Ganz allgemein, IoT ist der weiteste Sinn für Begriffe, die wie ein Netzwerk von Geräten oder Sensoren aussehen, die mit dem Internet verbunden sind. Diese Technologie findet Anwendung in verschiedenen Aspekten des menschlichen Lebens. Es spielt eine Hauptrolle als Technologiefaktor für die digitale Transformation.
Wenn es um den Weg des IoT geht, ist die Datenerfassung und -verwaltung eine der herausfordernden Aufgaben. Es setzt die folgenden Änderungen im Geschäftsfeld voraus:
- Es erhöht sicherlich den Reichtum der Daten, die den Mehrwert für das datengetriebene Geschäft transformieren.
- Damit wurde ein Weg geschaffen, um Möglichkeiten für neue Services mit Hilfe eines Assets, Echtzeiterfassung und Überwachung von Daten und künstlicher Intelligenz (KI)zu schaffen.
Das IoT hat mehrere Unternehmen bei der Erfassung von Kunden- und Betriebsdaten unterstützt. Diese Daten wurden weiter für die Analyse, Wartung und Verbesserung des Komforts bei der Betriebseffizienz verwendet.
Tele-Measurement oder Smart Metering ist eine der wichtigsten Domains im Bereich des Internet of Things (IoT). Smart Metering bietet eine vielfältige Palette von Anwendungen basierend auf Umständen und Ort. Es wird angenommen, dass die fortschrittliche Messinfrastruktur (AMI) zu einer Senkung der Kosten und der Nachfrage führt, um Kunden mit verbesserter Kommunikation zu bedienen. Es findet seine Anwendung in den öffentlichen Gebäuden, städtische Sanierung, Parkplätze, terrestrischen Verkehr, Wasserbau, Energieverbrauch, etc., Die Erweiterung der Smart Metering in großem Maßstab führt zur Integration von IoT-Plattform, die in der Lage ist, die durch die gesammelten Daten zu verbessern -Sensoren. Diese Integration von IoT verbessert den Betrieb, die Qualität und stellt die Service-Kontinuität sicher. Wenn es um Smart Metering im Distributionsnetz geht, spielen AMIs nicht nur in der Distribution eine entscheidende Rolle, sondern auch für die Überwachung, Überwachung und Kontrolle des Verteilungs- und Verbrauchsniveaus. Ein entscheidender Faktor, der das AMI beeinflusst, ist die Kommunikation zwischen den Zählern und den Versorgungsservern. Die Vorteile und Anwendungsfälle der Anwendung einer zentralisierten IoT-Plattform umfassen:
- IoT spielt eine prädiktive Rolle bei der außerordentlichen Wartung.
- Es registriert die kalenderbasierte Strategie , um die Geräte und Sensoren in Form zu halten.
- Eine effiziente Methode der Datenerfassung für Analysen und die Übernahme von KI-Tools.
- Kapazitätskontrolle in einem Verteilungsnetz.
- Zentrale Überwachung und Erkennung kritischer Ereignisse
Die Sensoren und die Geräte, die geografisch verstreut sind, sollten eine Kommunikationsinfrastruktur als Kernanforderung benötigen. Neben den verschiedenen Anwendungen und Vorteilen sollte die IoT-Plattform selbst so gestaltet sein, dass sie in der zukünftigen Evaluierung die erweiterte Architektur oder Anwendungsfälle für die Datenerfassung integrieren kann.
- Analyse der Daten der Sensoren und Geräte an der Wasserverteilungsleitung , um eventuelle Abfälle/Leckagen mit akustischen Geräten, Temperatur und Druck im Wasserverteilungsnetz zu finden.
- Verarbeitung verschiedenster Daten von Sensoren im Bereich des Wohnsystems, z.B. Aufzug, Überwachungssystem, Parkplatz, Umweltkontrollen, etc.
- Zutrittskontrolle an verschiedenen Orten wie Arbeitsplatz, zu Hause, öffentlichen Versammlungen usw.
- Überwachung der Wasserqualität mittels Sensordaten für das Trinkwassermanagement.
