Sieć sensoryczna IoT monitorująca smog - rozmowa z Orange Polska.

Okresowo powracający problem smogu stymuluje do poszukiwania sposobów przeciwdziałania zanieczyszczeniu środowiska, jednym z przykładów jest temat, w którym toczy się dyskusja o możliwościach budowy sieci czujników jakości powietrza. Obecnie dostępne są systemy informujące o zwiększonym zanieczyszczeniu powietrza, jednak opierają się one o niewielką ilość czujników co przekłada się na niską rozdzielczość mapy smogowej. Mamy okazję zapytać Orange Polska o koncepcję monitorowania zanieczyszczeń z wykorzystaniem większej ilości czujników.

Rozmówca: Maciej Kocięcki, Dyrektor Rozwoju IoT, Orange Polska

elektroda.pl: Co skłoniło Państwa do rozpoczęcia badań nad możliwościami budowy rozproszonej sieci czujników monitorujących zanieczyszczenia powietrza, jak wygląda proponowana koncepcja budowy takiej sieci?

MK: Nowoczesne latarnie uliczne LED wyposażone w układy mikroprocesorowe i system łączności chmurowej mogą stać się naturalnym Smart Spotem w terenie. Na ich korzyść przemawia też dostępne zasilanie elektryczne, bardzo dobra jakość łącz GSM/LTE, a także odporność na wandalizm ze względu na ich położenie. Uwzględniając te elementy, doposażenie latarni w różnorodne czujniki czy sterowniki to oczywisty kierunek rozwoju usług miejskich. Sensory zanieczyszczenia są tylko jedną z wielu możliwości. Orange Polska od dłuższego czasu bardzo aktywnie rozwija biznes oparty na technologii Internetu Rzeczy (IoT). Obecnie są to przede wszystkim projekty zdalnego pomiaru zużycia wody dla przedsiębiorstw wodno-kanalizacyjnych. W przypadku nowoczesnego oświetlenia ulicznego jego komponenty: latarnie, czujniki, serwery centralne, idealnie wpisują się w definicję IoT.

elektroda.pl: Jakiego rodzaju detektory powinny znaleźć się w pojedynczym urządzeniu, czy wszystkie czujniki powinny być wyposażone w ten sam zestaw urządzeń pomiarowych?

MK: To determinuje szeroko pojęta ekonomia. Mam na myśli nie tylko koszty samego czujnika, ale także jego „żywotność”, kwestie utrzymania, czyszczenia czy rekalibracji. W przypadku instalacji sensorów na latarniach dostęp do nich jest utrudniony. Zatem dobór konkretnej technologii pomiarowej powinien uwzględniać także wydatki poniesione na prace związane z montażem czy demontażem – od wejścia na latarnię, po wymianę czy np. czyszczenie urządzenia. Kolejny element do rozważenia to znalezienie kompromisu pomiędzy ceną czujnika a dokładnością pomiarów, na których nam zależy. A mierzyć możemy wiele parametrów - temperaturę, ciśnienie, wilgotność, opady, ruch pieszych i pojazdów, alerty gołoledzi, etc.

elektroda.pl: Jak zapewnić zasilanie czujnikom rozmieszczonym w różnych punktach terenu?

MK: Mówimy o latarniach, a w ich przypadku z zasilaniem nie ma żadnego problemu. Pewnym wyzwaniem może być za to niezbędna moc zasilacza, co z kolei powinno być uwzględnione w kosztach inwestycji. Natomiast patrząc szerszej, nie przez pryzmat latarniowego Smart Spota, to oczywiście źródło zasilania staje się podstawowym ograniczeniem. Wówczas ważną rolę odegrają energooszczędne technologie, usprawnione akumulatory i fotowoltaika.

elektroda.pl: W jaki sposób zapewnić komunikację dla wielu czujników przesyłających raporty z pomiarów, czy będzie możliwe zdalne aktualizowanie oprogramowania czujników?

