Stacjonarny system odczytu wodomierzy

Stacjonarne systemy odczytu przekazują automatycznie dane ze wszystkich opomiarowanych wodomierzy do systemu w rozdzielczości godzinowej. Duży zbiór danych pomiarowych umożliwia codzienną kontrolę nad infrastrukturą oraz pełną diagnostykę sieci wodociągowej. Przetworzone dane dostarczają nowej jakości w zarządzaniu dystrybucją wody, a monitorowanie ich w odpowiedni sposób umożliwia szybką identyfikację awarii i wycieków, co w efekcie pomaga ograniczać straty wody.

Stacjonarne systemy odczytów wodomierzy wymagają zbudowania zaawansowanej infrastruktury pomiarowej. W monitorowanym obszarze niezbędne jest zamontowanie koncentratorów, które będą odbierać dane wysyłane z inteligentnych rejestratorów (nakładek na wodomierzach) i przesyłać je do systemu administratora. Dodatkowo należy zapewnić odpowiednią komunikację między tymi urządzeniami, przygotować serwer, a następnie go utrzymywać, zabezpieczyć dane oraz zintegrować system odczytu z systemami zarządzania przedsiębiorstwa wod.-kan: bilingowym, bilansowania i eksploatacji sieci wodociągowej itp. Do transmisji danych z rejestratorów wodomierzy wykorzystywane są technologie LPWAN (ang. Low-Power Wide-Area Network), czyli bezprzewodowe sieci, które umożliwiają komunikację na duże odległości przy małej przepływności i niskim poborze energii. Wśród nich znajdują się technologie tj. LoRa WAN, SIGFOX, LTE-M czy NB-IoT, które wspierają obecne rozwiązania klasy IoT. W przypadku zastosowania technik komórkowych tj. LTE-M oraz NB-IoT cała technologia jest obsługiwana przez operatora telekomunikacyjnego, podobnie w przypadku radiowej technologii SIGFOX, a w przypadku LoRa WAN przez przedsiębiorstwo wodociągowe.

Chociaż stacjonarne systemy odczytu wodomierzy wymagają zbudowania odpowiedniej infrastruktury odczytowej, mogą być wdrażane etapowo, w zależności od potrzeb i możliwości danego przedsiębiorstwa wod.-kan.

Inteligentne systemy pomiarowe: kluczowe korzyści i ograniczenia stacjonarnych systemów odczytu wodomierzy w pigułce

Korzyści:

• Automatyzacja odczytów liczników wodomierzy.
• Zaawansowane oprogramowanie do wspierania monitoringu zużycia wody.
• Dane o odczytach z liczników wody z godzinną rozdzielczością.
• Pełna kontrola i diagnostyka w zarządzaniu siecią wodociągową.
• Możliwość szybkiej identyfikacji ukrytych wycieków lub awarii.
• Ograniczenie potrzeby pracowników w terenie.

Ograniczenia

• Zbudowanie, uruchomienie, utrzymanie i serwis infrastruktury odczytowej.
• Możliwe wystąpienie zaburzeń komunikacji IoT.

LoRa WAN, SIGFOX, LTE-M oraz NB-IoT – krótka charakterystyka technologii IoT

LoRa WAN jest jedną z technologii transmisji IoT, która zapewnia niskoenergetyczną, bezprzewodową komunikację między urządzeniami. Realne odległości aplikacyjne technologii LoRa pozwalają na objęcie komunikacją urządzeń w promieniu od 1 do 5 km od bramki w obszarach miejskich, natomiast w obszarach wiejskich od kilku do kilkunastu kilometrów. Z kolei Sigfox to technologia IoT, która została zaprojektowana do przesyłania mniejszych pakietów danych. Ramka Sigfox przenosi do 12 bajtów danych, podczas gdy ramka LoRa do 256 B. Przyjmuje się, że technologia Sigfox w obszarach wiejskich osiąga zasięg 30-50 km, a w miejskich do 10 km. Technologia Sigfox umożliwia nasłuchiwanie informacji wysyłanych z bardzo wielu urządzeń, jednak w odróżnieniu od LoRa WAN ma wybitnie jedokierunkowy charakter – komunikacja zwrotna do rejestratorów jest mocno ograniczona. Aby dowiedzieć się więcej o LoRa, zajrzyj do artykułu blogowego: „Porównanie LoRa i 5G: Która jest lepsza dla Twojej aplikacji IoT?”. Natomiast więcej o technologii Sigfox możesz przeczytać tutaj.

