Разработка мобильного приложения по учету коммунальных ресурсов

Страницы: 1 2 3

---

Введение

На 2018 г. на Едином портале госуслуг зарегистрировано 68 млн граждан России. В 75 регионах России число пользователей портала превышает 50% населения [1]. С помощью госуслуг гораздо легче и быстрее оплачивать выставленные счета за воду, квартиру, газ, электроэнергию (далее коммунальные ресурсы). Так же помимо Единого портала госуслуг, пользователи некоторых банков, а с 9 апреля 2019 г. еще и клиенты Почты России получили возможность оплачивать счета за коммунальные ресурсы [2].

Рисунок 1. Статистика рынка устройств в мире

Большую часть на мировом рынке продаж пользовательских вычислительных устройств (персональных компьютеров, смартфонов, планшетов) на 2019 год занимают мобильные устройства. Мобильные устройства – ряд устройств, который включает в себя смартфоны, планшеты, электронные книги, телефоны, КПК, главной особенностью которых является размер, а также количество выполняемых ими функций. Если проанализировать статистику мирового рынка в период 2016-2019гг., то можно увидеть, что доля мобильных устройств продолжает расти, после упадка в ноябре 2018 года. Скорее всего это связано с тем, что производители смартфонов не смогли заинтересовать своих потребителей, и начали исправлять это положение в начале 2019 года [3].

С мировым рынком пользовательских вычислительных устройств также возрос и мобильный трафик как по миру, так и в России. По статистике видно, что количество людей, пользующихся мобильным интернетом, неуклонно растет. Этому еще способствуют операторы мобильных сетей, удешевляя тарифы, предоставляя более выгодные пакеты услуг [4].

Рисунок 2. Проникновение мобильного интернета в общество по России

Но чтобы добиваться постоянного притока пользователей, разработчикам необходимо каждый месяц или полгода добавлять новый функционал, не забывая улучшать и поддерживать старый. Разработчики мобильных устройств пытаются добиться высокой производительности с наименьшими затратами энергоресурсов. Такие же проблемы встают перед разработчиками мобильных приложений и веб-сайтов. Но главной особенностью веб-сайтов является то, что чаще всего Front-End разработчики и разработчики JavaScript библиотек для графического интерфейса (далее UI), которыми пользуются дизайнеры, не уделяют должного внимания оптимизации своего кода, из-за чего пользователи мобильных устройств испытывают проблемы, а именно низкая частота кадров, большое время отклика страницы (~900мс), высокое потребление заряда. Из-за этих проблем показатель пользовательского опыта (далее UX) будет низким, что приведет к плохим отзывам, малому количеству посещаемости.

Рисунок 3. Рост мобильного трафика

Из выше сказанного следует, что самым оптимальным будет создать приложение, работающее на мобильных устройствах, т.к. мобильные приложения работают быстрее, из-за использования нативных языков программирования. Так же плюс мобильных приложений — отсутствие требования постоянного подключения к Интернету.

1. Исследовательский раздел

1.1. Исследование алгоритмической и компонентной структуры имеющихся решений

На отечественном рынке систем по учету ЖКХ ресурсов имеется линейка продуктов от компании «Стриж». «Умные» счетчики работаю на технологии LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) – энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия. Для реализации технологии LPWAN компания «Стриж» используется протокол XNB (Extended Narrowband). Он представляет собой переработку протокола связи на физическом уровне. XNB работает на частоте 868.8 МГц, который не требует лицензирования. Ширина полосы канала передающего устройства при этом составляет 100 Гц, при минимальном битрейте в 50 бод. Бод – единица измерения числа различных состояний сигнала в линии связи. Компания «Стриж» предоставляет ряд продуктов [5]:

• xСчетчики воды; xЭлектросчетчики; xСчетчики газа; xТеплосчетчики;
• xСерверы для хранения данных, пришедших со счетчика;
• xБазовые LPWAN-станции;
• xРадиомодули LPWAN для передачи данных со счетчика;
• xПрограммное обеспечение.

На сайте компании представлена схема взаимодействия элементов системы по сбору показаний счетчиков.

