Přenos dat z měřičů tepla po síti GSM
Měření tepla na patách objektů zaznamenalo v posledních 20 letech nebývalý rozmach. Zdá se těžko uvěřitelné, že se před 40 roky celkem běžně používaly měřiče pracující na čistě mechanickém principu a bez jediné elektronické součásti. Mechanické měřiče tepla zvládaly nejen měřit teplotu a průtok, ale také počítat teplotní diferenci a tyto hodnoty násobit podle kalorimetrické rovnice.
Tyto měřiče plnily jedinou funkci - měření tepla. Postupem času, s rozvojem techniky, technologií a elektroniky se měřiče tepla stávají přesnějšími, při zachování výborných metrologických parametrů se stále zlevňují a jsou vybavovány mnoha přídavnými funkcemi. Jednou z dominantních schopností současných měřičů tepla je možnost jejich integrace do systémů dálkového sběru a přenosu dat. Nejčastěji je používán přenos dat po síti M-Bus podle EN 1434-3, kdy fyzická vrstva je tvořena dvoudrátovým metalickým vedením (drátem).
Co ovšem dělat, pokud v místech instalace měřičů tepla není takové vedení k dispozici a bylo by velmi obtížné je vybudovat? V takovém případě lze využít jiných možností "konektivity", a to například:
- přenos dat po vedení elektrické napájecí sítě
- přenos dat po rozvodu kabelové televize
- internet
- rádio v pásmu 433 nebo 686 MHz, případně i v jiných frekvenčních pásmech
- přenos dat přes sítě mobilních telefonních operátorů GSM
Popis: Švýcarský mechanický měřič tepla AQAMETRO a principiální schéma konstrukce
Společnost ENBRA, a.s. nabízí svým zákazníkům všechna shora uvedená řešení. Konkrétní varianta je vždy volena s ohledem na potřeby zákazníka, možnosti a konektivitu dostupnou v místě instalace. Komplexní systém řešení dálkových odečtů ENBRA zahrnuje nejen vlastní měřiče tepla, ale také možnost odečtu vodoměrů, plynoměrů, elektroměrů a dalších zařízení. Dodáváme nejen potřebnou technologii a hardware, ale také software pro odečet a vizualizaci dat.
Na základě zkušeností našich zákazníků můžeme říci, že velkou oblibu má systém přenosu dat přes sítě mobilních telefonních operátorů GSM. Tato varianta je výhodná hned z několika ohledů:
- signál GSM je dostupný v obydlených oblastech kdekoliv
- "přenosová soustava" je velmi kvalitní, profesionálně projektovaná, provozovaná, dohledovaná a zálohovaná mobilním operátorem
- poskytuje hned několik použitelných služeb (SMS, GPRS/EDGE, Dial-Up, ...)
- její využití je velmi ekonomické
V dalším textu bude podrobněji rozebráno, jaké praktické možnosti přenosu dat z měřičů tepla nám síť GSM poskytuje.
ČR i SR jsou v rámci Evropy specifické tím, že valná většina měřičů tepla je provozována s bateriovým napájením. To je důsledkem relativně překotné liberalizace energetického trhu a také nechutí majitelů strpět ve svém objektu měřící zařízení dodavatele tepla včetně jeho napájení. Přestože dnešní měřiče tepla mají příkon výrazně nižší než 3W, je po majiteli objektu vyžadováno podružné měření spotřebované elektřiny a oddělené jištění okruhu. Snaha nájemníků "ušetřit" často vede k neoprávněnému vypínání jističů v napájecím okruhu, podružné měření elektřiny si vynucuje potřebu dodávky elektřiny smluvně ošetřit. Za této situace je výhodné, pokud je měřič vybaven takovým systémem přenosu dat, který je napájen bateriově a výdrž baterie v běžném provozu, včetně nezbytné rezervy, je delší jak jedno ověřovací období.
