Concentradores de dados: Partes ignoradas das redes inteligentes
O concentrador de dados é um elemento das redes inteligentes que muitas vezes é esquecido. Geralmente, ele é visto como um gateway entre uma rede TCP-IP e uma rede de comunicação de medidores de eletricidade. Na verdade, o concentrador executa várias outras tarefas muito importantes, que têm um impacto significativo na recuperação bem-sucedida de dados dos medidores e na usabilidade de uma ampla gama de funcionalidades.
Concentrador ou gateway?
As redes de medidores geralmente utilizam PLC (comunicação por linha de energia) ou comunicação por rádio, portanto, a comunicação pode não ser confiável. Entre o concentrador/gateway e o servidor, é usada uma conexão GPRS/2G/3G/4G, PLC ou LAN. Os dois primeiros links têm confiabilidade relativamente baixa e latência mais alta.
Em um gateway, a probabilidade de perda de pacotes é a soma da probabilidade de ambas as redes; a latência é a soma de ambas as latências. No caso dos concentradores, a probabilidade de perda de pacotes é igual à probabilidade maior. O impacto da latência na rede pode ser bastante eliminado com a fusão de dados em unidades maiores.
Isso foi comprovado em um projeto piloto na Holanda, onde o G3 foi usado para a comunicação PLC e o GPRS para a conexão com o servidor, mas em vez de concentradores, foram usados gateways. A leitura dos dados de perfil de um medidor para o servidor levou em média 59s, o que é muitas vezes mais lento do que quando se usa o concentrador.
É importante considerar a distribuição da capacidade de computação entre os dispositivos e a economia do fluxo de dados. A distribuição de determinadas tarefas do servidor para o concentrador pode economizar o poder de computação do servidor e a quantidade de dados transferidos entre o concentrador e o servidor com custos adicionais mínimos para o concentrador.
Entretanto, nos casos em que o canal de comunicação é suficientemente rápido ou um dos canais de comunicação é muito confiável, por exemplo, 485 ou LAN: 485 ou LAN, e a distribuição da capacidade de computação não for necessária, um gateway pode ser usado com sucesso.
A unificação de interfaces e protocolos de comunicação
Para criar uma rede de medidores, há várias interfaces: PRIME, G3, W-MBUS, RS485, GPRS, etc., que podem usar uma ampla variedade de protocolos: DLMS, OSGP etc. Além disso, os dispositivos de diferentes fabricantes que usam a mesma interface e o mesmo protocolo nem sempre são compatíveis.
Os concentradores de dados são os mais adequados para a unificação dessas diferenças. Os concentradores de dados modernos devem permitir a comunicação por meio de todas as interfaces e protocolos usados nas redes de medidores e criar uma interface de comunicação unificada com o servidor. Assim, o restante da infraestrutura situada atrás do concentrador fica protegida de várias implementações de redes de medidores.
Adicionar suporte a novas interfaces de comunicação ou especificações de protocolo para dispositivos de um determinado fabricante deve ser fácil para um concentrador de dados moderno, independentemente de o dispositivo ser um medidor de eletricidade, um medidor de energia diferente ou um dispositivo específico na rede inteligente.
Leitura e processamento de dados
O concentrador deve suportar medidores com um número arbitrário de tipos de perfis com períodos arbitrários e registros arbitrários. Deve ser possível alterar a configuração de leitura de dados para qualquer medidor que a suporte.
Se o medidor não criar perfis, o concentrador deverá emular esse comportamento, portanto, no lado do servidor, os medidores normalmente criam perfis, embora o período de criação de perfis não possa ser garantido.
Outra consideração importante é o processamento dos dados lidos. A opção de enviar dados para o servidor ou armazená-los no concentrador é apenas uma funcionalidade básica. O concentrador deve oferecer análise de dados em que somente os resultados podem ser enviados ao servidor. Com base na análise, o concentrador pode realizar algumas tarefas por conta própria, como a correção das tabelas TOU.
Suporte a vários servidores
Os concentradores convencionais geralmente se comunicam apenas com um único servidor. Mas as empresas de energia têm alguns sistemas completamente diferentes, que podem ser conectados diretamente ao concentrador. Por exemplo, sistemas de faturamento, sistemas de gerenciamento, sistemas de monitoramento e assim por diante.
Além disso, o suporte a vários servidores pode ser útil no caso de um suporte a vários medidores de serviços públicos, em que as informações sobre o consumo de eletricidade vão para uma empresa, as informações sobre o consumo de gás para outra, etc.
De extrema importância é a autenticação do servidor e a autorização de cada transação, determinada pelos dispositivos para os quais as transações serão enviadas.
Eventos
O sistema para relatar eventos de cada dispositivo deve ser uniforme. Os concentradores modernos devem permitir a filtragem avançada de eventos de acordo com seus parâmetros. As regras definem a “prioridade de envio de eventos”, por exemplo, via SMS, por padrão, manter apenas no concentrador ou em um drop, ou executar qualquer outra ação.
A unificação e a filtragem economizam consideravelmente o canal de transmissão e a capacidade de computação necessária para o processamento de eventos no servidor.
