Экспериментальное исследование сетей стандарта WirelessHART в системах автоматизированного энергоменеджемента зданий

Вопросы энергетической безопасности и эффективности актуальны в современном обществе и поэтому привлекают внимание специалистов во многих странах мира. В частности, принятие Федерального закона от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности…» [1] ознаменовало новый этап государственной политики России в области энергосбережения. За принятием закона последовал выпуск большого количества нормативноправовых актов, регистрация саморегулируемых организаций в области энергоаудита. В 2010 г. была принята Государственная программа энергосбережения. Итогом стала консолидация указанных мер в рамках единого термина «энергоменеджмент». Одним из последних событий мирового значения стало появление в 2011 г. международного стандарта ISO 50001:2011 «Система энергетического менеджмента – Требования с руководством по эксплуатации» [2].

Беспроводные сенсорные сети для энергоменеджмента

Актуальным вопросом технической составляющей энергоменеджмента является поиск среды передачи данных, обладающей высокой надежностью при низкой стоимости оборудования. Перспективным направлением является использование беспроводных сенсорных сетей (БСС). БСС обеспечивают дуплексную связь в радиусе 10–70 м со скоростью передачи 250 кбит/с. Их ключевой особенностью является поддержка многократных ретрансляций, существенно увеличивающих радиус распространения сети. При отсутствии проводной инфраструктуры при помощи БСС возможно быстро и с минимальными затратами на коммуникации построить сеть передачи данных. Указанные особенности положительно сказываются на применении беспроводных сенсорных сетей для энергоменеджмента зданий.2

Постановка экспериментов

Нами было проведено экспериментальное исследование работы оборудования стандарта Wire-

lessHART в многоэтажных зданиях. Цель данного исследования заключается в определении принципиальной возможности построения систем автоматизированного энергоменеджмента жилых и административных зданий. В рамках данного исследования в марте 2012 года был проведен ряд экспериментов. Основные эксперименты проводились в строящемся крупнопанельном доме 97 серии (прим. 1). Также ряд экспериментов был проведен в каркасном административном здании с внутренними перегородками из шлакоблока (примеч. 2).

Нами были созданы полунатурные оконечные устройства, состоящие из встраиваемых коммуникационных модулей XDM2510HP производства RF Monolithics (США), и ПЭВМ с программным обеспечением собственного изготовления, эмулирующим работу прикладного контроллера. Взаимодействие натурной (модули) и имитационной (эмулятор приложения) частей осуществляется через интерфейс USB посредством интерфейсных плат из комплекта разработчика XDM2510HDK , выпускаемого производителем коммуникационных модулей. Сбор данных осуществляется на устройство XG2510HE производства RF Monolith-ics (США), объединяющее в себе координатор сети WirelessHART и шлюз в сеть Ethernet. Для радиосвязи использовались ненаправленные антенны с коэффициентом усиления 2,1 дБи. Все коммуникационное оборудование, использованное в экспериментах, серийного производства и промышленного назначения.

Основные задачи, решаемые при проведении опытов, заключались в определении реальных значений следующих показателей: дальность связи в пределах здания; задержки при передаче информации по сети WirelessHART; время, требуемое на инициацию (самоорганизацию) сети.

Ход проведения и результаты

Прежде всего, нами была установлена допустимая для устойчивой работы радиосети взаимная удаленность сетевых узлов. Заметим, более высокий коэффициент затухания в железобетоне в сравнении с затуханием в воздухе приводит к тому, что перемещение узлов в пределах небольших помещений (линейные размеры которых не превышают значений 5–7 м) не влияет на качество и стабильность связи. Влияние начинает ощущаться на расстояниях более 10 м, это было установлено в серии экспериментов в административном здании. Поэтому ключевым фактором при определении допустимой взаимной удаленности сетевых узлов в пределах крупнопанельного жилого дома является не расстояние между узлами, а количество стен и перекрытий. На основании данного вывода было решено в данной серии экспериментов пренебречь размерами помещений.

Было установлено, что стабильная связь сохраняется при прохождении сигнала через 1 стену либо 1 межэтажное перекрытие (рис. 1). Здесь символ «антенна» означает наличие связи, а символ «х» - отсутствие связи с данным помещением. При прохождении через 2 и более стены или перекрытия связь теряется. Устойчивую связь невозможно обеспечить и при вертикальном диагональном расположении узлов, т. е. в случае расположения узлов на соседних этажах здания со смещением в 1 и более стену. Данные выводы также отражены на рис. 1.

– узел отсчета; – наличие связи;

– отсутствие связи

Рис. 1. Связь через стены и перекрытия

На рис. 2 представлена схема сбора данных для индивидуального побатарейного учета и регулирования тепла. На основании сделанных выводов была рассчитана точка оптимального местоположения этажного узла сбора данных (на рис. 2 отмечена буквой «К»), которое обеспечивает оптимальную удаленность (количество ретрансляций) до всех узлов (для исследуемого подъезда – не более 4 ретрансляций).