Рисунок 4. Структура системы учета ресурсов от компании «Стриж»

В системе «Стриж» можно выделить четыре подсистемы:

1. Базовые станция;
2. Оборудование;
3. Веб-платформа;

Базовая станция позволяет обрабатывать до 2 000 000 сообщений в сутки, работает в широком диапазоне температур. Оборудование представляет собой приборы учета, датчики и сенсоры с интегрированными LPWAN- радиомодулями. Оборудование подключается по принципу PnP (Plug-and- Play). Веб-платформы – это личный кабинет пользователя, в котором он просматривает данные от устройств в удобном виде, управляет устройствами и станциями, пользователями и контрагентами. XNB – узкополосный протокол для LPWAN-сетей, разработанный компанией «Стриж». Подходит для построения IoT сетей [6].

Российский оператор сотовой связи «МегаФон» в 2013 запустил программу «Ресурс под контролем». Услуга заключается в обеспечении учета, регулировании и диспетчеризации потребления энергоресурсов корпоративных клиентов. В наличии «Базовый пакет», в котором ведется учет электроэнергии, воды и теплоэнергии. «Базовый пакет» предоставляет контроль ресурсов одного объекта (многоквартирного дома или частного сектора). «Ресурс под контролем» позволяет корпоративным клиентам

«МегаФона» автоматизировать сбор и учет данных, регулирование и контроль потребления электроэнергии, тепла и воды, становится федеральной [7].

Проект разработан «МегаЛабс» для ТСЖ, управляющих, энергобытовых и энергосетевых компаний, а также крупных производственных предприятий, которые заинтересованы в учете потребления ресурсов. Она позволяет клиентам получать детальный анализ потребления ресурсов, выявить потери ресурсов на линиях электропередач, хищение электроэнергии, утечки воды или теплоносителей, потери тепла из-за износа фасадов зданий.

Оператор «МегаФон» предоставляет также «Дополнительные пакеты», в который входит контроль всех описанных выше ресурсов внутри одного объект. В данный тариф входит «Поквартирный учет 100» (до 100 домой (квартир)), «Поквартирный учет 200» (от 101 до 200 домов (квартир)) и

«Поквартирный учет 200+» (от 201 квартиры или частного дома). Оператор связи помимо сбора информации предоставляет веб-интерфейс для просмотра статистики и показатели со счетчиков [8].

Рисунок 5. Личный кабинет системы «Ресурс под контролем»

«Ресурс под контролем» состоит из счётчиков, каналообразующего оборудования (линий связи, модемов, маршрутизаторов), баз данных, прикладного программного обеспечения. «МегаФон» обеспечивает доставку,сбор, централизованную обработку данных и ресурсы для масштабирования проекта в федеральном масштабе.

В первую очередь в квартире абонента или частном доме устанавливаются счётчики. При этом замена уже установленных приборов учета необязательна, при условии, что они в работоспособном состоянии, у них не истек срок поверки, и наличествуют импульсные выходы для подключения приемопередающего оборудования.

В таких случаях «МегаФон» устанавливает только приемопередающее оборудование, которое передает данные на каналообразующие системы, устанавливающееся в технических помещениях. В случае с частным сектором

— обычно на трансформаторной подстанции.

Среди систем учета коммунальных ресурсов имеется система, использующая проводные технологии передачи данных – система «Ресурс». Разработкой системы занимается российская компания ЗАО НВП «Болид». АСКУЭ (Автоматизированная система контроля и учёта энергоресурсов)

«Ресурс» разрабатывается с 2006 года. Автоматизированная система позволяет хранить, передавать, обрабатывать информацию с приборов учёта ресурсов в режиме реального времени независимо от типа устройства и производителя. Система так же позволяет избирательно воздействовать на должников путем введения частичного или полного отключения от потребления ЖКУ. С помощью системы информация о потребляемых ресурсах может передаваться в управляющие компании или напрямую к поставщику ресурсов (Мосэнергосбыт). По запросу пользоваться производится выгрузка данных в формате электронных таблиц (*.xls, *.xlsx,

*.csv). Для передачи данных используются следующие стандарты интерфейсов: RS485, RS232, CAN, Meter-Bus (M-Bus), GSM/GPRS, радиоканал, Ethernet/Internet. Также ЗАО «Болид» поставляет счетчики учета ресурсов [9].

Рисунок 6. Схема подключения АСКУЭ «Ресурс» с использованием импульсных счетчиков и проводных линий связи

Рисунок 7. Схема подключения АСКУЭ «Ресурс» с обеспечением защиты от протечек и ограничением потреблением

АСКУЭ «Ресурс» состоит из [10]:

• xСистемы учета ресурсов;
• xСистемы   передачи   данных   на   адресные   контроллеры   сбора показаний;
• xСистемы   преобразования   данных   из    беспроводных   сетей    в проводные;
• xКонвертеров;
• xИсточников питания и аккумуляторов;
• xДополнительных датчиков;
• xПрограммное  обеспечение    для    ведения    учета   потребляемых ресурсов.