Tato podmínka je splnitelná měřičem tepla, který je vybaven GSM modulem a který odesílá data ve formě SMS zpráv. SW a HW musí být navržen s ohledem na následující skutečnosti:
- Samotný GSM modul je velmi hladovým spotřebičem. Při komunikaci s BTS je jeho proudová spotřeba cca 1A. Tomu musí odpovídat jeho napájení. Používají se lithiové baterie speciální konstrukce, které jsou schopny dodávat špičkově velké proudy. Nelze použít běžné typy lithiových baterií, byť by byly velikostně, napěťově a kapacitně jinak shodné! Mezi GSM modul a napájecí baterii bývá vložen měnič napětí, který zvyšuje napětí na hodnotu vhodnou pro napájení GSM modulu jak v běžném provozu, tak za situace, kdy se baterie chová jako měkký napájecí zdroj a její napětí při zatížení značně klesá.
- GSM modul a s ním související obvody nemohou být z důvodu spotřeby zapnuty stále. Musí být vytvořen Watch Dog Timer, který elektroniku v definovaných intervalech (zpravidla 1x denně) probouzí.
- V okamžiku probuzení se elektronika vyčte data přes vnitřní sběrnici měřiče a zformulují z nich SMS zprávu ve standardním nebo PDU formátu.
- Aktivace GSM modulu, registrace do sítě mobilního operátora a odeslání SMS na předem definované tel. číslo. Doba registrace bývá časově omezena.
- V případě, že je požadována možnost parametrizace GSM části (například definice odesílací periody) vyčká GSM modul ještě určenou dobu na příjmu a v případě že obdrží příchozí SMS, tuto zpracuje.
- Uspání GSM modulu a souvisejících elektronických částí.
Všechny tyto požadavky splňuje GSM-SMS modul pro kalorimetrické počítadlo SONTEX Supercal 531. Modul se stará o autonomní vyčítání dat z kalorimetrického počítadla a odesílání SMS zpráv v předem definovaných časech.
Příchozí zpráva, jejíž počáteční část ukazuje obrázek, může být přijata na běžném mobilním telefonu, neboť jde o nekódovaný standardní text. V praxi jsou zprávy z měřičů tepla přijímány GSM modemem připojeným k PC. Obslužný SW potom stáhne přijaté zprávy z modemu, vyseparuje z jednotlivých zpráv hodnoty a ty uloží do databáze nebo tabulky. Takto získaná data je možno již dále bez problémů zpracovat. Zprávy jsou obvykle zasílány 1x denně, případně méně často. Ve zprávě jsou přenášeny zpravidla hodnoty o aktuálních hodnotách (okamžitý průtok, teploty, teplotní diference, okamžitý výkon, stav baterie, chyba) a o kumulovaných hodnotách (energie, kumulovaný objem). Dále jsou přenášeny i další hodnoty (měsíční hodnoty, hodnoty přídavných impulsních vstupů, časové údaje z měřiče atd.). Obsah zprávy je definován tak, aby se požadované údaje vešly do jediné SMS.
Nejnovějším a v praxi stále rozšířenějším je datový přenost přes GPRS (General Packet Radio Service) a EDGE neboli EGPRS (Enhanced General Packet Radio Service), které je rozšířením GPRS a s ním zpětně kompatibilní.
Popis: Měřič tepla s vestavěným GPRS modulem
Výhodou tohoto způsobu přenosu je, že GSM modul v měřiči tepla se připojuje přes APN (Access Point Name) do internetu. Pro přenos jsou užity pakety UDP (User Datagram Protocol - poskytují nespolehlivou transportní službu pro takové aplikace, které nepotřebují spolehlivost, jakou má protokol TCP. Nemají fázi navazování a ukončení spojení a už první segment UDP obsahuje aplikační data). Záměrně se pro přenos dat neužívá paketů TCP z důvodu rychlosti odezvy. Je však třeba, aby se vyčítací aplikace vyrovnala s nespolehlivou transportní službou. V modulu měřiče samozřejmě musí být vložena SIM karta mobilního operátora s aktivovaným datovým tarifem. S výhodou lze použít některý ze speciálních tarifů M2M (machine-to-machine), které mobilní operátoři nabízí.