Стандарт WirelessHART позволяет построить сеть числом ретрансляций до 255, что в большинстве случаев, включая автоматизированный энергоменеджмент зданий, является избыточным. Это позволяет построить внутри здания сеть из равноправных узлов-ретрансляторов с топологией трехмерной матрицы, горизонтальный срез которой представлен на рис. 2, а в вертикальном срезе узлы располагаются в ряд (по стоякам коммуникаций). Матричное строение позволяет передавать информацию как вертикально (по стоякам), так и горизонтально (в пределах этажа), что оптимально при частых коммуникациях близлежащих узлов. Для наиболее распространенного при энергоменеджменте здания случая централизованного сбора или рассылки информации узлом-шлюзом такая структура связей малоприменима ввиду ряда ограничений, которые рассмотрены далее.

Также были измерены временны́ е параметры:

– задержки в прохождении информации t _зад , т. е. время, требуемое на квитированную передачу информации от источника к получателю посредством некоторого количества ретрансляций n ретранс ;

– время присоединения t _{присоед} , т. е. время, требуемое для присоединения к сети узла, находящегося на расстоянии n ретранс от координатора.

Измеренные значения, полученные в ходе проведения экспериментов, сведены в таблицу.

На рис. 3 представлены значения задержек из таблицы, экстраполированные до значения в 10 ретрансляций. Следует заметить, данные получены методом экстраполяции и носят предварительный и оценочный характер. В ходе дальнейших экспериментов планируется подтвердить полученные значения на практике.

Анализ результатов эксперимента и выводы

На основе полученных в ходе экстраполяции данных можно сделать следующие выводы:

• •    с ростом числа ретрансляций непременно растет время доставки сообщения от отправителя к получателю, при 10 ретрансляциях задержка может достигать значения в 35–90 с;

• •    при увеличении числа ретрансляций в ре-

  зультате роста радиуса сети увеличивается значение t _{присоед} , его значение при 10 ретрансляциях может достигать 1400 мин, что соответствует 23,3 ч.

Рост tзад и tприсоед главным образом обусловлен энергосберегающим режимом работы сети WirelessHART, который подразумевает нахождение узлов сети в режиме сна до 99 % времени рабочего цикла tр.ц (рис. 4). Узлы переходят в активное состояние лишь на малые периоды времени tакт , между которыми следуют длительные периоды сна t . Увеличение доли t в t  может при- сн                              акт     р.ц вести к уменьшению значений tзад и tприсоед , что в целом окажет положительное влияние на динамику работы сети. Однако вместе с тем увеличивается энергопотребление, что негативно влияет на автономность устройств с батарейным питанием. На практике это не позволяет строить централизованные сети большого размера (в 20 и более ретрансляций), так как узлы, находящиеся в непо-

Рис. 2. План этажа с размещением узлов сети

Экспериментальные значения временны́ х параметров

ретранс	1	2	3	4
зад. ср , с	1	6	12	23
t зад. min , с	0,5	5	8	11
t зад. max , с	3	8	16	40
t       мин присоед , мин	1	5	12	35

tt  t tзад. ср ,     tзад.max ,     tзад.min                       ○ – экспериментальные значения

○ – экспериментальные значения

a)                                                                       б)

Рис. 3. Временные параметры сети

Rx – работа узла на прием, Tx – работа узла на передачу

Рис. 4. Рабочий цикл узла WirelessHART

средственной близости от шлюза, значительно чаще осуществляют ретрансляцию данных от других узлов, и это, с одной стороны, негативно влияет на ресурс работы батарей данных узлов, с другой стороны, существенно ограничивает пропускную способность сети. Выходом из данной ситуации может послужить внедрение узлов с электропитанием от сети, которые являлись бы локальными концентраторами для групп устройств с батарейным питанием. Увеличение доли t _акт в t _р.ц с одновременным уменьшением абсолютного значения t _р.ц в настройках локальных концентраторов позволит организовать в беспроводной сети высокоскоростной магистральный канал передачи данных. Однако эффективность данного метода нужно подтвердить на практике.

Заключение

На наличие и качество связи внутри зданий количество стен и перекрытий оказывают существенно большее влияние, чем расстояние между узлами. Также существенное влияние на дальность связи оказывает материал стен и перекрытий. К примеру, в панельных домах 97 серии устойчивая радиосвязь обеспечивается только через 1 стену или 1 межэтажное перекрытие, в то время как при прохождении сигнала через стены из шлакоблока наблюдается значительно меньшее затухание.

С увеличением радиуса сети и ростом числа ретрансляций увеличиваются время доставки сообщения от отправителя к получателю и время, требуемое для присоединения к сети новых узлов. Требуется оптимизировать топологию сети таким образом, чтобы минимизировать количество ретрансляций в сети.

Для предотвращения нежелательного уменьшения ресурса элементов питания узлов, находящихся вблизи осуществляющего сбор данных шлюза, возможна установка узлов с сетевым питанием, осуществляющих магистральную маршрутизацию данных. Альтернативным решением проблемы является оптимизация системы маршрутизации в сети и внедрение системы альтернативных маршрутов, позволяющих уравнять нагрузку на расположенные в различных частях сети узлы.

Учитывая вышеизложенное, считаем применение беспроводных сенсорных сетей в системах автоматизированного энергоменеджмента зданий возможным и целесообразным при условии корректного проектирования топологии и достаточной плотности расположения узлов.