Рисунок 8. Интерфейс программного обеспечения «Ресурс»

Существуют также разработки более малых компаний по автоматизации учета ЖКХ ресурсов. Чаще всего такие разработки выполняются под заказ. Многие разработки таких компаний используют передачу данных о ЖКХ ресурсов с использованием беспроводной связи Wi-Fi, что таит в себе угрозу. Провести MITM (Man-In-The-Middle) атаку в таких системах не составит большого труда. Информация о показаниях счетчиков хранится на удаленных серверах. А доступ выполняется либо с помощью ботов в мессенджерах, либо с помощью веб-интерфейса. Поэтому такие системы взламываются достаточно быстро. Поэтому информацию можно украсть, подменить, удалить.

На зарубежном рынке учета потребления коммунальных ресурсов существует система, функционирующая на государственном уровне. Эта система ведет учет практически всех ресурсов, не только коммунальных, но и, к примеру, нефти, угля. Система носит название: U.S. Energy Information Administration. На данном web-портале можно посмотреть цены за единицу ресурса. Цены отличаются в зависимости от штата. Так же можно просмотреть полную статистику по потреблению ресурсов [11].

Рисунок 9. Статистика потребления ресурсов

Для того, чтобы автоматически отправлять данные в представленную систему, нужно зарегистрироваться в ней. В форме регистрации нужно указать цели использования, предоставляемого API системы, и принять условия обслуживания. Также система предоставляет расширения для Microsoft Office Excel и Google Sheets [12].

Рисунок 10. Форма регистрации в системе

«Ресурс под контролем», система «Стриж», U.S. Energy Associations Information – не предназначены для просмотра с мобильных устройств. Также не было найдено мобильных приложений для просмотра учтенных коммунальных ресурсов. Поэтому целью выпускной квалификационной работы будет создать мобильное приложение по учету коммунальных ресурсов.

1.2. Сравнительный анализ систем

«Ресурс под контролем», система «Стриж», U.S. Energy Associations Information являются клиент-серверными системами. К таким системам предъявляются требования: целостности, безопасности, простоты масштабируемости, достоверности, минимальное время отклика на запрос.

Требование целостности гласит, что данные находящиеся в системе остаются полными и невредимыми после воздействий алгоритмов обработки информации внутри системы. Безопасность – это требования

устанавливающее, что данные не будут предоставлены несанкционированным лицам. Также что эти данные не будут искажены или уничтожены. Требование простоты масштабируемости предписывает, что для увеличения вычислительной мощности не придется совершать ресурсозатратные действия:                           незапланированное переписывание  архитектуры автоматизированной системы или полное перестроение алгоритмов обработки данных. Требование достоверности описывает, что данные не имеют скрытых ошибок.

В большинстве клиент-серверная архитектура выполняет поставленные требования, но с оговорками. Требования целостности, достоверности, безопасности легко нарушаются в централизованной системе, потому у всех систем такого типа присутствует управляющее лицо – системный администратор. В крупных системах обычно существует группа системных администраторов. Они имеют прямой доступ к данным находящимся в системе. Немаловажно отметить, что данные хранятся централизованно, что может привести к их полной потере, частичному или полному повреждению, краже. От полной потери данных спасает резервное копирование данных, но в корпоративном секторе до 70-75% серверов не имеют полной или настроенной системы резервного копирования. В домашних системах этот показатель еще больше: до 95% рабочих компьютеров вообще не имеют никакого резервного копирования данных [13].

Если соблюдать правила распределенных систем, то можно добиться лучших показателей по таким характеристикам, как целостность, достоверность и безопасность. Данные которые будут хранится, будут ссылаться на предыдущие записи, которые хранятся в контроллере. Требования целостности и достоверности достигаются в распределенных системах путем многократного копирования данных на всех устройствах пользователей. Проблема достоверности данных («Задача Византийских Генералов») решается в распределенных системах с помощью алгоритмов

консенсуса. Проблема масштабируемости в распределенных системах отсутствует. Единственная проблема – большой объем трафика между узлами, но это разрешается с помощью широкополосных и высокоскоростных коммуникационных магистралей.