Das Wasserversorgungsmanagement mit der intelligenten Technologie, die von IoT betrieben wird, beschränkt sich nicht nur auf die einzige Anwendung. Diese können in verschiedenen Sektoren, wie oben erwähnt, angewendet werden. Bei der Integration solcher Technologien werden Datenerfassung und Datenanalyse in Sektoren wie Wasser/Abwassermanagement, Verkehr, Energie, Gebäude, Sicherheit, Kommunikation und Umweltmanagement eingesetzt.
Architektur der IoT-Plattform in Smart Metering:
Um die agile Überwachung und Verwaltung des Wasserverteilungssystems umzusetzen, wird das mehrschichtige System mit den verschiedenen Industrie-Protokollen benötigt, um in das zentrale System zu integrieren. Das System kann zu einem vierschichtigen IoT-Referenzmodell vereinfacht werden. Die verteilten Geräte oder Sensoren, die auf dem Feld installiert sind, bilden die physikalische Basisschicht des Referenzmodells. Die erfassten Daten werden über das sichere Kommunikationsprotokoll (TCP/IP, Gateway-Gerät, etc.) an den Remote-Server übertragen. Der Remoteserver stellt die Daten für den weiteren Prozess und die Analyse des Anwendungsbedarfs an die Managementschicht zur Verfügung.
Zentrale Einheit:
Die von der physikalischen Schicht übertragenen Daten werden an der Zentraleinheit (CU) empfangen, die die Analyse- und Kontrolloperationen durchführt. Die CU stellt die IoT-Management-Schicht dar, in der Funktionalitäten wie Optimierung, Datenverwaltung usw. implementiert werden können.
Die vom Gateway empfangenen Online-Daten werden vom Anwendungsschichtalgorithmus verarbeitet, der versteckte Muster identifiziert und die Daten basierend auf ihrer Anwendung analysiert. Der Algorithmus korreliert historische und Echtzeitinformationen, um die Ereignisse zu prognostizieren.
Durch die Online-Überwachung der verfügbaren Parameter führen die Vorhersage- und Optimierungsalgorithmen bei neu aufgetretenen oder erwarteten Ereignissen notwendige Maßnahmen durch. Während die Daten in der zentralen Speichereinheit gespeichert werden, um möglichen Datenverlust zu verhindern.
Die grundlegenden technischen Anforderungen und Anwendungen für die IoT-Plattform und Smart Metering sind:
- Zentralisierte Datenerfassungsmodule aus der physischen Schicht
- Datenerhebung, -verarbeitung und -analyse
- Geräte- und Sensormanagement im Feld
- Daten-Management
- Netzwerk-Analytik
- Hochsichere Kommunikation
- Open-Source-Plattform
- Integration und Skalierbarkeit der Anwendung in Zukunft
- Industrielle Kommunikationsprotokolle
- Zugriffsverwaltungsmodul (IAM)
- KI-Funktionalität
- Fakturierungsdaten in Echtzeit
Das System ist so konzipiert, dass es sich an die Zunahme der zu verwaltenden neuen Volumina anpassen könnte. Es sollte in der Lage sein, seine Anzahl in den Feldsensoren und Systemnutzlast zu erweitern. Wenn es um die technischen Stacks geht, sollte es in der Lage sein, das kontinuierliche Update, die zentrale Versionskontrolle und die aktualisierte Betriebssicherheit zu verwalten.
Die Rolle von Bildverarbeitung und Künstlicher Intelligenz:
Wasserversorgungsgeräte haben eine Reihe von verpassten Daten, die nicht von der Überwachung und dem Steuersystem erfasst werden. Für eine gut gepflegte und bessere Dienste spielen diese Daten auch eine Hauptrolle. Es ist auch selten oder unmöglich, alle Daten aus dem Feld zu erfassen, ohne zu fehlen.
Um ein autonomes System zu schaffen, das alle benötigten analogen Daten sammelt, spielt eine bildbasierte Lösung eine entscheidende Rolle. Für einen Fall betrachten Wasserleitungen mit mehreren analog-digitalen Zählern, mit den Bilddaten des Zählers können verarbeitet und in den numerischen Wert umgewandelt werden.
