基于Semtech的LoRa®技術對空氣源熱泵運行狀態進行實時、高效、低成本的監測和管理

眾所周知,煤炭燃燒是造成大氣污染的主要原因之一。我國每年燃煤鍋爐和北方農村燒煤取暖需要消耗大量的煤炭,這不僅給不可再生的化石能源帶來巨大消耗,而且燃煤過程中產生的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等氣體以及煙塵顆粒等物質,對人體和環境也造成了極大的危害。

為了實現可持續發展和打贏“藍天保衛戰”,煤改清潔能源已成為必然趨勢,政府對于清潔供暖改造給予了高度重視和大力支持。2018年,國務院印發了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》,明確了大氣污染防治工作的總體思路、基本目標、主要任務和保障措施,提出了打贏藍天保衛戰的時間表和路線圖;多個省份和地區都紛紛出臺相關政策,以加快推進冬季清潔取暖改造。

煤改電是煤改清潔能源的一種方式,能夠顯著減少用煤量、改善空氣質量,已在多個地區得到實施。電采暖的方式主要包括分散電采暖、集中電鍋爐、熱泵等多種類型,對于城鎮、農村等地區主要采用集中電采暖,而空氣熱源泵是應用最多的方式之一。

空氣源熱泵采暖是目前世界上先進、能效比高的供熱制冷設備之一,它采用電能驅動,通過傳熱工質把自然界的空氣、水、土壤或其它低溫熱源中無法被利用的低品位熱能有效吸收,并將吸收回來的熱能提升至可用的高品位熱能并釋放到水中的設備,具有舒適、節能、環保、自動化控制、節省成本、方便等諸多優勢。

但是空氣源熱泵等煤改電設備大多部署在農村地區,要給用戶提供更便捷的使用指導、發現運行故障,提供運維服務,就需要通過物聯網對煤改電設備的運行數據及用戶用電數據進行采集和監測;這些數據還要經匯總后,為政府制定“煤改電”相關政策提供合理支撐。因此,煤改電一般需要采集空氣源熱泵的運行數據、能耗數據和室內溫度三種數據。

這涉及到需要在農村地區建設覆蓋范圍廣、多業務融合、大容量和低功耗的物聯網網絡。基于LoRaWAN®的網絡可以實現單臺基站覆蓋一個甚至多個村莊,通過TDMA等技術可以實現溫濕度數據、能耗數據和空氣源熱泵運行數據通過一個網絡上行到物聯網平臺的目標。

除了部署范圍廣,煤改電系統還具有協議種類多、設備數量大、現場情況復雜等挑戰,給運維管理帶來很大困難。而LoRa®等物聯網通信技術的快速發展,為建立煤改電等清潔能源的運維管理提供了強有力支持。Semtech的中國生態伙伴們為此開發了很多極富創新的解決方案。

北京門思科技有限公司(以下簡稱“門思科技”)是一家提供基于LoRa和LoRaWAN全通信鏈路解決方案產品的高科技企業,也是LoRa聯盟中國區第一批成員,自2014年就開始從事LoRa技術產品開發,目前擁有包括基于LoRa的模組、傳感器、網關、NS、NMS、MAP等在內的全棧產品體系,具有提供端對端解決方案的能力。

在煤改電運維管理系統上,門思科技利用LoRa技術實現了對空氣源熱泵的數據采集和控制。其整體系統組網如圖1所示,此方案是基于作為全球物聯網行業事實標準LoRaWAN標準,由空氣熱源泵、LoRaWAN采集終端、LoRaWAN網關、LoRaWAN服務器、網絡管理平臺(NMS)、應用管理平臺組成。

圖1:基于LoRaWAN的運維管理系統組網

門思科技這種基于LoRa的解決方案已經在北京某區得到應用,該區農村地區面積多達900平方公里,共有10萬余只空氣熱源泵,LoRa憑借著廣覆蓋、低功耗、易部署等特性,在全區僅部署150臺基站就實現了對空氣源熱泵的全面覆蓋。

解決網絡覆蓋問題,這僅是整個解決方案的第一步,要實現對數量如此龐大的空氣熱源泵的全面監測,還有諸多難題需要解決,如熱泵對接、數據上傳、系統容量、遠程維護等。為此,門思科技在運維管理系統中采用了兩個關鍵設備:導軌式LoRa DTU和室外版LoRaWAN網關。

導軌式LoRa DTU內置門思科技自主開發的EdgeBus邊緣計算框架,實現了對采用不同協議的熱泵的快速對接,可支持超過70種協議;該DTU還支持TDMA等技術,空氣源熱泵運行數據、能耗數據和溫濕度數據可通過一個網絡上行到物聯網平臺,解決了擁塞沖突和共振沖突問題。

通過采用室外基站和利用LoRaWAN標準的頻段自動遷移技術,解決了系統容量問題;基于LoRa實現的FUOTA、無線運維遠程調試功能,大幅度降低了后期運維工作和人工成本。目前基于EdgeBus的模組和DTU已經在煤改電、能源管理等多個應用場景有了廣泛的應用。

門思科技總經理趙明飛表示:“為了加快實現‘雙碳’目標,打贏‘藍天保衛戰’,門思科技通過利用Semtech公司的LoRa技術,實現了在農村地區建設低功耗廣覆蓋的物聯網網絡的目標,基于Semtech SX1301器件的解決方案不僅具有遠距離、低功耗和易部署的特性,其多信道能力更為徹底地解決了系統擁塞和沖突問題,可輕松將數萬只空氣源熱泵連接起來,實現對空氣源熱泵的有效監測,為政府制定煤改電相關政策提供合理支撐。”

從2014年開始,門思科技一直致力于開發基于LoRa的產品和解決方案,擁有豐富的應用和項目經驗,門思科技的LoRa解決方案主要聚焦在資產管理、環境監測和能源管理三個方向,主要業務場景在工業園區和辦公樓宇,旨在幫助用戶提供一站式傳感器解決方案。目前門思科技正在基于LoRa的低功耗定位技術上投入大量的研發力量,計劃年內實現不同場景下基于LoRa的低功耗定位系統解決方案,為用戶提供一站式傳感器解決方案。

作為一家全球化的物聯網企業,門思科技擁有基于LoRa的全頻段產品體系,產品應用覆蓋了包括南美、歐洲、非洲、東南亞、俄羅斯、韓國等多個地區和國家。而門思科技在國內不同垂直行業中得到了充分驗證的、各種基于LoRa的物聯網解決方案,與全球不同地域、不同行業的用戶需求相結合,開發了很多創新的應用。

Semtech中國區銷售副總裁黃旭東表示:“努力降低對環境的影響一直是Semtech所追求的目標之一,門思科技應用LoRa技術來使天空更加蔚藍,我們為此倍感驕傲。同時,我們也欣慰地看到門思科技以及眾多LoRa生態伙伴使LoRa充分發揮了自組、安全、可控的特性,為中國和全球各地的用戶提供了高效而便捷的解決方案,為人們創建更美好的生活。”