Таблица 1. Сравнительная таблица систем учета ресурсов

 

В столбце «Ресурсы» присутствуют сокращения:

xэ – электричество;

xг – газ;

xгв – горячая вода;

xхв – холодная вода; xа – атомные ресурсы; xу – уголь;

xв – воздух;

xб – топливо.

В столбце «Нацеленность» присутствуют сокращения:

xB2C (Business To Customer) – система для частного лица;

xB2B (Business To Business) – система для бизнеса.

Провести сравнительный анализ по стоимости не представляется возможным, потому что U.S Energy Information Administration и «Стриж» не выкладывают информацию о стоимости в публичный доступ. На рисунке ниже представлена абонентская стоимость услуг от компании «МегаФон» [8].

Рисунок 11. Стоимость услуги «Ресурс под контролем» от компании «МегаФон»

Компания «Стриж» предоставляет информацию о стоимости только по запросу. Поэтому можно сделать предположение, что цена складывается и множества параметров и получается индивидуальной для каждого заказа [14].

Рисунок 12. Стоимость счетчиков от компании «Стриж»

Компания «Болид» предоставляет расценки на стоимость услуг в открытом доступе. Цены представлены только за отдельные компоненты. За установку, настройку и покупку нужно оставлять заявку на расчет стоимости системы [15].

Рисунок 13. Прайс лист АСКУЭ «Ресурс»

U.S. Energy Information Administration не предоставляет информации о стоимости оборудования. На сайте департамента нет страницы для заказа оборудования для учета ресурсов. Департамент предоставляет только страницу для регистрации, чтобы использовать API системы. Из этого следует

то, что веб-портал департамента используется для сбора и анализа расходуемых энергетических ресурсов на территории США.

1.3. Телекоммуникационные сети

1.3.1. Проводные сети

Для передачи данных от счетчиков на головной контроллер должны использоваться телекоммуникационные сети. Сети передачи данных существуют двух видов:

xпроводные; xбеспроводные.

Самым   популярным   семейством   протоколов   проводной   передачи

данных является Ethernet. В 90-ых годах Ethernet вытеснил такие технологии как Token Ring, FDDI, ARCNET. Протокол Ethernet поддерживает разное количество стандартов, которые регламентируют максимальную скорость передачи данных и физическую среду передачи сигналов (кабели). Сейчас самый распространенный стандарт, использующийся рядовыми пользователями – Gigabit Ethernet и Fast Ethernet. Для данных стандартов используются UTP кабели («витая пара») – медные провода, попарно скрученные между собой. На концах кабеля располагаются вилки типа RJ-45

– стандарт физического сетевого интерфейса.

Рисунок 14. Кабель UTP с разъемом RJ-45 (8P8C) используемый в Ethernet сетях

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи, стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех нижеперечисленных вариантах.

Классы Ethernet:

xFast Ethernet; xGigabit Ethernet; x10 Gigabit Ethernet;

x100 Gigabit Ethernet (10G Ethernet).

Сетевая карта – дополнительное устройство, позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети. В настоящее время в персональных компьютерах и ноутбуках контроллер и компоненты, выполняющие функции сетевой платы, довольно часто интегрированы в материнские платы для удобства, в том числе унификации драйвера и удешевления всего компьютера в целом. Без сетевой карты пользователь не может получить доступ в сеть, используя проводные технологии передачи данных [16].

1.3.2. Беспроводные сети

Беспроводные сети классифицируются по [16]:

Дальности действий:

• WPAN (Wireless   Personal   Area   Networks)   –   беспроводные персональные сети. Пример: Bluetooth, ZigBee;
• WLAN (Wireless Local Area Networks) – беспроводные локальные сети. Пример: Wi-Fi;
• WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) – беспроводные сети масштаба города. Пример: WiMAX;
• WWAN (Wireless Wide Area Network) – беспроводные глобальные сети. Пример: LTE, GPRS, CSD;

Топологии:

• P2P (Peer-To-Peer) – «Точка-точка»;
• P2MP (Peer-To-Multipoint) – «Точка-многоточка»;

Области применения:

• Корпоративные – создаваемые компаниями для собственных нужд;
• Операторские – создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Рисунок 15. Сравнение беспроводных сетей по показателям скорости и дальности передачи данных

Для квартир подойдут беспроводные сети типа WPAN или WLAN. Для квартир подойдут семейство протоколов ZigBee, для домов и ферм подойдут протоколы семейства LoRaWAN (LPWAN) [17].

