Основные проблемы использования GPRS в телеметрических сетях и способы их решения для автоматизации учета тепла в ЖКХ

Проводимая в России реформа ЖКХ требует проведения учета тепла между поставщиками и потребителями, оценки фактического потребления и качества теплоносителя. Для учета потребления тепла были созданы специальные измерительные приборы - теплосчетчики. Они устанавливаются в элеваторных узлах зданий, доступ в которые ограничен, но периодический доступ к ним необходим для считывания показаний, причем, чем чаще, тем оперативнее учет. Поэтому актуальным вопросом является создание телеметрической сети для обслуживания теплосчетчиков.

Теплосчетчики снабжены интерфейсами RS-232/485, но создание проводной инфраструктуры специально для теплосчетчиков экономически нецелесообразно, поэтому в последнее время наиболее перспективным направлением создания масштабных телеметрических сетей является использование общедоступных сетей передачи данных (Интернет) с доступом оконечных устройств через сети сотовой связи с пакетной коммутацией данных. Это позволяет обойтись без строительства сети как такового, ведь каналы передачи данных уже созданы и обслуживаются операторами связи, остается только установить приемо-передающее оборудование. Выбор приемо-передающего оборудования как раз и является тем ответственным шагом, который определяет производительность и надежность сети.

Рассмотрим достоинства и недостатки возможных аппаратных решений.

• Использование модемов, которые позволяют расширять свои функции путем программирования для прошивки в модем протокола передачи данных теплосчетчика. Данное решение сводится к тому, что модем опрашивает теплосчетчик по заданному расписанию и формирует при этом заданный набор данных, который затем отправляет на сервер в Интернет, где осуществляется хранение и обработка этих данных. Метод хорош тем, что позволяет минимизировать трафик GPRS сети. Кроме того, формируя в таком устройстве пакеты SQL или XML, можно добиться хорошей производительности за счет использования на сервере хорошо отлаженных пакетов типа MS SQL Server. Однако такое решение более чем усложняется при обслуживании большого количества типов теплосчетчиков, так как придется делать свою прошивку под каждый теплосчетчик и при этом следить за универсальностью обмена данными с сервером и учитывать аппаратные возможности процессора в модеме. Кроме того, написание и отладка программного обеспечения для микроконтроллеров является очень трудоемкой задачей.
• Можно программировать модемы для организации прозрачного режима передачи данных. Здесь смысл – передать запрос к модему через сеть, далее модем ретранслирует этот запрос по каналу RS-232 к теплосчетчику, и полученный от него ответ отправляет на сервер в формате «как есть», т.е. протокол обмена данными с теплосчетчиками реализован тут не аппаратно (в модеме), а программно (на сервере). Это позволяет передавать любые данные к любому теплосчетчику. Таким образом, единожды разработав прошивку для модема можно подключать через такой модем принципиально любой теплосчетчик с каналом RS-232 и пакетным протоколом обмена. Программная часть такой системы, отвечающая за реализацию протокола передачи данных теплосчетчика, будет в таком случае работать на выделенном сервере, а не в микроконтроллере, и соответственно не будет столь стеснена в ресурсах. Кроме того, можно использовать мощности сервера для организации одновременного опроса сотен и тысяч теплосчетчиков. Тут уже все зависит от ширины Интернет-канала сервера и принципов построения программного обеспечения. Недостатком по сравнению с первым решением является больший трафик сети, необходимость решения вопроса установления связи с GPRS устройством (реальные IP для модемов, туннель в сеть оператора, методы обхода NAT). Однако, успешно решив эти вопросы, можно построить достаточно надежную и производительную систему автоматизации. Собственно о методах решения речь пойдет чуть дальше.
• Возможным на сегодня вариантом, которым нередко пользуются разработчики, является проектирование устройства связи под конкретные нужды, на основе GPRS модулей (бескорпусных технологических модемов). Достоинства те же, что и в первом случае плюс возможность использовать более мощный процессор. Недостаток – высокая стоимость решения, необходимость иметь производственную базу, сертифицировать полученные решения и т.д. Хотя для больших производственных предприятий и больших объемов может оказаться рентабельным.

Стоит также упомянуть модемы со встроенной операционной системой (QNX, J2ME и т.д.). В этом случае над программной платформой ОС создают систему с любой заданной функциональностью, но опять-таки за достаточно высокую цену. Хотя несомненные плюсы в простоте написания приложений под ОС и большое количество аппаратных модулей в таких устройствах (таймеры, счетчики, порты ввода-вывода, многоканальные ЦАП и АЦП и т.д.) делают такое решение привлекательным для специфических задач телеметрии. Однако в случае с проектированием систем для ЖКХ критичным фактором является стоимость таких устройств.

Таким образом, второй способ видится наиболее перспективным при организации телеметрической сети в ЖКХ. Однако на проблемах установки связи с модемами следует остановиться подробнее, ввиду необходимости решения этих вопросов при практической реализации такой сети.

