Έξυπνη μέτρηση κατανάλωσης νερού με χρήση της τεχνολογίας ΝΒ-ΙοΤ

Abstract

Η έξυπνη μέτρηση της κατανάλωσης του νερού (smartwatermetering) αποτελεί μέρος της έξυπνης πόλης (smartcity), που ολοένα και γνωρίζει μεγάλη ανταπόκριση σε πολλές χώρες ανά τον κόσμο. Η απόφασή μου να επιλέξω την έξυπνη μέτρηση του νερού, προήλθε από τη θέλησή μου για περισσότερη εξοικείωση με τις έξυπνες πόλεις και συγκεκριμένα γιατί στη χώρα μου δεν είχε υπάρξει αντίστοιχη έρευνα στον τομέα αυτό. Η ανάγκη για να δοθεί λύση στο τεράστιο πρόβλημα της οικολογικής καταστροφής, εξαιτίας του νερού που σπαταλιέται και δεν κοστολογείται, είναι μεγάλη. Επιπλέον, ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα κέρδη που χάνονται, τόσο από τα νοικοκυριά ή τις μεγάλες επιχειρήσεις (ξενοδοχεία, εργοστάσια, αγροτικές εκτάσεις κλπ), όσο και από την ίδια την κυβέρνηση με τις δημόσιες επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας νερού, που δεν κοστολογούν με απόλυτη ακρίβεια το νερό που πωλούν, μην μπορώντας παράλληλα να εντοπίσουν άμεσα διαρροές στον κεντρικό δίκτυό τους. Το πρόβλημα αυτό σε Ελλάδα και εξωτερικό απαιτεί οριστική λύση, καθώς όπως υπολογίζεται, το 60% του ετήσιου νερού που διανέμεται δεν κοστολογείται, ενώ ακόμα εντύπωση προκαλούν οι τόνοι νερού που χάνονται από διαρροές καθημερινά. Για τη μελέτη μου ήταν αναγκαία η εμβάθυνση στην εξέλιξη της τεχνολογίας, αυτή που στηρίζεται στην ανάγκη να ψηφιοποιηθούν τα δεδομένα και να βελτιωθεί η ποιότητα ζωής των πολιτών στις «έξυπνες πόλεις». Γίνεται αναφορά για τη μετάβαση από τον παραδοσιακό τρόπο μέτρησης, στο νέο, με νέα συστήματα μέτρησης που αποτελούνται από αισθητήρες νερού, τοποθετημένους κατά μήκος των δικτύων ύδρευσης και κατάλληλα εργαλεία (modems, πλατφόρμες, εφαρμογές) που μετατρέπουν τα καταναλισκόμενα λίτρα νερού σε αριθμούς. Με τη βοήθεια τους, όχι μόνο οι επιχειρήσεις κοινής ωφέλειας μπορούν να επωφεληθούν, αλλά και οι ιδιώτες, καθώς μπορούν να συγκεντρώνουν γραφικά τις μετρήσεις τους και να ελέγχουν την ποσοστιαία ημερήσια τους κατανάλωση μέσω εφαρμογών στις έξυπνες συσκευές τους. Λόγω των απαιτήσεων των εφαρμογών IoT (μεγάλη απόσταση, συχνά χαμηλό ποσοστό δεδομένων, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και αποδοτικότητα κόστους) οδηγηθήκαμε σε μια νέα τεχνολογία ασύρματων επικοινωνιών LPWAN (Low Power Wide Area Network). Sigfox, LoRa, NB-IoT, Enhanced Coverage – GSM–IoT (EC-GSM-IoT), LTE Machine Type Communication Category M1 (LTE MTC Cat M1) αποτελούν σήμερα τις κορυφαίες τεχνολογίες που παρ’ όλα αυτά εμφανίζουν πολλές τεχνικές διαφορές μεταξύ τους. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζω στη λύση του NB-IoT. Υπό την ομπρέλα του 3GPP επαναχρησιμοποιεί διάφορες αρχές και δομικές μονάδες του φυσικού στρώματος LTE, και ανώτερα στρώματα πρωτοκόλλου για την ταχεία τυποποίηση και ανάπτυξη προϊόντων. Διάλεξα το NB-IoT για τη μέτρηση κατανάλωσης νερού γιατί σχεδιάστηκε πρώτον για να προσφέρει εκτεταμένη κάλυψη σε σύγκριση με τα παραδοσιακά δίκτυα GSM (Global System for Mobile communications), αλλά και για να βελτιώσει την χωρητικότητα UL (Uplink) για χρήστες σε περιοχές κακής κάλυψης μέσω εκπομπών απλής εκπομπής τόνων.Επίσης, γιατί στα χαρακτηριστικά του NB-IoT περιλαμβάνονται ο μεγάλος αριθμός συσκευών ανά κυψέλη, η βαθιά κάλυψη σε εσωτερικούς χώρους, η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και συνεπώς μεγάλη διάρκεια μπαταρία, και τέλος δεν υπάρχουν υπηρεσίες φωνής ή sms, ή άλλη λειτουργίας ειδοποίησης αφύπνισης. Πάνω σε αυτό το ζήτημα, κάνω ένα πείραμα με στόχο να επιβεβαιωθούν τα όσα έχουν ειπωθεί θεωρητικά στην έρευνά μου, αλλά και για να υπάρξουν απτά αποτελέσματα της μέτρησης κατανάλωσης νερού με την τεχνολογία ΝΒ-ΙοΤ. Έτσι, στα πλαίσια αυτής της εργασίας, στήθηκε ένα πιλοτικό έργο σε συνεργασία με τις εταιρίες Cosmote, Wings ICT Solutions και Olympios. Η καθεμία υπήρξε αρωγός, με την Cosmote συντονίστρια και, -ως τηλεπικοινωνιακός πάροχος-, να συνδράμει προσφέροντας το τηλεπικοινωνιακό της δίκτυο, τις κάρτες NB-IoT Sim που τοποθετήθηκαν στα NB-IoT modems της Wings και τέλος, το χώρο στον οποίο διεκπεραιώθηκε το πιλοτικό έργο (κτίριο Cosmote στον Ιλισό). H εταιρεία Wings ICT Solutions παρέχοντας τoν εξοπλισμό NB-IoT modem, την πλατφόρμα (dashboard monitoring) και την εμπειρία αλγορίθμων μελέτης συμπεριφορών κατανάλωσης νερού που είναι ενσωματωμένοι στην πλατφόρμα και τέλος η εταιρία Olympios συνείσφερε παρέχοντας τα υδρόμετρα της και την εμπειρία της στην αγορά του νερού. Μέσα από διαγράμματα, εικόνες και πίνακες που παρατίθενται γίνεται απόλυτα σαφές ότι το πείραμα ολοκληρώθηκε με επιτυχία. Συγκεκριμένα, τοποθετώντας δυο μετρητές και δυο modemsστο υπάρχον ρολόι του νερού για το κτίριο του Ιλισού και συνδέοντας όλη την τεχνογνωσία και τον εξοπλισμό που μας δόθηκε από τους συνεργάτες, καταφέραμε να μετράμε τόσο την ημερήσια κατανάλωση νερού με την ακρίβεια που μας παρέχει η τεχνολογία NB-IoT, όσο και κάποιες «προγραμματισμένες» διαρροές νερού, με τη βοήθεια ενός μηχανισμού αυτόματου ποτίσματος. Το πείραμα αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να μπορούμε ένα χρόνο μετά, να κάνουμε λόγο για μια έξυπνη μέτρηση κατανάλωσης νερού η οποία κάλλιστα θα μπορεί να διατεθεί εμπορικά.