การประยุกต์ใช้ระบบเครือข่าย LoRaWAN สำหรับการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าและการจัดเก็บข้อมูลในอาคารอัจฉริยะApplication of LoRaWAN-based System for Electric Energy Monitoring and Data Acquisition in a Smart Building

Abstract

เทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตทุกสรรพสิ่งบนพื้นฐานเครือข่ายบริเวณกว้าง LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) ที่ใช้พลังงานต่ำเหมาะกับการใช้งานสำหรับเครื่องมือวัดและระบบการตรวจวัดพลังงานไฟฟ้าจากมาตรวัดแบบดั้งเดิมพัฒนาไปเป็นมาตรวัดแบบอัจฉริยะสำหรับระบบการตรวจวัดพลังงานของหม้อแปลงไฟฟ้าในระบบจำหน่าย โรงงานและอาคารอัจฉริยะ โดยเครือข่าย LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยี LPWAN ที่มีบทบาทสำคัญและเหมาะสำหรับใช้ในการเชื่อมต่อเครือข่าย IoT ในการตรวจวัดพลังงานไฟฟ้าอัจฉริยะเพราะสามารถสื่อสารได้ในระยะทางไกล ใช้ความถี่ที่ไม่มีใบอนุญาต และราคาต้นทุนต่ำ ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงนำเสนอการประยุกต์ใช้ระบบเครือข่าย LoRaWAN สำหรับการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าและการจัดเก็บข้อมูลในอาคารอัจฉริยะ เพื่อตรวจสอบและจัดการการใช้พลังงานในอาคารอัจฉริยะ โดยใช้โนดเซ็นเซอร์ (มาตรไฟฟ้าแบบดิจิตอลรวมกับโมดูลสื่อสาร LoRa) วางไว้ในแต่ละชั้นของอาคารและใช้เกตเวย์ LoRaWAN แบบหลายช่องสัญญาณ โดยในการประเมินประสิทธิภาพของระบบที่นำเสนอได้ทำการวัดและคำนวณตัวบ่งชี้ 3 ตัวคือ ความแรงของสัญญาณที่ได้รับ (RSSI) อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) และอัตราการส่งข้อมูลสำเร็จ (PDR) โดยผลการวัดทดสอบพบว่าค่า RSSI ในแต่ละชั้นจากชั้นที่ไกลที่สุดจนถึงชั้นเดียวกับเกตเวย์มีค่าเฉลี่ย -110 ถึง -33 เดซิเบลมิลลิวัตต์ ขณะที่ SNR สูงสุดคือ 12.08 เดซิเบล และ SNR ต่ำสุดคือ -5.28 เดซิเบล ซึ่งผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าเกตเวย์ 8 ช่องสัญญาณเพียงตัวเดียวสามารถครอบคลุมอาคาร 8 ชั้น โดยที่มีอัตราการส่งข้อมูลสำเร็จมีค่ามากกว่า 80% ประสิทธิภาพและสามารถครอบคลุมของสถานที่ทดสอบทั้งหมด จากการวิเคราะห์ผลผ่านพารามิเตอร์ RSSI SNR และ PDR ที่เป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพเครือข่าย LoRaWAN พบว่าการประยุกต์ใช้เครือข่าย LoRaWAN สำหรับการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าและการจัดเก็บข้อมูลในอาคารอัจฉริยะสามารถเพิ่มความเชื่อมั่นและความน่าเชื่อถือของระบบการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าอัจฉริยะ

The Internet of Things (IoT) sensors based on low-power wide-area network technologies have been emerged suitable for the implementation of instruments and measurement systems on a conventional electric meter to develop additional smart meters for distribution transformers, smart factories, and smart buildings. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) can be one of the key promising LPWAN technology as a suitable IoT network connectivity for smart electric metering that offer long-range connectivity, unlicensed frequency, and low cost of deployment. This work presents a smart energy meter based on LoRaWAN to monitor and manage the energy consumption in a smart building. It was conducted by using several LoRa sensor nodes (Energy meter with LoRa module) placed in different floors with a single multichannel LoRaWAN gateway. To evaluate the performance of the proposed system, received signal strength indicator (RSSI), signal-to-noise ratio (SNR) and packet delivery ratio (PDR) were measured and calculated. An average RSSI levels of –110 to –33 decibel-milliwatts were obtained from the same floor and the farthest floor of the sensor node with respect to the gateway, meanwhile the highest SNR is 12.08 decibel and the lowest SNR is –5.28 decibel. The measured results show that a single 8-Ch gateway can cover the 8-floor building with more 80% packet delivery ratio. Actual performance and network coverage using LoRaWAN exceeds expectation for all test locations. It is through the analysis of the RSSI, SNR and PDR for LoRaWAN network performance metrics, therefore, applying monitors and manages that increase the robustness and reliability of the smart energy monitoring system.