ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕДАЧИ ПОКАЗАНИЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ LORA ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОЛОДЦА НАРУЖУ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ В БЕСПРОВОДНОМ МОНИТОРИНГЕ ТЕПЛОСЕТЕЙ

Цель исследования: экспериментально оценить возможность и качество передачи показаний датчика из технологического колодца наружу посредством технологии LoRa при. Необходимо определить, обеспечивает ли связь LoRa надежную доставкуданных через препятствие в виде люка и на какое максимальное расстояние при заданных параметрах передачи.

Для измерения качества сигнала были выбраны два критерия: уровень принимаемого сигнала (RSSI) и отношение сигнал/шум (SNR) на приемнике. Также отмечать стабильность соединения (наличие/отсутствие обрывов, изменчивость сигнала во времени).

Передающее устройство (узел датчика): в качестве передатчика использована плата TTGO T-Beam, представляющая собой модуль на базе микроконтроллера ESP32 с интегрированным LoRa-чипом Semtech SX1276. Плата T-Beam размещена в верхней части технологического колодца, 20см под крышкой, измеряя температуру и относительную влажность воздуха. Для автономной работы в полевых условиях плата TTGO T-Beam запитана от аккумулятора (Li-ion батарея 18650). Внешняя антенна LoRa (стандартная штыревая антенна длиной ~4 см, рассчитанная на частоту ~ 433 МГц) [4] подключена к T-Beam и установлена вертикально, чтобы максимально улучшить излучение сигнала из колодца. На рисунке 1 фотография передатчика в колодце.

На время испытаний приемник размещался на поверхности (на уровне земли) на возвышении высотой ~1–1.5 м. Пакеты принимались напрямую от передатчика.

Были выбраны следуйщие параметры передачи:

Тип модуляции: Chirp Spread Spectrum (CSS);

Spreading Factor (SF): 7;

Коэффициент коррекции ошибок (CR): 4/5;

Рабочая частота: 433 МГц;

Полоса пропускания (Bandwidth): 125 кГц;

Мощность передатчика: 17дБм.

Период отправки пакетов: 2 секунды.

Рисунок 1. Фото передающего устройства

Условия и план испытаний: Полевые испытания проводились на участке городской теплосети с технологическим колодцем стандартных размеров. Глубина колодца от поверхности до днища составляет примерно 2 м; диаметр горловины около 0.7 м. Колодец накрывается типовым круглым чугунным люком диаметром ~60 см. Погода во время эксперимента была ясная.

В ходе испытаний приемноеустройство перемещалось на разные расстояния от колодца. Отсчет расстояния в журнале велся от вертикальной проекции центра люка. Результаты эксперимента занесены в таблицу 1 ниже.  

Сначала приемник был в метре над люком, затем на удалениях вплоть до той дистанции, на которой прием сигнала перестал фиксироваться прибором либо не было преграды в виде здания. Места расположения приемника выбирались на открытом пространстве во дворе, где между приемником и передатчиком часто встречались зеленые насаждения в виде деревьев и кустов. На рисунке 2 снизу представлены 4 точки приема показаний датчика. 3 и 4 точки — это максимально удаленные расстояния без потерь пакетов, 1 и 2 точках показания были измерены до преграды. До точки 1 – 32м, 2-45м, 3-60м,4 - 43м.

Рисунок 2. Фотография с местами приема и передачи данных

Таблица 1.

Форма полевого журнала испытаний 

В условиях опыта узел в колодце, накрытом чугунным люком, передавал пакеты приемнику на расстояниях порядка десятков метров. Уровень принимаемого сигнала (RSSI) снизился с примерно –72 dBm непосредственно над люком (1 м) до около –105…–108 dBm на максимальных дистанциях ~50–60 м. Одновременно отношение сигнал/шум (SNR) деградировало с +10 dB до отрицательных значений около –5…–9,5 dB. Тем не менее связь сохранялась стабильной без потери пакетов вплоть до ~60 м, что объясняется высокой чувствительностью LoRa: данная модуляция способна декодировать сигналы даже при отрицательном SNR[3] (вплоть до –20 dB ниже уровня шума). Лишь при дальнейшем удалении или наличии крупных препятствий (например, здания) качество канала резко ухудшалось, приводя к пропаданию пакетов.

Следует отметить, что технологические колодцы теплосетей могут располагаться как на открытом грунте[2] (в зелёных зонах), так и под асфальтовым покрытием дорог. В случае колодца, окруженного грунтом, возможны небольшие зазоры по краям люка и менее однородная среда, через которые часть радиосигнала просачивается наружу. Когда же люк встроен в асфальт, крышка прилегает плотнее и образует сплошной экранирующий барьер, асфальт создает более сильные помехи для сигнала, поэтому условия передачи могут быть более жёсткими. Однако в обоих сценариях основной фактор ослабления сигнала – это металлический люк. Полученные результаты справедливы для типового колодца и чугунной крышки: вне зависимости от окружения, такое препятствие вносит существенное затухание, резко снижая уровень RSSI[3]. Таким образом, дальность надежной связи «датчик в колодце – приёмник на столбе» ограничивается десятками метров при низком расположении антенны приёмника.

Результаты эксперимента в целом демонстрируют применимость технологии LoRa для беспроводного мониторинга городских теплосетей. Таким образом, LoRa является перспективным решением для мониторинга параметров тепловых сетей: технология позволяет регулярно собирать данные о температуре, влажности и других показателях в подземных коммуникациях, избегая прокладки проводов. Необходимо учитывать, что радиус охвата от узла в колодце сравнительно невелик, поэтому для покрытия крупной территории города может потребоваться развертывание нескольких приемных шлюзов. Впрочем, LoRaWAN-шлюзы относительно недороги, а сам протокол поддерживает большую дальность при малом энергопотреблении узлов, что упрощает масштабирование системы мониторинга в городской инфраструктуре.

Для повышения надежности и расширения дальности связи в подобных условиях рекомендуются следующие меры [5]:

• Использование улучшенных антенн. Применение антенн с большим коэффициентом усиления или вынос антенны датчика ближе к поверхности (например, под крышку люка) повышает уровень передаваемого/принимаемого сигнала. Качественная настройка антенн и снижение потерь в кабеле также важны для максимальной отдачи.
• Установка приемника на более высокой опоре. Размещение приемной антенны как можно выше (например, на вершине столба 4–5 м[1] или на здании) значительно улучшает видимость передатчика. Чем выше антенна, тем большую дистанцию она перекрывает при прочих равных. Высокая точка монтажа снизит затенение сигналов постройками и увеличит площадь уверенного покрытия.
• Оптимизация параметров LoRa. Для трудных условий можно снизить скорость передачи данных, увеличив запас по чувствительности. В частности, повышение коэффициента распространения (SF) с 7 до 9–12 и/или сужение полосы пропускания (например, до 62,5 кГц) увеличивают дальность связи, хотя и ценой более медленной передачи. Увеличение SF эквивалентно увеличению энергетического запаса сигнала, позволяя демодулировать пакеты при более низком SNR. Подбор оптимальных параметров (вместе с адаптивным ADR в LoRaWAN) обеспечивает баланс между надежностью канала и пропускной способностью сети.

В заключение, проведенное исследование показало, что технология LoRa удовлетворяет требованиям беспроводного сбора данных в тепловых сетях. При соблюдении указанных рекомендаций по усилению связи LoRa-сеть способна передавать информацию на диспетчерские узлы. Это открывает путь к созданию современной системы мониторинга теплосетей, повышающей эффективность и безопасность городской инфраструктуры.