Implementação de soluções baseadas em LoRa para medição inteligente

Este artigo explora o uso de dispositivos LoRa para medição inteligente de serviços públicos de longo alcance e baixa potência, o que permite operações diárias remotas e a coleta de dados .

O aumento da tecnologia conectada está tendo um impacto direto no mercado de medição inteligente, à medida que cidades e empresas buscam novas maneiras de auxiliar no monitoramento e controle de várias operações. Na verdade, a IHS Markit estimou que mais de 700 milhões de medidores inteligentes foram instalados em todo o mundo em 2018 e a empresa projeta que até 2025, um terço de todos os medidores serão substituídos por medidores inteligentes.

No passado, as operações de monitoramento de medidores para concessionárias eram conduzidas manualmente por um técnico especializado. Este processo não era apenas demorado, mas também muito trabalhoso. As primeiras soluções de conectividade dependiam da leitura remota por meio de dispositivos sem fio de curto alcance. Um técnico normalmente dirige por uma área ou vizinhança e recebe remotamente os dados de medição. Este método era limitado a áreas rurais e suburbanas, tornando a leitura remota de medidores extremamente difícil em ambientes urbanos densos, internos e subterrâneos.

Dados os desafios, muitos gerentes, proprietários e organizações mudaram para uma solução de medição inteligente composta de dispositivos LoRa, uma vez que tem a capacidade de penetrar em ambientes densos - tanto acima quanto abaixo do solo. Este artigo cobre como os dispositivos LoRa podem ser usados ​​para medir utilitários e apresenta casos de uso que mostram os dispositivos em ação.

Implantação LoRa típica

Uma implantação típica de LoRa (consulte a Figura 1) é composta de quatro elementos principais e do protocolo LoRaWAN, um protocolo de rede aberto projetado para interoperabilidade de solução em redes regionais, nacionais ou globais.

Figura 1. Quebra da rede LoRa

Essa solução de rede remota de baixa potência (LPWAN) começa com os dispositivos de nó final. Uma solução IoT transmite dados usando o protocolo LoRaWAN para um aplicativo de gateway LPWAN, um hub no qual vários sensores de utilitários inteligentes podem se conectar. Os dados são então enviados para um servidor de rede e roteados para um servidor de aplicativos ou serviço IoT em nuvem para processamento. Posteriormente, os dados são transmitidos ao computador do usuário final ou dispositivo inteligente.

Segurança para monitoramento de utilitário sem fio

Com a transmissão sem fio de dados de medição, privacidade e segurança são as principais prioridades dos provedores de serviço. A autenticação de linha de base do protocolo LoRaWAN e a estrutura de segurança derivam do esquema de criptografia AES 128 conforme implementado pelo IEEE 802.15.4 / 2006 Anexo B [IEEE802154]. Em uma implantação inteligente típica, chaves separadas são usadas para criptografia de dados do usuário e autenticação / integridade da rede.

Os dispositivos IoT usam um de dois métodos para se conectar a uma rede LoRaWAN. O primeiro método é a ativação por personalização (ABP) e requer que a chave de sessão de rede e a chave de sessão do aplicativo já estejam armazenadas no dispositivo IoT junto com um endereço de dispositivo de 32 bits exclusivo e um ID de rede exclusivo de 24 bits. O ID de rede exclusivo de 24 bits identifica a rede LoRaWAN específica para a qual o dispositivo se destina.

Figura 2. Solicitação de adesão e formatos de mensagem de aceitação de adesão.

O método mais comum de conectar dispositivos baseados em LoRa é através da ativação pelo ar (OOTA). Para que isso funcione, cada dispositivo IoT enviará uma mensagem de solicitação de ingresso ao servidor de rede, que a encaminhará a um servidor de ingresso. O comando MAC de solicitação de junção também enviará um AppEUI exclusivo, identificando o servidor de aplicativos ao qual esse nó final específico deseja se conectar.

Agora, vamos dar uma olhada em alguns casos de uso de utilitários inteligentes.

Gestão inteligente da água

Muitas empresas estão procurando maneiras de incorporar práticas mais sustentáveis ​​e com consciência ambiental. Isso inclui a Apana, com sede em Washington, uma empresa que viu uma oportunidade de se tornar o “sistema de segurança para o consumo de água”. A solução de gerenciamento de água da Apana fornece às empresas os insights necessários para reduzir sua pegada hídrica total por meio da identificação de desvios do processo, malfuncionamentos mecânicos e pontos de falha onde o vazamento de água ocorre, mas não é comumente visto.

Figura 3. Um instantâneo das conquistas de Apana.

Costco Wholesale implantou a solução de gerenciamento de água da Apana e foi capaz de identificar rapidamente como os edifícios da empresa estavam usando água e a causa de picos incomuns, que se vinculavam a práticas operacionais desnecessárias ou equipamentos com defeito. Como resultado, a Costco conseguiu reduzir o uso de água em 20 por cento, levando a uma economia de aproximadamente 22 por cento em suas contas de água.

O caminho da França para três milhões de dispositivos conectados

Outra empresa que busca a medição inteligente de água é a Birdz, uma subsidiária da Nova Veolia e líder global em gerenciamento otimizado de recursos. Em 2015, a cidade de Lyon, na França, implantou o sistema de gerenciamento de água baseado em LoRa de Birdz, que consiste em mais de 400.000 dispositivos baseados em LoRa.

Desde a implantação da tecnologia, a cidade consertou mais de 1.200 vazamentos de água e observou um aumento de 8% na eficiência da rede de água. A cidade economiza em média um milhão de metros cúbicos por ano como resultado da transição da medição tradicional para a medição inteligente.

Figura 4. A abordagem de infraestrutura para utilitários inteligentes.

Birdz está atualmente em vias de expandir suas operações na França, adicionando mais três milhões de sensores inteligentes de utilidades em todo o país. O principal objetivo é, eventualmente, alcançar a leitura remota de longo alcance em mais de 70 por cento dos hidrômetros na próxima década.

Sensores baseados em LoRa oferecem escalabilidade

A escalabilidade e interoperabilidade dos sensores baseados em LoRa desempenharão um papel fundamental na transição contínua dos métodos tradicionais de gerenciamento de operações para soluções inteligentes inteligentes na era conectada.

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