Uno de los objetivos de la comunicación del sistema inteligente LoRa es la recopilación eficiente de los datos necesarios para el seguimiento, control y análisis de los consumos en la red de distribución de agua de la administración en sus provincias y distritos (incluidos los pueblos).
Con la implementación de la comunicación del sistema inteligente se pretende obtener las siguientes cualidades;
- Reducir la tasa de agua no facturada minimizando las filtraciones y fugas,
- Aumentar la variedad, calidad y satisfacción de los servicios al cliente,
- Eliminar los problemas de lectura y facturación,
- Reducir los costos de lectura de medidores,
- Gestionar mejor la red de distribución de agua.
Mediante la adición del Módulo de Medidor RF LoRa a los medidores de agua mecánicos aptos para lectura remota en las provincias y distritos (incluidos los pueblos y áreas agrícolas) dentro de las áreas de responsabilidad de las administraciones de agua, se asegura la recopilación de datos del módulo del medidor y su transmisión al centro.
Para las operaciones de lectura remota, instalación, controles periódicos y procesos de servicio; el Módulo de Medidor RF LoRa, la Puerta de Enlace (Gateway), el Servidor de Red y el Software de Servicio/Instalación del Módulo, la terminal de mano y/o el dispositivo de lectura local se suministran dentro del alcance de la Comunicación del Sistema Inteligente LoRa.
DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema consiste básicamente en; el Módulo de Medidor RF que recibe los datos de consumo y alarma de los medidores, los almacena en su interior y envía los deseados, las Puertas de Enlace que recopilan los datos enviados desde el módulo y los transfieren al centro del sistema, y el servidor de red que recopila los datos de todas las Puertas de Enlace y los transmite al software del Sistema de Medidores Inteligentes.
El extremo inferior del sistema comienza cuando el módulo instalado sobre los medidores de agua mecánicos listos para la lectura remota convierte la rotación del objetivo de pulso metálico en el medidor mecánico en datos digitales mediante el método de detección inductiva. Con esta detección se realizan muchos procesos como el avance del índice, la detección de la dirección del flujo inverso/directo, el cálculo del caudal y la detección de desmontaje. Los datos resultantes de los procesos realizados son registrados por el procesador del módulo en la memoria interna con etiquetas de fecha y hora. Las alarmas resultantes de estos procesos registrados en la memoria interna se envían al sistema en el momento en que ocurren, y la Administración puede cambiar paramétricamente desde el software los tipos de alarma de los que desea obtener información instantánea. El módulo emite los paquetes de datos deseados en periodos programados (ajustables paramétricamente desde el centro) (diarios, semanales, mensuales, etc.) a través de un integrado de comunicación con tecnología LPWAN. Estas emisiones son escuchadas y verificadas continuamente por las Puertas de Enlace que pueden ser alcanzadas por la señal de RF. La tecnología LPWAN a utilizar tiene la capacidad de emitir desde una distancia de al menos 10 km en espacios abiertos. Las Puertas de Enlace controlan los paquetes de datos no corruptos que les llegan y los envían al Servidor de Red a través de GPRS y/o Ethernet. El servidor de red controla los datos entrantes y transmite el paquete de datos apropiado al servidor de aplicaciones. La contraseña del paquete de datos que llega al servidor de aplicaciones se descifra aquí y se registra en la base de datos.
La red de comunicación define la estructura de comunicación desde los Módulos de Medidor RF hasta el sistema central. El sistema de comunicación RF se creará utilizando una Red Fija (Fixed), estructura de red en estrella (star network), no se aceptarán estructuras Walk by/Drive by, y no se utilizarán repetidores o relevadores. Todas las transmisiones de datos dentro de la red de comunicación se realizarán de forma cifrada con el algoritmo AES 128 o XTEA 256 bits y estarán protegidas contra intervenciones externas. Las llaves de cifrado podrán cambiarse mediante comunicación local y remota.
Se garantiza la protección de la información, su integridad y accesibilidad durante la comunicación entre todos los dispositivos del sistema incluidos en la red de comunicación. Los datos del medidor que se transportarán en el sistema se cifran con el estándar de cifrado AES 128 o XTEA 256 bits y solo pueden ser descifrados por el software central en la última etapa de la comunicación.
