АТБ Электроника: Производство российских базовых станций IIoT вышло на промышленный уровень

Российская промышленность и коммунальный сектор проходят этап большой модернизации: производственные и коммунальные сети становятся умнее — на них появляются умные датчики и автоматизированные устройства управления. Ключевой элемент такой сети — базовая станция IIoT. Она должна легко устанавливаться на конкретных объектах (производственных цехах, складских помещениях и т.п.), а также на открытых пространствах (автопарк, открытая территория любого предприятия и т.д.) для того, чтобы обеспечивать передачу собранных с устройств данных на обработку в центральную информационную систему.

Технология связи LoRaWAN

Самой популярной технологией связи для решения указанного широкого спектра задач сегодня является LoRaWAN (LoRa of Wide Area Network). Этот стандарт отлично подходит для получения данных с устройств (передача небольших наборов данных), причем в весьма экономичном режиме энергопотребления и с большой «пробивной способностью».

Дальность связи составляет на открытом пространстве до 15 км и до 5 км в условиях плотной городской застройки. Причем, дальность связи будет выше, если разместить базовую станцию на доминирующей высоте. Мировой рекорд в этой части составляет 766 км. Чтобы получить такую дальность связи LPWAN, испанские инженеры из университета Сарагосы подняли LPWAN-зонд на аэростате на высоту 18 км. Оттуда он передал пакеты с данными на 24 базовые станции, одна из которых находилась на лыжном курорте в 766 километрах от места запуска аэростата. Мощность передатчика составила 25 мВт.

В нашей стране также идут исследования возможностей LPWAN-сетей. Мы в ней участвуем, — отмечает Олег Новиков, заместитель директора R&D центра «АТБ Электроника», руководитель разработок для интернета вещей.

В числе других ярких особенностей протоколов семейства LoRaWAN — высокая устойчивость к нежелательному электромагнитному шуму. Собственно, поэтому решение на базе LoRaWAN стало так популярно в производственной сфере — датчики можно устанавливать в труднодоступных местах, куда крайне сложно провести проводную связь, и они будут надежно работать в течение длительного срока, не требуя технического обслуживания. Как замечает Олег Новиков, фактически периодичность обслуживания таких устройств, например, в области ЖКХ, соответствует срокам поверки приборов учета, а они, в соответствии с российской нормативной базой, составляют шесть лет.

Более того, сеть LoRaWAN предприятие самостоятельно может развернуть на нужной территории. Это экономически выгодно, поскольку отсутствуют регулярные платежи оператору связи беспроводной связи, например, как в сетях NBIoT или GSM.

Архитектура базовой станции IIoT компании «АТБ Электроника»

АTB-LW-BS — базовая станция, предназначенная для развертывания сети LoRaWAN в диапазоне 863-870 МГц, выполняет роль шлюза для организации связи между сервером и оконечными устройствами. Станция поддерживает до 16 каналов LoRaWAN и выпускается в корпусе с классом защиты IP67.

При разработке базовой станции использовалась модульная архитектура, которая обеспечивает заказчикам большую гибкость для получения нужной функциональности. Так, можно выбрать и при необходимости легко интерфейсы связи станции с сервером: LTE 450 МГц, LTE Cat.1, LTE Cat4. Кроме того, базовая станция поддерживает три системы глобального позиционирования: ГЛОНАСС, GPS, Beidou. Модульный подход позволяет выбрать исполнения с внутренними антеннами или подключением антенн к разъему N type.

Предусмотрено также несколько вариантов исполнения антенн базовой станции. Если антенна LoRaWAN всегда внешняя, то антенны сотовой связи LTE или навигационной системы могут располагаться внутри корпуса. С помощью коаксиального радиочастотного разъема N-типа антенну можно разместить на большей высоте за пределами коммуникационного шкафа. Такой вариант внешней подключаемой антенны очень удобен, например, в ситуации, когда необходимо в комфортных условиях помещения перепрограммировать базовую станцию, а антенна при этом остается снаружи.

Таким образом, заказчикам доступно 18 вариантов исполнения базовой станции АTB-LW-BS. Например, можно использовать разные варианты подключения электропитания: возможно питание от сети либо посредством PoE (Power over Ethernet) — тогда питание подается по свободным проводникам витой пары с помощью PoE-сплиттера или постоянным напряжением от 12 до 48 В.

Кроме того, есть два варианта установки базовой станции: непосредственно на открытом пространстве, например, на столбе (для этого специально разработана форма, которая нивелирует воздействие потоков ветра и радикально снижает парусность конструкции) или установка в коммуникационном шкафу. Дизайн базовой разрабатывался специально таким образом, чтобы инженеры заказчика смогли легко её установить.

Модульный подход подразумевает упрощение, унификацию базовой станции, а также снижение стоимости и «дружественность» конструкции для человека, ее обслуживающего, — подчеркивает Олег Новиков. — Более того, он позволяет получить базовую станцию во всех вариантах в виде полноценного программно-аппаратного комплекса (ПАК), в котором аппаратная и программная часть тесно интегрированы изначально и произведены с учетом требования их максимальной совместимости.

По сути, АTB-LW-BS — это первый российский ПАК в области промышленного интернета вещей.

