Мониторинг качества воздуха 2.0: обзор линейки AM беспроводных датчиков компании Milesight

В современных офисах, больницах и на производствах качество воздуха напрямую коррелирует с продуктивностью сотрудников и их здоровьем, что в свою очередь может влиять и на прибыль компании. Высокий уровень CO2 вызывает сонливость, а частицы PM2.5 и летучие органические соединения TVOC могут нанести долгосрочный вред организму. Компания Milesight предлагает одну из самых широких на рынке линеек датчиков линейки AM (Ambience Monitoring), которая сочетает в себе технологии беспроводной связи LoRaWAN и электронных чернил для увеличения срока работы датчиков от батарей.

Почему LoRaWAN это эффективно?

Для системного интегратора или конечного заказчика выбор технологии передачи данных на объекте, является одним из основных и сопровождается поиском баланса между дальностью, энергопотреблением, ну и конечно же качеством связи. В основе решения наших партнеров лежит технология LoRaWAN, поэтому в данной статье мы сосредоточимся на её ключевых преимуществах. Разумеется, есть случаи, когда использование LoRaWAN нецелесообразно, тем не менее существуют объекты/системы, в которых использование устройств именно на базе LoRaWAN является наиболее рациональным и эффективным решением. Ниже краткое сравнение технологий беспроводной передачи данных, используемых в решениях для мониторинга окружающей среды на промышленных и коммерческих объектах.

LoRaWAN vs Wi-Fi vs ZigBee

	Высокое энергопотребление. Датчики на батарейках живут недолго, а развертывание сотен точек доступа в большом здании создает нагрузку на сеть и требует сложной ИТ-поддержки. Когда применимо? Если датчик или устройство висит рядом с розеткой и требует передачи больших объемов данных. В случае с передачей показателей качества воздуха не требуются мегабайты данных и в этом случае применение Wi-Fi здесь избыточно, однако если в требованиях жестко указано использование существующей Wi-Fi сети, то тогда вопроса в выборе более оптимального решения не стоит.
	Короткая дистанция. Требуется густая сеть ретрансляторов, что усложняет топологию в масштабах больших площадей. Это стандарт для умного дома, если необходимо передать сигнал, чтобы зажечь лампочку в прихожей, то тут конечно же разумней выбрать устройство на ZigBee – он отработает намного быстрей, однако для мониторинга параметров воздуха высокая скорость не критичный параметр.
	Сигнал проходит сквозь бетонные перекрытия на несколько этажей, а один шлюз может обслуживать тысячи датчиков в радиусе до 2 км (в городской застройке), в отличии от Wi-Fi, где Вам необходимо каждые 30-40 метров ставить точку доступа. Устройства на LoRaWAN работают по принципу «поставил и забыл», датчики работают от одной пары батарей до 5-10 лет, сокращая стоимость на обслуживание при долгосрочной перспективе. Если Вы устанавливаете беспроводные датчики на заводе с высокой вероятностью электромагнитных помех и наличию большого количества металлических конструкций, то тут опять же предпочтение стоит отдать LoRaWAN сети, поскольку она использует низкие частоты, которые гораздо легче огибают препятствия. В контексте масштабируемости, сравнивая с тем же Wi-FI решением, 100 и более таких датчиков на Wi-Fi это «настоящий ад» для системного администратора и засорение эфира, LoRaWAN решение работает в своем диапазоне и не трогает локальную сеть, а подключение и настройка производятся гораздо быстрей.

Обзор линейки AM

Линейка делится на две основные серии: AM100 и AM300. Главное их отличие в количестве измеряемых параметров и питании.

Весь модельный ряд поддерживает измерение таких базовых параметров, как температура и влажность. В начальной серии AM100 четыре модели, две из них измеряют температуру и влажность: AM102 с экраном 2.13” и AM102L – литера «L» обозначает отсутствие E-ink экрана, если нет необходимости отображать параметры на экране, то выбор этой модели увеличит жизненный цикл батареи с 7 лет до 9. В моделях AM103 и AM103L кроме показаний температуры и влажности установлен датчик CO2. 

Серия AM300 имеет больше параметров измерения, соответственно и экран у этой серии в два раза больше 4.2”. Самая младшая модель AM304L измеряет температуру, влажность, освещение и имеет встроенные PIR сенсор. В AM305L дополнительно встроен датчик CO2.