MÓDULO DE MEDIDOR RF LoRa
El Módulo de Medidor RF LoRa se instala sobre los medidores de agua mecánicos listos para lectura remota que la Administración utiliza en el campo. El Módulo de Medidor RF registra los datos de medición recibiendo pulsos del medidor de agua mecánico. Los datos de medición recibidos se envían mediante el sistema de comunicación. En caso de que el módulo instalado en el medidor de un abonado sea desmontado por cualquier motivo, el módulo desmontado puede instalarse en el medidor de otro abonado y puede cumplir plenamente su función en el nuevo medidor. Los Módulos de Medidor RF pueden mantener información de registro retrospectiva en su memoria interna para procesos de instalación, servicio, mantenimiento, control, prueba, uso de batería, etc., y permiten consultar datos pasados en caso de ser necesario.
Detección de Índice desde Medidor Mecánico
Para que el proceso de detección de índice desde el medidor de agua mecánico se realice de forma fiable y sin pérdidas, el proceso de detección de pulsos se realiza de forma inductiva. Los medidores de agua mecánicos que la Administración utiliza en el campo y desea incluir en el sistema de comunicación cuentan con el equipamiento necesario para la detección de pulsos con sensor inductivo.
Los medidores mecánicos retroceden su índice en flujos inversos que pasan por su interior. El hardware de detección de pulsos del Módulo de Medidor RF debe tener una estructura que detecte el flujo inverso en caso de que ocurra por cualquier motivo en el medidor.
La verificación de que el Módulo de Medidor RF recibe los datos de forma segura sobre el medidor mecánico es de gran importancia para determinar los valores base de la factura. Por esta razón, en el hardware de detección de pulsos se puede detectar si la medición se ve afectada por objetos que puedan colocarse entre el medidor mecánico y el hardware de detección.
El índice del medidor mecánico se realiza con una estructura de detección inductiva de 3 bobinas, y la estructura y el orden de los valores entrantes son analizados por el Módulo de Medidor RF.
El módulo se puede instalar y retirar sin desmontar el medidor de la instalación y sin dañar los sellos de calibración del medidor. El módulo debe estar protegido con un dispositivo de sellado y puede montarse directamente en la parte del registro del medidor. Los módulos deben ser totalmente compatibles con los medidores existentes (DN20), y no se producen errores de lectura ni alarmas de intervención debido a la falta de asentamiento en el medidor por vibraciones normales que puedan ocurrir por diversas razones. Tendrá una estructura tecnológica que no generará señales falsas al verse afectada por la vibración que se produzca en las instalaciones.
Registro de Datos de Medición
El Módulo de Medidor RF registra la información del índice que recibirá del medidor de agua mecánico calculándola en los formatos necesarios para el análisis del sistema.
Para los análisis de gestión de agua que la Administración necesita, los siguientes registros deben ser mantenidos por el Módulo de Medidor RF y pueden ser enviados al servidor de red.
Índice Directo: Cantidad de agua que fluye en dirección directa (dirección de consumo) desde el medidor mecánico.
Índice Inverso: Cantidad de agua que fluye en dirección inversa (opuesta a la dirección de consumo) desde el medidor mecánico.
Índice Total: El total neto que se ve en el medidor mecánico y que se forma con la diferencia entre el Índice Directo e Inverso.
Registros de Perfil de Consumo
El Módulo de Medidor RF mantiene curvas de consumo con marca de tiempo para poder obtener registros retrospectivos y determinar la curva de consumo de agua del abonado. Los números mínimos de registros y la información a mantener necesarios para garantizar la fiabilidad en los estudios retrospectivos y análisis continuos son los siguientes.
Registro de Curva de Consumo con Intervalo de Tiempo: Con una estructura que se puede ajustar en periodos de 15 min, 30 min y 60 min, puede mantener los registros de estado junto con las cantidades de consumo Directo e Inverso que pasan por el medidor dentro del periodo. Considerando el periodo de 15 minutos, se pueden almacenar en el módulo 90 días retrospectivos, es decir, un total de 8640 registros, y esta información se puede leer a través de la comunicación local.
Registro de Consumo Diario: Puede almacenar en su memoria el consumo total resultante al final del día con la información de estado y la información de consumo inverso ocurrida durante ese día. El registro de consumo diario puede almacenar 1 (un) año retrospectivo, es decir, 365 registros.
Registro de Consumo Mensual: Puede almacenar en su memoria el consumo total resultante al final del mes con la información de estado y la información de consumo inverso ocurrida durante ese mes. El registro de consumo mensual puede almacenar 10 (diez) años retrospectivos, es decir, 120 registros.