MK: Współczesne sieci komunikacyjne zapewniają skuteczną, dwukierunkową transmisję, więc zarówno zbieranie raportów pomiarowych, jak i sterowanie kontrolerami czy aktualizacja oprogramowania (firmware), nie stanowią problemu. Warto zaznaczyć, że zwykle, wszystkie te funkcjonalności nie wymagają dużej przepustowości sieci. Wyjątkiem jest tylko streaming w przypadku kamer. Zdarza się także, że sterowanie wiąże się z minimalną latencją, co prowadzi do ograniczenia dopuszczalnych rodzajów transmisji. W tym kontekście warto nawiązać do dostępnych radiowych technologii komunikacyjnych, specjalnie zaprojektowanych pod potrzeby IoT. Są to sieci LPWAN. Dwie pierwsze litery w nazwie to Low Power, czyli rozwiązanie, które w każdym aspekcie minimalizuje zużycie energii na potrzeby transmisji. W efekcie, przy określonym poziomie wykorzystania, na jednym zestawie baterii, urządzenie może działać nawet przez 10 lat. Z kolei WAN to duży zasięg transmisji, uzyskany za pomocą niższych częstotliwości propagacji, specyficznej budowy i algorytmu działania samej sieci, a także użytej modulacji sygnału. Siecią LPWAN jest np. sieć LoRa. W konsekwencji tego, że wszystkie węzły radiowe (gateway’e) tej sieci nasłuchują informacje od czujników, a końcowy raport jest składany w serwerze centralnym, nawet fragmenty danych pozyskanych z węzłów, pozwalają skompletować przesłaną informację. Gorzej wygląda download. Dlatego LoRa nie nadaje się do rozwiązań krytycznych, dla których niezbędne jest sterowanie w czasie rzeczywistym. Zaletą LoRa są tanie moduły komunikacyjne. Inną ważną cechą LoRa jest nielicencjonowane pasmo, w którym pracuje. , Obok LoRa mamy również technologię LPWAN, wykorzystującą infrastrukturę LTE: czyli NB-IoT oraz LTE-M. Ta pierwsza zapewnia dość ograniczone pasmo (~200kb/s w obie strony) i niestety czasem dużą latencję (1,5-9,5 sekundy), ale daje +20dB (ponad 15km) poprawy zasięgu w porównaniu do klasycznego np. GPRS. Ta różnica ma znaczenie zwłaszcza w budynkach. Oszczędność baterii jest porównywalna lub lepsza niż przy LoRa no i mamy tu licencjonowane pasmo. Sieć NB-IoT wykorzystuje istniejącą infrastrukturę LTE, ale wymaga odpowiedniego zaktualizowania oprogramowania, a także sprzętu w zależności od częstotliwości i dostawcy. Moduły są na razie drogie, ale docelowo cena ma być porównywalna z LoRa. LTE-M to wersja zwykłego LTE, która potrzebuje tylko zmiany oprogramowania sieci. Oczywiście jest energooszczędna i zapewnia poprawę zasięgu o 12-15dB, małą latencję (0,2-5 sekund) oraz przepustowość do 1Mb/sek. LTE-M umożliwia także pełną mobilność, do 300km/h, i może obsługiwać głos. Oba te standardy są oczywiście naturalnym wyborem dla operatorów, którzy mają już infrastrukturę LTE.

elektroda.pl: W jaki sposób dane napływające z czujników zostaną zebrane, przetworzone oraz udostępnione?

MK: Orange Polska zapewnia bezpieczne zebranie, przechowywanie i udostępnianie danych z czujników w chmurze. Mamy własne centra kolokacyjne o najwyższych parametrach bezpieczeństwa fizycznego i teleinformatycznego. Również odpowiednio przygotowane serwery BI (Business Intelligence) zapewniają strukturyzację danych, wydajne przetwarzanie i udostępnianie za pomocą API. W ten sposób aplikacje przygotowane pod poszczególne rozwiązania mogą je pobrać i przetworzyć do postaci raportów, a także alarmów ze scenariuszem ich obsługi. Zebrane dane z różnych źródeł mogą być oczywiście przetwarzane także kontekstowo. Dzięki temu powstaje nowa „inteligentna” wiedza. Np. dane meteorologiczne wraz z pomiarami zanieczyszczeń i odpowiednim modelem matematycznym mogą tworzyć mapy czystości powietrza i wspomagać wykrywanie źródeł zanieczyszczeń. Ale mówiąc o IoT, nie wolno pomijać bezpieczeństwa. Orange Polska przywiązuje do ochrony danych bardzo dużą wagę. Mamy specjalny zespół, CERT Orange Polska, złożony z osób, które na bieżąco monitorują, co dzieje się na łączach a w razie sytuacji alarmowej, natychmiast podejmują działania blokujące lub naprawcze. Każdy rozwiązanie IoT wprowadzane na rynek jest testowane - jako całość i jego poszczególne komponenty - pod względem odporności na ataki zewnętrzne i nadużycia wewnętrzne.

elektroda.pl: Czy na chwilę obecną można mówić o planowanych terminach i lokalizacjach prób praktycznych czy na razie są to prace koncepcyjne?

MK: IoT to trochę studnia bez dna, w której pomysły na rozwiązania IoT można mnożyć w nieskończoność. W przypadku Orange niektóre rozwiązania są już komercyjnie oferowanie, jak zdalny pomiar wody, inne są w fazie produkcyjnej, a jeszcze inne na etapie koncepcji. To, co jest najbardziej inspirujące i ciekawe w IoT to to, że każde wykorzystanie stymuluje do stworzenia kolejnego. Jeśli architektura rozwiązania jest dobrze zaprojektowana, to następne koncepcje można realizować niemal lub w dużym stopniu addytywnie, czyli bez ingerowania w to, co już zostało zrobione.

elektroda.pl: Dziękujemy za rozmowę i możliwość przedstawienia trendów zastosowań IoT oraz sposobów zapewnienia komunikacji dla urządzeń IoT. Wygląda na to, że w przyszłości wiele "zwykłych" urządzeń typu latarnia uliczna lub wodomierz będzie posiadać moduł pozwalający na komunikację z innymi urządzeniami. Połączone urządzenia powinny w korzystny sposób wpłynąć na nasze życie. Obszar IoT przyciąga zarówno rozwiązania biznesowe jak również hobbystów.

Odpowiedzi przygotował dla Was Pan Maciej Kocięcki, Dyrektor Rozwoju IoT, Orange Polska.