NB-IoT (ang. Narrowband IoT) oraz LTE-M (ang. Long Term Evolution for Machines) to techniki bezprzewodowej komunikacji oparte na istniejącej infrastrukturze sieci komórkowej, a ich zasięg zależy od infrastruktury operatora. Oba rozwiązania działają w oparciu o licencjonowane pasma LTE, których częstotliwości różnią się w zależności od regionów na świecie. Technologia LTE-M oferuje znacznie większą przepustowość (do 1 Mbps) i niższe opóźnienia niż LoRa i Sigfox. W efekcie, zużywa większą ilość energii niż pozostałe rozwiązania. Natomiast NB-IoT posiada niską przepustowość do 250 kbps oraz bardzo niskie zużycie energii zbliżone do LoRa i Sigfox. W obu technologiach, z uwagi na ich organizację i udostępnianie przez operatora telefonii komórkowej, wymagane jest stosowanie w urządzeniach kart SIM i rozliczanie opłat abonamentowych.

Czy możliwe jest połączenie systemu objazdowego i stacjonarnego?

Zarówno stacjonarne systemy odczytów jak i obchodzone oraz objazdowe mają swoje zalety jak i ograniczenia. Rozwiązaniem idealnym dla przedsiębiorstw wod.-kan. byłaby możliwość wykorzystywania korzyści obu systemów. W takim wypadku, podczas wystąpienia zaburzeń komunikacji IoT przy odczytach stacjonarnych, można by uzupełniająco wykonywać odczyty z pomocą inkasenta. Jednak wdrożenie dwóch różnych systemów jak i zarządzanie nimi, wydaje się być niepraktyczne ze względu na potrzebę serwisowania i obsługi ich obu.

Innym rozwiązaniem, które mogłoby prowadzić do wykorzystania zalet obu systemów, byłoby skonstruowanie urządzenia, które ma na swoim pokładzie różne techniki komunikacji – krótko i długozasięgowe. Jednak, wykorzystanie dwóch technik radiowych np. Wireless M-Bus oraz NB-IoT również nie znajduje uzasadnienia użytkowego i kosztowego – wymagałoby od urządzenia posiadanie modułu do obsługi telefonii komórkowej wraz z kartą SIM, modułu radiowego w paśmie 868 MHz, oraz dwóch odrębnych obwodów antenowych – niepraktyczne rozwiązanie.

Stąd, jedyną metodą na zbudowanie hybrydowego systemu odczytu wodomierzy jest dobór niewykluczających się sposobów komunikacji tj. np. LoRa WAN oraz radio krótkiego zasięgu Wireless M-Bus. Wtedy moduł radiowy działa w oparciu o te same podzespoły, na wspólnym paśmie 868 MHz, a nakładka radiowa wodomierza może, bez podnoszenia kosztów, równocześnie obsługiwać system stacjonarny jak i system objazdowy. Taki hybrydowy system działający w oparciu o niewykluczające się techniki, jest idealnym rozwiązaniem dla branży wodociągowo-kanalizacyjnej. Wtedy, użytkownik korzysta w pełni z podstawowej komunikacji w oparciu o odczyt IoT, zaś alternatywnie, w przypadku pojedynczych lokalizacji nie objętych zasięgiem IoT pracownik może dokonać odczytu wodomierzy systemem obchodzonym lub objazdowym.

Hybrydowy system odczytu wodomierzy – przykład inteligentnego systemu monitoringu mediów

Jednym z dostawców hybrydowego systemu odczytu wodomierzy na rynku jest AIUT AIUNEO. Opracowana przez AIUNEO nakładka APULSE x1F6, czyli rejestrator danych IoT do zdalnego odczytu wodomierzy,  jest przystosowana zarówno do odczytu obchodzonego, jak i stacjonarnego. Nakładka rejestruje impulsy z liczydła mechanicznego i wysyła je w postaci przeliczonego zużycia do serwera za pośrednictwem technologii LoRa WAN bądź Sigfox. Następnie, otrzymane dane są przetwarzane przez zewnętrzne systemy danych.

APULSE x1F6 gwarantuje niezawodne i terminowe odczyty nawet w przypadku zakłóceń w komunikacji IoT. W takim przypadku odczyt obchodzony jest realizowany z wykorzystaniem komunikacji Wireless M-Bus poprzez urządzenie ARANGE 7076, które jest połączone przez Bluetooth ze smartfonem lub tabletem. Dowiedz się więcej o inteligentnych systemach odczytu wodomierzy tutaj: https://aiuneo.com/.

Podsumowanie

Monitoring zapewniany przez stacjonarne systemy odczytu dostarcza precyzyjnych informacji o parametrach pracy sieci wod.-kan. Dzięki inteligentnemu zarządzaniu systemami wodociągowymi ograniczamy straty wody i jesteśmy w stanie szybko reagować na powstające awarie czy identyfikować wycieki. Hybrydowe rejestratory do zdalnych odczytów wodomierzy umożliwiają wykonanie pomiarów nawet w przypadku zakłóceń sieci IoT, a jednym z producentów takich systemów jest marka AIUT AIUNEO.