Конструкция базовой станции

Все модули базовой станции АTB-LW-BS выполняются в форм-факторе PCI Express, за исключением процессорного модуля. Этот модуль, разработанный на базе процессора из семейства Rockchip ARM-архитектуры китайской компании Fuzhou Rockchip Electronics. Использование разъемов mPCI-express дает возможность, в частности, использовать в составе базовой станции внешний криптографический модуль доверенной загрузки. Сегодня наблюдается высокая потребность российских заказчиков в получении защищенных устройств IIoT, и базовая станция АTB-LW-BS отвечает этой потребности.

Внутреннее устройство базовой станции АTB-LW-BS

Меры обеспечения информационной безопасности базовой станции

Программное обеспечение базовой станции АTB-LW-BS базируется на ОС Linux. Для подключения бесопастности каналов связи может использоваться модуль доверенной загрузки (используются продукты, сертифицированные ФСБ, которые производят отечественные партнеры «АТБ Электроника»). Передача данных защищается шифрованием. Таким образом, доверенный загрузчик и криптографически защищенный канал передачи данных обеспечивают ответственную загрузку данных в базовую станцию.

В настоящее время базовая станция уже сертифицирована в соответствии с требованиями Таможенного союза, аппаратная часть готовится к проверке на соответствие требованиям реестра РЭП Минпромторга, а сам ПАК базовой станции, как рассчитывают в компании, будет вскоре зарегистрирован в реестре отечественного ПО Минцифры.

Встроенное ПО, которое нельзя отделить от аппаратной части, вносится в реестр отечественного ПО в стандартном порядке, — поясняет Олег Новиков.

Адаптация программной части базовой станции к требованиям заказчика

При внедрении базовой станции IIoT в сетях российских заказчиков нередко приходится дорабатывать программное обеспечение станции. Например, в области электроэнергетики принят корпоративный стандарт — СПОДЭС СТО 34.01-5.1-006-2019 «Счетчики электрической энергии. Требования к информационной модели обмена данными», который в 2020 г. был утвержден в качестве национального стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 58940-2020 «Требования к протоколам обмена информацией между компонентами интеллектуальной системы учета и приборами учета».

Для того чтобы согласовать механизм передачи данных, осуществляемый в соответствии с требованиями СПОДЭС, с особенностями протокола LoRaWAN, специалисты «АТБ Электроника» разработали специальный подход — цифровой двойник — и соответствующее ПО. Этот подход подразумевает, что ПО цифрового двойника собирает данные со счетчика, накапливает их и создает некий цифровой образ электросчетчика, а затем передает их по каналу связи, например, Ethernet на сервер. Таким способом гармонизируются особенности передачи данных в протоколах LoRaWAN и СПОДЭС. Причем возможен формат реализации цифрового двойника электросчетчика, который можно встроить как в софт базовой станции.

Интеграция базовой станции IIoT в системы заказчиков

«Мы можем интегрироваться с любой системой верхнего уровня», — подчеркивает Олег Новиков.

Например, в проекте умного освещения железнодорожных станций, который недавно выполнила компания, данные, поступающие с базовой станции, передаются непосредственно в АРМ оператора, который контролирует освещение.

Особой популярностью пользуется интеграционное решение базовой станции АTB-LW-BS с системой уличного освещения в рамках автоматической системы управления освещением. В нем используются контроллеры автоматического управления наружным освещением, разработанные «АТБ Электроника», которые дают возможность управлять интенсивностью освещения в зависимости от времени суток и по расписанию. Такое решение дает отличные результаты, в частности, при заключении энергосберегающих контрактов с муниципальными структурами. Его также можно реализовать с применением датчика освещенности: даже глубокой ночью станционный фонарь выключается, когда к станции подходит поезд, освещающий окружающее пространство светом яркого прожектора.

Кроме того, в это решение можно добавить встроенный датчик который оповестит оператора или внешнюю ИТ-систему о том, что опора светильника накренилась или вообще упала на землю. А если в решение добавить GNSS, то появится возможность осуществить привязку местности. Это очень удобно, например, для указания точного маршрута для ремонтной бригады в случае аварии в сети освещения. А если учесть, все модели контроллеров АСУНО оснащены Bluetooth-связью для удобства конфигурирования, то при необходимости сотруднику достаточно просто встать рядом с нужной опорой и переконфигурировать устройство.

Важно, что разработчики базовой станции позаботились об удобстве пользования устройством эксплуатирующей организацией.

Мы все оптимизировали и до такого состояния, что любой человек, не обладающий специальными знаниями области Linux, очень быстро с помощью нашего небольшого руководства пользователя сможет самостоятельно провести настройку базовой станции, — рассказывает Олег Новиков.

Сегодня компания «АТБ Электроника» вышла на уровень производства базовых станций IIoT в промышленных масштабах. Базовые станции, как и остальная продукция «АТБ Электроника», производятся по ОЕМ/ODM-модели, то есть может выпускаться под торговой маркой заказчика с необходимыми доработками, как в части дизайна изделия, так и с точки зрения функционала. Востребованность этой продукции российской промышленностью эксперты компании оценивают на уровне 100 тыс. штук в год. Официальные продажи уже начались, первые партии ушли к заказчикам. Как рассказывают в компании, на сегодняшний день оформлен предзаказ на 10 тыс. изделий. Кроме того, магистральная базовая станция прошла несколько этапов обязательной и добровольной сертификации, подтвердила класс защиты корпуса IP65, и на испытаниях в НИИ Радио показала стабильную передачу данных на расстояние 18 км. В настоящее время немалое количество станций проходят тестирование непосредственно в «боевых» условиях у потенциальных заказчиков.