Betrachten Sie ein Wärmebildsystem, das die Hauptrolle bei der Temperatur-, Leckage- und Verlustprognose spielt. Diese Art von Bilddaten reduzieren die Datenübertragungsrate stark von mehreren Hunderten von Datenpunkten auf ein einziges Bild.
Kommunikationsprotokolle:
Wenn es um das intelligente Messsystem für Wassermanagement geht, ist die Zwei-Wege-Kommunikation eine wichtige Funktion. Es gibt unterschiedliche Kommunikationsprotokolle zwischen den Feldsensoren und zentralen Managementsystemen sowie zwischen Verbraucher und Lieferant. Die verschiedenen Kommunikationsprotokolle wurden in Bezug auf Datenrate, Frequenz, Reichweite, Stabilität und Kosten definiert und verglichen.
| Technologie | Kosten | Kommunikationsmodus | Frequenz | Reichweite | Beschränkung |
| GPRS | Mittlere | Stabil | 900 -1800 Mhz | 1-10Km | Datenraten niedrig |
| 3G | Hoch | Stabil | 1,92 GHz — 1,98 GHz, 2,11-2,17 GHz | 1-10km | Spektrum kostspielig |
| GSM | Niedrig | Stabil | 900-1800Mhz | 1-10km | Datenraten niedrig |
| WiFi-Max | Mittlere | Stabil | 2,5-3,5 GHz | 10-50km | Nicht weit verbreitet |
| PLC | Niedrig | Sehr stabil | 1-30 MHz | 1-3km | Lauter Kanal |
| SCADA | Hoch | Stabil | Bis zu 1,54 MHz | Kurze Distanz | Teure |
| M-Bus | Hoch | Weniger stabil | 2,4-4,8 MHz | 1000m | Teure |
| ZigBee | Mittlere | Weniger stabil | 2,4 GHz, 868-915 MHz | 30-50m | Kurze Reichweite |
| Sigfox | Mittlere | Stabil | 868 bis 869 MHz | 10km (Städtisch) und 40km (ländlich) | Eingeschränkte Nutzlast |
| LoRa | Mittlere | Stabil | S-, T-, C-Modi (868 MHz) und N-Modus (169 MHz) | 5 km | Kommunikation mit Sichtlinien |
| WirelessHART | Weniger | Stabil | 2,4 GHz | 225m | unsichere Verschlüsselung |
4G/5G:
Da das IoT nahtlos wächst, ist eine Technologie erforderlich, die große Datenübertragungsmengen bei sehr hoher Bandbreite mit reduzierter Latenz für die komplexe IoT-Architektur unterstützt. Ericsson schwedisches Telekommunikationsunternehmen (Kapital 25 Milliarden US-Dollar), Nokia finnische Telekommunikations- und Datennetzungsgesellschaft (Kapital von 18 Milliarden US-Dollar) und Qualcomm American Company (81 Milliarden US-Dollar) sind die wichtigsten Unternehmen, die sich in der 4G- und 5G-Entwicklung positioniert haben.
4G (Long Term Evolution – LTE) eine frühere Technologie von 5G ist die herausfordernde Technologie, die ein Grund für die steigende Anzahl von intelligenten Geräten Konnektivität ist. 4G verwendet den orthogonalen Mehrfachzugriff , der es schwierig macht, für die zukünftige IoT-Anwendung zu unterstützen. 5G hat geboren, um dieses Vermächtnis zu tragen , die das kombinierte Framework bereitstellen, das für die neuesten IoT-Anwendungen benötigt wird.
Diese drahtlosen Kommunikationstechnologien bringen die Bedeutung für IoT, da sie globale Reichweite, Skalierbarkeit, Vielfalt, niedrige Gerätekosten, niedrige Bereitstellungskosten und lange Akkulaufzeit haben.