Итак, суть проблемы заключается в том, что устройствам GPRS назначаются динамические адреса с помощью службы DHCP. Это избавляет оператора от необходимости вручную настраивать сеть и исключает возможные конфликты IP - адресов, но приводит к тому, что адрес мобильного устройства в сети заранее неизвестен. Решить проблему можно несколькими способами:

• инициатива установки связи закрепляется за модемом либо по расписанию, либо по внешнему событию, не связанному с сетью IP (например, входящий звонок или SMS) рис. 1.
• модем отсылает серверу UDP пакеты с уникальным номером модема в сети телеметрии, получив такой пакет сервер всегда в состоянии определить адрес отправителя, т.е. модема.

Второй способ опять-таки более предпочтительный, т.к. не использует телефонную сеть, которая ограничивает быстродействие первой схемы. Ограничение следует из скорости установки GSM связи, - на практике она колеблется от 5 до 12 сек. Таким образом, за минуту мы «обзваниваем» не более 12 модемов, при условии времени сеанса 30 сек. Сервер одновременно обслуживает 6 соединений. Использование SMS не гарантирует время отклика на запрос, т.к. не гарантировано время доставки SMS и собственно доступность GPRS канала для обратной связи. Во втором случае число соединений лимитируется шириной канала связи сервера с Интернет и может достигать 250 и более одновременных подключений. Однако возникает еще одна проблема – трансляция адресов на выходе из сети оператора.

Корни этой проблемы уходят в историю собственно Интернета. Так, проблема адресации связана с масштабными темпами роста сети Интернет, о которых разработчики протокола IPv4 и подумать не могли. Адреса в Интернет имеют размерность в 32 бит, она фиксирована и потому предельное количество хостов в сети, предусмотренное протоколом не может быть увеличено. Ввиду дефицита «реальных адресов» (уникальных во всей сети Интернет), были разработаны системы трансляции «серых адресов» (адреса вида 10.х.х.х, 172.16.х.х-172.32.х.х, 192.168.х.х) в реальные, т.н. NAT. Таким образом, большинство сотовых операторов выдает своим GPRS - абонентам серые IP - адреса. В этом случае при прохождении UDP пакетов к серверу мы видим не обратный адрес модема, а один из адресов пограничного маршрутизатора в сети сотового оператора.

Стоит также отметить, что проблема серых адресов актуальна на сегодняшний день во всем мире и не только при разработке решений для автоматизации, поэтому ведется разработка нового транспортного протокола IPv6 взамен IPv4, - это устранит не только проблему серых адресов, но и другие проблемы, связанные с маршрутизацией и классами сервиса.

В нашем же случае проблему серых адресов можно решить только отдав инициативу установки связи модему, как и в случае с DHCP, однако ввиду указанных выше недостатков способа, для масштабной сети автоматизации предпочтительней использовать реальные адреса.

Операторы сотовой связи предлагают решения для организации сетей передачи данных ввиду интереса к телеметрии с точки зрения расширения корпоративного сектора, например, «Fixed-IP» и «Real-IP». Эти услуги предполагают назначение модему реального IP - адреса в сети Интернет, доступного из любой точки сети. Однако существуют также компромиссные решения, представляющее собой комбинацию решений проблем с трансляцией. При этом не требуется покупка у оператора дополнительных услуг, что является важным для небольших телеметрических сетей. Повышенный уровень ошибок в этом случае компенсируется увеличенным числом повторов передачи за счет отсутствия абонентской платы за IP - адрес.

Также следует обратить внимание на возможность отсутствия доступа к сети GPRS вследствие перегрузки сети голосовым трафиком. Решение проблемы – элементарное планирование повторов неудачных попыток доступа. Однако, для организации сетей телеметрии реального времени GPRS не пригоден из-за непрогнозируемых ошибок доступа, но учитывая степень развития современных сотовых сетей, это не должно оказать существенного влияния на производительность телеметрических сетей, не использующих в процессе передачи данных компоненты, работающие в режиме реального времени, например, пропорциональное управление.

Таким образом, при построении сети автоматизации учета тепла в ЖКХ в силу масштабности системы, требуется высокопроизводительное решение для сети, позволяющее одновременный опрос большого количества приборов учета тепла. Сеть IP как раз и является таким высокопроизводительным решением. GPRS в данном случае как масштабный и доступный канал для IP – достаточно выгодное решение – и рассмотрение вопросов, связанных с GPRS - важный шаг к проектированию, внедрению и эксплуатации подобных сетей.

Список литературы

1. М.А. Кузнецов, П.С. Абатуров. GPRS – технология пакетной передачи данных в сетях GSM. СПб: Судостроение, 2002.

2. http://book.itep.ru/ - Электронные книги об архитектуре и протоколах Интернет. Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ).

3. Е.Д. Консон. Масштабные и низкозатратные системы диспетчеризации. Энергосбережение.

4. Белоусов Р.А., Лызуненко П.А., Музычук Р.И., Фискин Е.М. Особенности передачи данных с помощью GPRS. Современные проблемы радиоэлектроники. Доклады Межвузовской конференции посвященной 110-летию изобретения радио. ИрГТУ, 2005.

5. Белоусов Р.А., Фискин Е.М. Информационно-измерительная система «КУМИр ТЕПЛОКОМ» - новое решение для масштабных систем автоматизации учета тепла в ЖКХ. Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. ИрГТУ, 2006.