AM307 кроме вышеперечисленных датчиков измеряет TVOC (суммарная концентрация летучих органических соединений в воздухе), этот показатель важен поскольку он напрямую связан с такими симптомами как головная боль, усталость, при высоком содержании может так же вызывать раздражение глаз и дыхательных путей, а при длительном воздействии приводить к более серьезным последствиям. Эти показания особенно важно измерять на химических и нефтехимических объектах, фармацевтике и производстве электроники, а также в пищевой промышленности и на лакокрасочных, мебельных, деревообрабатывающих фабриках. В эту модель так же встроен датчик барометрического давления, который повышает точность показания CO2, так как на показания содержания углекислого газа влияет атмосферное давление. Так же это автоматизирует калибровку для показания CO2.

В моделях AM308 и AM308L добавлен датчик измерения концентрации взвешенных частиц PM2.5 и PM10, работающий на основе лазерного рассеяния.

Флагманской моделью является AM319 (9 датчиков в 1), которая содержит все вышеперечисленные датчики и в дополнении в нем установлен датчик формальдегида (HCHO) или озона (O3).

Таблица сравнения моделей:

	AM102	AM102L	AM103	AM103	AM304L	AM305L	AM307	AM308	AM308L	AM319
E-ink экран	2.13”		2.13”				4.2”	4.2”		4.2”
Температура	●	●	●	●	●	●	●	●	●	●
Влажность	●	●	●	●	●	●	●	●	●	●
CO2			●	●		●	●	●	●	●
Движение					●	●	●	●	●	●
Освещенность					●	●	●	●	●	●
TVOC							●	●	●	●
Атм. давление							●	●	●	●
PM 2.5 / PM10								●	●	●
HCHO / O3										●
Питание	2х ER14505	2х ER14505	2х ER14505	2х ER14505	4х ER14505	4х ER14505	4х ER14505	4х ER14505	4х ER14505	USB  type C

Настройка за секунды

Milesight внедрила технологию NFC во все датчики серии AM. Инженеру больше не нужно подключать каждый датчик кабелем к ПК, он может осуществить настройку в 3 шага:

1. Установить на телефон приложение ToolBox;
2. Приложить телефон к датчику;
3. Произвести настройки в приложении: можно быстро изменить интервал передачи данных, настроить пороги срабатывания или обновить прошивку.

Второй вариант настройки (поддерживаемый серией AM300) - посредством подключения датчика с ПК через USB Type-C разъем. Настройка осуществляется через десктопную версию утилиты ToolBox.

Ну и последний вариант – через облако. Датчики совместимы с любым стандартным LoRaWAN шлюзом. Однако в связке со шлюзами Milesight и Milesight IoT Cloud настройка превращается в «Plug-and-Play» – данные начинают отображаться на дашборде сразу после сканирования QR-кода.

Какие параметры можно менять:

• интервала передачи данных;
• единицы измерения;
• управление светодиодным индикатором, зуммером и паролем устройства;
• сетевые параметры (LoRaWAN): выбор режима активации (OTAA или ABP), установка ключей приложения (AppKey), настройка частотного плана, каналов и адаптивной скорости передачи данных (ADR);
• пороговые значения уровней тревоги для различных параметров, при достижении которых устройство может немедленно отправить пакет данных и активировать звуковое или визуальное оповещение;
• выбор цветовой темы (светлая/темная), режимов отображения (какие параметры выводить на экран) и настройка «умного режима» обновления или гибернации для экономии энергии;
• в некоторых моделях можно принудительно включить или выключить сбор данных с конкретных встроенных сенсоров;
• поддерживается создание шаблонов конфигурации для быстрого массового развертывания однотипных устройств;
• включение функций локального хранения и автоматической переотправки данных при обрывах связи LoRaWAN.

Протокол D2D: управление без посредников

Особого внимания заслуживает проприетарный протокол Milesight D2D (Device-to-Device), работающий на физическом уровне LoRa и предназначенный для прямого взаимодействия между устройствами. В LoRaWAN сети обычно датчик отправляет данные на шлюз, шлюз - на сервер, сервер дает команду контроллеру, а тот, к примеру, системе вентиляции. Минус такой цепочки в создании задержки. Протокол D2D позволяет датчику (D2D Controller) напрямую общаться с исполнительным устройством (D2D Agent) без использования промежуточного шлюза, с задержкой менее 1 секунды.

Например, датчик AM305L обнаружил движение и мгновенно передал показания контроллеру UC300-868M, к подал команду «ff01» на включение приточного клапана вентиляции без участия сетевого сервера.