Registros de Curva de Caudal
Con el fin de monitorear el estado de desgaste y envejecimiento del medidor mecánico utilizado, así como para controlar si se ha seleccionado el medidor adecuado para el tipo de abonado y realizar los análisis correspondientes, el Módulo de Medidor RF registra las curvas de caudal en al menos 6 (seis) rangos de caudal diferentes. Los valores límite que determinarán los rangos de caudal serán programables según el medidor de agua mecánico donde se instale el módulo.
Las mediciones de caudal deben realizarse con una precisión del 1%, y los tiempos de funcionamiento en los rangos de caudal se registran con resolución de segundos.
Los registros de caudal deben actualizarse instantáneamente y al final de cada mes, la característica de consumo en los rangos de caudal pertenecientes a ese mes debe almacenarse como información del mes anterior, comenzando el registro actual desde cero para el nuevo mes. Se puede leer del módulo la característica de uso del medidor de dos años con al menos 24 registros retrospectivos.
En las lecturas instantáneas se debe poder leer el registro actual, el cual incluye las curvas de caudal registradas desde el inicio del mes hasta el momento de la lectura.
Consumo Muy Bajo, Excesivo y Constante
El Módulo de Medidor RF puede detectar situaciones de Consumo Muy Bajo y Excesivo para determinar si el medidor mecánico se está utilizando de acuerdo con sus características. Detecta consumos inferiores al valor Qmin del medidor mecánico en una duración de tiempo programable y consumos superiores al valor Qmax en una duración de tiempo programable y los registra como alarma. De esta manera, se determinarán las cantidades de consumo que queden fuera de la precisión del medidor. Además, para minimizar la tasa de pérdida de agua, puede registrar esta situación como alarma cuando se observa un consumo constante durante un tiempo programable.
Detección de Flujo Inverso
El Módulo de Medidor RF puede detectar esta situación en caso de que haya un flujo en dirección inversa a través del medidor por cualquier motivo. Esta situación se registra como alarma junto con la cantidad y duración del flujo. La duración del flujo inverso se registra con resolución de al menos segundos para realizar análisis precisos.
Instalación Inversa del Medidor
La situación de instalación del medidor de agua mecánico de forma inversa a la dirección del consumo debido al montaje y/o intervención en el medidor es detectada por el Módulo de Medidor RF. Se decide que el medidor está instalado a la inversa según la dirección del consumo observando el contenido de los registros diarios pasados en un número programable de veces en los que se produjeron consumos inversos y/o directos. Para evitar el uso ilícito por parte de los usuarios, la detección del estado del flujo en dirección inversa debe realizarse al instante y la cantidad de agua que fluye en dirección inversa se registra en su Índice Inverso.
Detección de Desmontaje del Módulo
El Módulo de Medidor RF será una parte integrante del medidor de agua mecánico y los datos base para la facturación se proporcionarán desde el Módulo de Medidor RF. Por esta razón, el desmontaje del módulo equivale al desmontaje del medidor y la situación de desmontaje del módulo genera una alarma en el software central.
Para que la detección de la situación de desmontaje sea fiable, esta situación puede ser detectada por el módulo mediante al menos dos métodos diferentes. Los resultados obtenidos con ambos métodos deben confirmarse entre sí y registrarse como consecuencia. Cuando ocurre el desmontaje, se crea un registro de alarma para esta situación con la fecha y hora de inicio y, cuando se vuelve a instalar, el registro de alarma se finaliza junto con la fecha y hora de finalización.
Detección de Desmontaje de Sello
Los módulos de medidor RF estarán en una estructura que se montará sobre medidores de agua fría aptos para lectura remota con tornillos inoxidables. Una intervención en el tornillo que se encuentre en el módulo es un intento de desmontar el módulo de medidor RF. Dado que el desmontaje del sello colocado sobre el tornillo y que tiene un imán en su parte inferior se califica como un intento de desmontaje del módulo, se genera una alarma de detección de desmontaje de sello en el sistema.
Detección de Imán Magnético
El Módulo de Medidor RF protege contra los efectos de imanes magnéticos. La situación de aproximación de un imán magnético que pueda venir del exterior puede ser detectada por el Módulo de Medidor RF y registrada como alarma. El nivel de umbral de detección del valor de intervención magnética se puede programar en unidades de militesla.