Tuto možnost nabízí GSM-GPRS modul pro kalorimetrické počítadlo SONTEX Supercal 531.
Datový přenos z měřiče je (po navázání spojení) transparentní M-BUSovský, pouze přenosové médium je specifické. Je však třeba si uvědomit, že v prostředí internetu jsou měřiče identifikovány nikoliv svými M-Bus adresami nebo výrobními čísly, ale přidělenými IP adresami ! Z tohoto pohledu se v praxi uplatní tři varianty managementu IP adres:
- Měřič (resp. jeho SIM karta) má přidělenu pevnou IP adresu. Tato IP nemusí být viditelná z prostředí celého internetu, postačí, je-li viditelná v rámci příslušné VPN). S měřičem lze pak komunikovat bez omezení, protože je jednoznačně v internetu identifikován.
- Měřiči je přidělována adresa dynamicky DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) serverem. Po složení spojení je měřiči přidělena IP adresa, která však není známa aplikaci, která se stará o vyčítání. Měřič však zná IP adresu stroje, který jeho vyčítání provádí. je tedy možné, aby odeslal sám o své vůli infomaci o právě přidělené IP adrese, vyčítací aplikace tuto informaci akceptuje a vyčítá pak z již známé IP adresy měřiče).
- Měřiči je přidělována adresa dynamicky DHCP serverem. Měřič sám periodicky odesílá odečtová data pomocí FTP (File Transfer Protocol) na vyhrazený FTP server. Jemu přidělená IP adresa není v podstatě důležitá. V tomto případě se však nejedná o transparentní přenos dat, ale o přenos v dávkách. Tím se blíží funkčně variantě s přenosem po SMS, výhodou je ovšem mnohonásobně větší možný objem přenášených dat při velmi nízké ceně (GPRS/EDGE je tarifováno od datového objemu).
Přenos přes GPRS/EDGE lze také použít jako prodloužení M-Bus sběrnice, na které je navěšeno několik měřidel (nemusí se jednat jen o měřiče tepla, ale také o plynoměry, elektroměry, vodoměry .....)
Přenos přes GPRS samozřejmě vyžaduje také příslušný HW a SW na straně vyčítání hodnot (masteru). V případě transparentních přenosů (protokolově M-Bus) jsou k dispozici dvě varianty řešení:
- Stroj, který činnost zajišťuje je připojen do internetu (resp. do příslušné VPN) také přes GPRS/EDGE modem. Přístupový APN musí být shodný s měřiči. Toto řešení je vhodné pro menší počet vyčítaných měřičů v důsledku nižší spolehlivosti zřetězených GPRS přenosů
- Stroj, který činnost zajišťuje je připojen do VPN tunelem na příslušného mobilního operátora. Toto řešení je výrazně robustnější, ale také dražší v pořízení i provozu a při instalaci vyžaduje velmi těsnou spolupráci mobilního operátora. Je tedy vhodnější pro rozsáhlejší systémy.
Dále je třeba zajistit, aby odečítací SW, který přistupuje zpravidla na standardní COM port, měl toto rozhraní směrováno na COM virtuální a docházelo k transformaci na UDP pakety. Tuto funkci mohou zajistit SW typu Serial to Ethernet Connector 5.0 od společnosti Eltima Software nebo Virtual COM-UDP od společnosti P.C. Micro Systems.
Jak už bylo poznamenáno výše, jsou měřiče rozlišeny v případě transparentního přenosu svými IP adresami. při transformaci na UDP je tedy třeba zajistit, aby při odesílání M-Bus dotazu typu SND_NKE, REQ_UD2, ... bylo provedeno směrování každého dotazu na správnou IP. O tuto funkci se stará SW, který je součástí dodávky systémového řešení ENBRA.
ENBRA, a. s. je lídrem v prodeji vodoměrů a v první trojce dodavatelů měřičů tepla. Nabízí sortiment tepelné techniky, vzduchotechniky, chlazení a fotovoltaiky. Je dodavatelem produktů i poskytovatelem služeb - patří k vedoucí trojici rozúčtovatelů nákladů ...