Устройства по D2D протоколу должны работать на одной частоте, соответственно в утилите необходимо выполнить настройки на обоих концах, так же должна быть выставлена одинаковая скорость передачи данных. В целях безопасности передача защищается D2D ключем, который также должен совпадать в настройках обоих девайсов. Передача команды из D2D controller в D2D agent осуществляется в шестнадцатеричном формате, причем Вы сами можете установить какой триггер какую команду должен отправлять, всю это выбирается в настройках утилиты ToolBox:

Сбор данных с датчиков через шлюзы LoRaWAN

Несмотря на собственно разработанный протокол прямой передачи данных между устройствами Milesight, основным способом сбора данных, кроме визуального считывания с экрана и получения данных по NFC, является передача через LoRaWAN шлюз. Датчики серий AM100 и AM300 полностью соответствуют спецификациям LoRaWAN (версии V1.0.2 и V1.0.3) и поддерживают режимы активации OTAA и ABP. Хотя устройства совместимы с любыми сторонними шлюзами и сетевыми серверами, производитель рекомендует использовать линейку UG для обеспечения максимальной отказоустойчивости и упрощения процесса пусконаладки.

Для офисных пространств и объектов со смешанной планировкой оптимальны модели UG65 и UG63. Полупромышленный шлюз UG65 оснащен мощной аппаратной базой и поддерживает до 8 одновременных каналов, что позволяет обрабатывать трафик от сотен датчиков в условиях плотной застройки.

Компактный UG63 идеально подходит для точечного покрытия или использования в качестве дополнения к основной сети. Оба устройства поддерживают технологию LBT (Listen Before Talk), что критично для минимизации коллизий в загруженном радиоэфире.

В промышленных и уличных сценариях применяются модели UG67 и UG56. Шлюз UG67 в корпусе IP67 рассчитан на экстремальные температуры и оснащен конденсатором, позволяющим отправить уведомление о сбое питания до выключения устройства.

Промышленный UG56 отличается компактным форм-фактором для установки в шкафы автоматики и наличием встроенной функции Failover/Failback, которая автоматически переключает трафик между Ethernet, Wi-Fi и 4G при потере основного канала связи.

Почему мы рекомендуем использовать шлюзы Milesight, как единую экосистему?

Edge Computing и встроенный сервер. Шлюзы оснащены встроенным сетевым сервером и позволяют выполнять локальную обработку данных через Node-RED (с готовой библиотекой узлов) или Python. Это дает возможность фильтровать пакеты или управлять локальными исполнительными устройствами даже при потере связи с облаком, а также создавать логику управления (например, «если уровень CO2 на датчике больше 1000, отправить команду на включение вентиляции») прямо внутри шлюза без участия сторонних контроллеров.

Глубокая оптимизация трафика. Датчики Milesight поддерживают синхронизацию времени по MAC-команде DeviceTimeReq, что позволяет настраивать точные расписания передачи и минимизировать время работы радиомодуля.

Безопасность и VPN. Поддержка широкого стека VPN-протоколов (OpenVPN, IPsec, PPTP, L2TP, GRE) позволяет безопасно объединять разнесенные шлюзы в единую защищенную сеть без использования публичных IP-адресов.

Гибридная связь с Milesight D2D. В моделях серии AM300L шлюз выступает не только как приемник LoRaWAN, но и как координатор, не мешающий прямой связи между устройствами. Протокол D2D обеспечивает задержку менее 1 секунды, что сопоставимо с проводными системами управления.

Дистанционное управление прошивками. Модели UG56, UG65, UG67 поддерживают стандарт FUOTA (Firmware Update Over the Air). Это критически важная функция для обслуживания крупномасштабных сетей, которая позволяет инженерам:

• Производить массовое обновление прошивки по группе однотипных датчиков, что значительно экономит эфирное время и заряд батарей устройств;
• Создавать задачи обновления с выбором конкретных моделей, версий и расписания старта;
• Настраивать размер фрагментов прошивки - в плохих условиях связи его можно уменьшить (например, до 64 байт) для повышения вероятности успешной доставки данных;
• В реальном времени отслеживать прогресс выполнения задачи для каждого узла.

Автоматическая инициализация (Auto Provisioning). Шлюзы и датчики могут автоматически получать профили конфигурации из Milesight Development Platform сразу после подключения к сети, что исключает необходимость ручной настройки каждого устройства на объекте.

Продвинутая пакетная обработка. Шлюзы Milesight имеют встроенную библиотеку кодеков для всех серий датчиков AM. Это позволяет шлюзу «понимать» данные датчика на лету и передавать их на прикладной сервер уже в декодированном формате JSON, не нагружая сторонние серверы.

Управление парком устройств (Gateway Fleet). Шлюзы Milesight могут объединяться в общую сеть, где один основной контроллер управляет до 100 дополнительными шлюзами, обеспечивая централизованный мониторинг и устраняя «слепые зоны» LoRaWAN на огромных территориях.

Хотите подобрать спецификацию под ваш проект? Обратитесь к техническим специалистам компании IPC2U за консультацией и расчетом покрытия LoRaWAN сети.