Características de Comunicación
Comunicación Remota
La Administración leerá los medidores de forma remota a través del Módulo de Medidor RF para recopilar los datos de los medidores y crear análisis de consumo basados en estos datos. Con el sistema de lectura con tecnología RF a utilizar, la Administración tiene como objetivo reducir la cantidad de agua no facturada y aumentar la eficiencia de la gestión de la red de agua. Por esta razón, la tecnología RF a utilizar funciona en la banda de frecuencia de 868 MHz sin licencia, de acuerdo con el Reglamento sobre Dispositivos de Radio de Corto Alcance (KET) de la Autoridad de Tecnologías de la Información y Comunicación (BTK). Además, los Módulos de Medidor RF cumplen con los tiempos de ciclo de trabajo y las potencias de salida dentro del alcance del mismo reglamento. La potencia de salida máxima es de 25mW como máximo.
El Módulo de Medidor RF enviará los datos del medidor al sistema central en los periodos determinados. Los datos a enviar podrán ser ajustados paramétricamente por los usuarios del sistema y en una estructura que se determinará según los niveles de modulación, además de tener una estructura que controlará si hay una orden de trabajo proveniente del centro, pudiendo realizar comunicación bidireccional.
Los periodos de conexión son configurables por la administración según la región donde se encuentre el medidor, el tipo de abonado que lo utiliza y/o el tipo de análisis a realizar. El tiempo de conexión debe poder determinarse con resolución de segundos y puede ajustarse de forma horaria, diaria, semanal o mensual. Se pueden ajustar diferentes tiempos de conexión para diferentes paquetes de datos.
Fuera de los tiempos de conexión, la función RF está desactivada para evitar el consumo de batería y la detección de señales externas.
El protocolo de comunicación a utilizar tiene un protocolo de comunicación abierto y testeable determinado por estándares internacionales. Para que los datos puedan llegar al software central y se pueda aumentar la calidad de la señal, el nivel de modulación y la optimización de la velocidad de comunicación tienen una estructura ajustable por el software del servidor de red. Los Módulos de Medidor RF soportan velocidades de comunicación desde 300bd hasta 9600bd.
Las medidas de seguridad necesarias para todo el sistema de comunicación a instalar pueden ser proporcionadas por métodos de cifrado. En la comunicación RF que realizará el módulo, los datos están cifrados con el algoritmo AES 128 y las contraseñas solo pueden ser descifradas por el software del servidor de red.
Comunicación Local
Los Módulos de Medidor RF cuentan con tecnología de comunicación local inalámbrica de alta velocidad, independiente del canal de comunicación remota, para que el personal autorizado pueda realizar procesos de servicio que requieran grandes transferencias de datos como la instalación, servicio, mantenimiento, control, prueba, lectura de información de registro detallada retrospectiva y actualización del software del medidor del módulo de la administración de forma ininterrumpida. La tecnología a utilizar en corta distancia tiene la capacidad de realizar la actualización de 128 kB del software dentro del módulo en un máximo de 35 segundos, excluyendo el control.
La comunicación local solo podrá ser activada por personal autorizado durante los procesos de servicio, mantenimiento, lectura local o instalación y estará desactivada en otros momentos con el fin de reducir el consumo de batería y prevenir posibles intervenciones en el módulo. El acceso de autorización se puede definir en diferentes niveles.
Reloj de Tiempo
El Módulo de Medidor RF incluye un reloj de tiempo real para ejecutar procesos basados en el tiempo. El reloj de tiempo real soporta fechas hasta el 31.12.2100 y la desviación del reloj es de máximo 0,5 segundos en 1 día. La desviación del reloj de tiempo cumple con el estándar internacional IEC 62052-21.
La sincronización del reloj de tiempo real se puede realizar de forma remota y con el software de instalación de servicio del módulo. En caso de realizar la sincronización horaria, si la diferencia entre la hora del Módulo de Medidor RF y la hora que se desea sincronizar es grande, no se permite realizar el proceso de sincronización horaria.
En los ajustes que no se pueden realizar con la sincronización horaria, el ajuste de la hora puede ser realizado remota y localmente solo por personal autorizado. Los cambios realizados en el reloj de tiempo real se registran dentro del Módulo de Medidor RF. El reloj de tiempo real debe soportar las aplicaciones de horario de verano y años bisiestos, pudiendo configurarse como activo y pasivo.