WirelessHART:
Es ist eine drahtlose Technologie, die die Feldsensoren und Geräte verbindet, die eine Echtzeit-Datenübertragung verwaltet. Es findet Anwendung in der physischen Schicht, wo ein Netzwerknetz für Sensoren und IoT-Geräte in zentralisierter Management-Architektur. Dieser Standard wird im Überwachungs- und Steuerungsprozess eingesetzt, der die Echtzeit-Datenkommunikation zwischen den Sensoren erfordert.
Sigfox:
Sigfox ist eine der Low-Power Wide Area Network (LPWAN) Technologie, die zum Aufbau eines drahtlosen Netzwerks angeschlossener Geräte verwendet wird. Es findet Anwendung in Projekten wie begrenzte Stromquellen (in der Reihenfolge von mA oder zehn mA pro Übertragung) und Langstreckenmodus (zehn km) der Datenübertragung über IoT-Netzwerk. Es arbeitet im Frequenzbereich von 868 bis 869 MHz in der EU und 902 bis 928 MHz in der Region USA . Sigfox ist eine gut geeignete Technologie für das IoT-basierte Wasserinfrastruktur-Management, da es eine erhöhte Leistung in den Sensornetzwerken mit hoher Dichte zeigt als andere Kommunikationsprotokolle, die durch Kollision gestört werden.
Edge-Computing:
Das Edge-Computing verarbeitet die Daten , die vom Feldsensor oder den Geräten gesammelt wurden, teilweise oder vollständig und ermöglicht effektive und reaktionsschnelle Dienste. Edge-Computing ist ein aktuelles Paradigma, das die Servicelatenz erheblich reduziert und die Qualität der Dienste (QoS) bei der Datenübertragung verbessert. Er übernimmt die Datenverarbeitungsaufgaben an der Spitze verschiedener Edge-Geräte (IoT-Gateways). Es ermöglicht die Nutzung der Hardware und der Netzwerkbandbreite durch Begrenzung der Cloud-Kommunikation. Dies reduziert die Anzahl und Größe der Datenübertragung über das Mobilfunknetz erheblich und bietet eine bessere Servicequalität und Qualität der Erfahrung.
Die Daten aus dem Feld werden am Rand vorverarbeitet , bevor sie die Anwendung erreicht, die auf der Cloud-Plattform ausgeführt wird. Diese Daten über Verbrauch, erkannte Ereignisse, Leckagen usw. werden den Endnutzern des Monitoring-Systems über eine webbasierte Plattform zur Verfügung gestellt.
Fazit:
Der kommerzielle mechanische Wasserzähler wurde in den 1850er Jahren gefunden, die Wasserdosierungstechnologie hat eine deutliche Verbesserung in Präzision, Genauigkeit und Zuverlässigkeit gesehen. Mit dem Durchbruch in der IT-Branche hat das AMI im Wassermanagement eine kostengünstige Möglichkeit gemacht, Daten aus den Sensoren zu sammeln .
Mit der Erfindung von AMIs ist die Kommunikation zwischen Kunde und Dienstleister besser geworden. Der Markt für solche Technologien expandiert, und die Sensor- und Netzwerkkommunikationstechnologien verbessern sich. Der kommunale und landwirtschaftliche Sektor ist der Hauptbereich, in dem Wasserressourcenmanagement ein vorläufiger Fall ist. Mit dem verbesserten Infrastrukturdesign und dem effizienteren Systembetrieb erhalten diese Sektoren eine erstklassige Servicequalität. Für ein fortschrittliches und autonomes Wassermesssystem spielen die Daten eine entscheidende Rolle . Mit dem effizienten Wassermesssystem besteht die Möglichkeit, die Energieeffizienz zu verbessern. Es besteht ein großer Bedarf an Datenerfassung, um die Energievorteile zu realisieren, die Leistungsanforderungen zu analysieren, um die spezifischen Installationsanforderungen zu erfüllen usw.
Diese digitale Lösung ist in der Lage, die Protokolle und Standards in einem wettbewerbsfähigen Markt anzugehen und zu moderieren. Das flexible Design ermöglicht es, diese Anwendung einfach für die intelligente Messung anderer Rohstoffe anzupassen.