Comandos e parametrização
Novamente, é muito importante ter uma abordagem unificada para a parametrização de todos os dispositivos. Os modelos de parametrização mais relevantes são o SNMP, que é usado em redes TCP-IP e destina-se principalmente a roteadores, gateways etc. e, portanto, é muito adequado para o concentrador e o modelo COSEM, que é usado para medidores de energia.
Parte do concentrador deve ser um banco de dados com informações sobre os parâmetros de suporte nos dispositivos. Essas informações devem ser fornecidas a terceiros em um formato legível por máquina.
Alguns parâmetros estão relacionados a um dispositivo, mas são armazenados em outro dispositivo. Por exemplo, a prioridade de comunicação mais alta de um determinado medidor pode ser armazenada no concentrador. Idealmente, o usuário não percebe isso e parece que foi definido no dispositivo terminal, mesmo quando um dispositivo é movido para outro concentrador.
Há módulos para comunicação 485 e PLC com agendadores e tarefas separadas em threads para utilização máxima da CPU e do canal de comunicação. Há um módulo TCP-IP para comunicação com o aplicativo de faturamento e gerenciamento. Há também um módulo de gerenciamento para diagnóstico e configuração do CD. Os dados entre os módulos são compartilhados pelo banco de dados. Os eventos assíncronos entre os módulos são enviados pelo d-bus.
A vantagem poderia ser a possibilidade de definir um valor de parâmetro que seja válido somente em um determinado intervalo de tempo, após o qual o parâmetro retornará ao valor anterior. Outra vantagem é a capacidade de definir valores de parâmetros adequados com relação à ordem em que as solicitações são originadas e não na ordem em que chegaram ao concentrador.
Os comandos devem ter a capacidade de definir o tempo limite com relação ao número de tentativas ou ao tempo de execução. É claro que também deve haver comandos de gerenciamento de filas.
Priorização e gerenciamento de comunicação
A maioria dos canais de transmissão em uma rede inteligente tem uma baixa taxa de transferência com uma alta taxa de erro, portanto, o controle de comunicação de um concentrador é crucial e pode aumentar significativamente a quantidade de dados úteis recebidos e a confiabilidade do gerenciamento da rede.
Um exemplo pode ser a capacidade de prever a quantidade de dados no medidor, a taxa de sucesso da comunicação no momento pretendido, a importância dos dados no medidor com relação ao processamento subsequente etc.
Com base nessas previsões, o concentrador pode decidir quais dados de cada medidor serão lidos. O gerenciamento da rede pode ser priorizado usando o agendador LLQ modificado, um dos agendadores mais eficazes para TCP-IP.
Segurança
A segurança pode ser dividida em autenticação, autorização e criptografia. A autenticação e a criptografia do concentrador e do servidor podem ser obtidas usando um protocolo SSL/TLS padrão ou usando uma VPN.
A autorização deve ser implementada manualmente com relação à possibilidade de existência de vários servidores e com relação ao diagnóstico local e à ampla gama de privilégios para as técnicas.
A autenticação dos técnicos de serviço pode ser feita por meio de um nome de usuário e senha ou de um token de segurança. A segurança na rede do medidor depende das capacidades do medidor. O concentrador deve suportar a maioria dos algoritmos criptográficos padrão para possível suporte futuro.
Comunicação com o servidor
Requisitos de comunicação contraditórios são frequentemente encontrados entre o concentrador e o servidor. Um requisito é um protocolo conveniente e padronizado, principalmente baseado em serviços da Web.
Por outro lado, há um requisito para otimizar os dados transmitidos, não apenas com relação à baixa velocidade do GPRS, mas também devido à possibilidade de usar PLC em pelo menos parte da rota. Como os protocolos baseados em serviços da Web estão no formato XML, não é fácil atender a ambos os requisitos.
A solução pode ser usar um aplicativo no lado do servidor que converte um protocolo binário otimizado em um protocolo baseado em serviços da Web no lado do servidor. Essa solução preserva a simplicidade de conectar aplicativos de terceiros ao concentrador e oferece otimização máxima dos dados transferidos.
A grande vantagem é que o concentrador pode oferecer módulos de comunicação para Internet móvel, Ethernet, Wi-Fi ou outras interfaces. As soluções externas são sempre mais caras e podem não ser 100% compatíveis.
Gerenciamento, diagnóstico e configuração
O software de diagnóstico de qualidade resolve situações problemáticas na rede e aumenta a taxa de sucesso da leitura de dados e a confiabilidade de toda a rede. O software de configuração permite uma mudança de comportamento no sistema para operar de acordo com os requisitos específicos do cliente.
Esse software deve ser projetado para ser de fácil utilização, de modo que os clientes possam usá-lo sem depender da empresa fornecedora. Da mesma forma, ele deve se concentrar na segurança e nos direitos de acesso do usuário.
Conclusão
O objetivo deste artigo foi destacar o fato de que um concentrador de dados não é um gateway com funcionalidade simples, mas que pode ter um grande impacto na taxa de transferência da comunicação,na coleta de dados relevantes, no gerenciamento da rede e na segurança.
Por esse motivo, é importante prestar mais atenção à escolha desse dispositivo. A escolha do concentrador de dados tem impacto sobre a funcionalidade geral da rede inteligente, assim como a escolha do medidor de eletricidade.