Fuente de Alimentación
La alimentación del Módulo de Medidor RF se proporciona con la batería interna que contiene. Emite una alarma de batería al sistema al menos 6 (±2) meses antes de que se agote la batería. El Módulo de Medidor RF proporciona la necesidad de energía para todos los procesos que realizará desde la batería en su interior. La necesidad de energía del módulo de medidor RF se cubrirá con baterías que posean tecnología de litio, cuya fecha de producción pertenezca al año en que se entregó a la Administración (excepto las entregadas en los primeros seis meses del año).
La batería dentro del Módulo de Medidor RF se puede utilizar durante al menos 10 años de manera que pueda recibir los datos después del proceso de montaje y puesta en marcha.
Características Mecánicas
El Módulo de Medidor RF cuenta con al menos la clase de protección IP68 para mostrar resistencia a entornos de trabajo difíciles y no verse afectado por elementos provenientes del entorno exterior como el agua y el polvo. Como material de la carcasa, tiene una estructura de pestañas resistente al montaje y desmontaje que no se verá afectada por el sol. El Módulo de Medidor RF puede funcionar sin pérdida de rendimiento en un rango de temperatura de -10°C a +50°C y con una tasa de humedad del 95%. Además, puede almacenar sus datos desde -25°C hasta +70°C.
Puerta de Enlace (Gateway)
El sistema de comunicación remota se proporciona con Puertas de Enlace que se colocarán en puntos dominantes (áreas elevadas, puntos con amplio rango de cobertura). Los Módulos de Medidor RF se comunican directamente con las Puertas de Enlace para transmitir sus datos al sistema central.
La tecnología RF que se encontrará en las puertas de enlace funciona en la banda de frecuencia de 868 MHz sin licencia, de acuerdo con el Reglamento sobre Dispositivos de Radio de Corto Alcance (KET) de la Autoridad de Tecnologías de la Información y Comunicación (BTK).
La Puerta de Enlace puede realizar comunicación bidireccional con el Módulo de Medidor RF. Puede transmitir la información proveniente del Módulo de Medidor RF al centro y la información proveniente del centro al Módulo de Medidor RF.
Para poder calcular la calidad de la señal entre el Módulo de Medidor y la Puerta de Enlace alcanzada y, en consecuencia, aumentar el rendimiento del sistema, la Puerta de Enlace mide la potencia de las señales entrantes y transmite esta información al sistema central.
Las Puertas de Enlace tienen la capacidad de realizar comunicación bidireccional con el Módulo de Medidor RF dirigiendo los datos enviados desde el Módulo de Medidor RF al sistema central. Transmitirá la información proveniente del Módulo de Medidor RF al centro y la información proveniente del centro al Módulo de Medidor RF, y no mantendrá datos del medidor en su propia memoria. La comunicación entre el sistema central y la Puerta de Enlace se puede proporcionar con GPRS y/o Ethernet. La Puerta de Enlace soporta las bandas Ethernet IEEE 802.3y y GPRS/EDGE (850/900/1800/1900MHz). Para la comunicación GPRS se utilizarán tarjetas SIM definidas dentro del APN de la Administración.
Las Puertas de Enlace cuentan con un sistema operativo de alto rendimiento que puede gestionar la comunicación con una gran cantidad de puntos finales. Este sistema operativo puede ser preferiblemente Linux o Windows Embedded. El software de la Puerta de Enlace que funcionará dentro de este sistema operativo tiene una estructura actualizable. Los ajustes de configuración que se encuentran dentro de la Puerta de Enlace tienen una estructura programable mediante comunicación remota y local. Para soportar la expansión y el desarrollo futuro del sistema, las Puertas de Enlace están equipadas con características de hardware avanzadas, contando con al menos un procesador de 256 MHz, al menos 128 MB de Ram y al menos 128 MB de Memoria Flash. Además, para garantizar la fiabilidad de funcionamiento de las Puertas de Enlace, se utiliza un reloj de tiempo real y un temporizador watchdog. El reloj de tiempo real continuará funcionando con la batería interna en cortes de energía y se apagará de forma segura. Si la Puerta de Enlace no tiene batería interna, recibirá la información de la hora real del sistema después del corte y sincronizará la información de la hora.
Para poder evaluar las condiciones del entorno donde se realiza la instalación y tomar precauciones anticipadas contra posibles efectos a los que estará expuesta, las Puertas de Enlace cuentan con un sensor de temperatura y al menos una entrada de control.
Todas las comunicaciones que las Puertas de Enlace realicen con el Módulo de Medidor RF y el sistema central serán cifradas. Además, se tomarán las medidas necesarias para la seguridad de la red.
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