Также имеется решение с использованием протоколов проводной связи

• Данное решение подходит исключительно для квартир по причине того, что прокладка «витой пары» потребует больших усилий.

1.3.3. Протокол беспроводной связи ZigBee

ZigBee – спецификация сетевых протоколов от ZigBee Alliance. Спецификация затрагивает несколько уровней по модели OSI – от сетевого до уровня приложений. В самой спецификации выделяют два уровня: уровень приложений APS и сетевой уровень NWK. Уровни ниже сетевого для данного стандарта разработаны IEEE и определяются стандартами IEEE 802.15.4-2006 [18].

Рисунок 16. Стек спецификаций и стандартов ZigBee

Низкая стоимость, способность к самоорганизации и самовосстановлению, защищённость, высокая помехоустойчивость и низкое энергопотребление позволяет широко применять данную технологию для беспроводного контроля и наблюдения, а благодаря малой мощности сенсоры сети способны работать долгое время, используя автономные источники питания. Основными областями применения семейства технологий ZigBee являются беспроводные сенсорные сети, организация «умного» пространства («умный» дом, «умная» квартира), системы корпоративного или промышленного мониторинга и управления, а также бытовая электроника.

Рисунок 17. Сравнение топологий Wi-Fi, Bluetooth и ZigBee

ZigBee образует топологию «mesh» (ячеистую). Wi-Fi, Ethernet и LoRaWAN образуют топологию «звезда». Топология «mesh» подходит для распределенных систем, а «звезда» для централизованных систем [19].

1.3.4. Протокол беспроводной связи LoRaWAN

LoRaWAN – это протокол беспроводной связи спецификации LPWAN (Low Power, Wide Area Network). Данный протокол спроектирован таким образом, чтобы обеспечить минимальное энергопотребление устройств. Подходит для устройств с малым запасов электроэнергии (работающие от батарей) и для устройств класса «Интернет Вещей» (Internet of Things (IoT)). Плюс LoRaWAN – дальность действия. Данный протокол разработан для действий на уровне района, города, региона [20].

Рисунок 18. Классы LoRaWAN

В спецификации LoRaWAN имеет классы [21]:

xКласс A – двунаправленный, для конечных устройств, с низким энергопотреблением;

xКласс  B   –   двунаправленный,   для   конечных   устройств,   с определенной задержкой загрузки;

xКласс C – двунаправленный, для конечных устройств, с низкой задержкой в связи.

Для устройств с батарейным питанием LoRaWAN позволяет временно переключаться между классами A и C. Это полезно для временных задач, к примеру обновление встроенного программного обеспечения.

Для создаваемой системы нужно выбрать из двух беспроводных спецификаций: ZigBee или LoRaWAN.

Таблица 2. Сравнение ZigBee и LoRaWAN

 

В таблице указана дальность передачи данных в реальных условиях. Дальность передачи данных в 10-20 км достигается при работе в среде без препятствий (стен, экранов) [17].

Система учета коммунальных ресурсов разрабатывается для работы в границах квартиры, поэтому использование LoRaWAN будет избыточным в данных ограничениях. Компания «Стриж» использует протоколы LoRaWAN и данное решение имеет значение, т.к. «Стриж» проектировал системы для передачи данных на серверы, которые находятся в разных точках города.

Наиболее оптимальным решением будет использование проводных технологий передачи данных (Ethernet) или семейство беспроводных технологий ZigBee.

2. Специальный раздел

2.1. Функциональные требования к разрабатываемой системе

В системе присутствуют следующие компоненты:

xГоловной контроллер (ГК);

xКонтроллер сбора показаний счетчика;

xМобильное приложения для учета собранных показаний.

После проведенного исследовательского и сравнительного анализа, можно сформировать следующие функциональные требования, которые разбиты на требования к отдельным подсистемам:

Требования к подсистеме сбора показаний:

• Сбор данных со счетчиков электроэнергии;
• Сбор данных со счетчиков горячей воды;
• Сбор данных со счетчиков холодной воды;
• Сбор данных со счетчиков газа;

Требования к подсистеме передачи показаний:

• Использование протокола беспроводной связи;
• Использования протокола проводной связи;
• При передаче данных, устройство должно отправлять:
  • ID устройства;
  • Показание со счетчика;

Требования к подсистеме хранения показаний (головной контроллер):

• Головной контроллер должен хранить данные со счетчиков;
• Головной контроллер должен хранить информацию о людях, проживающих в квартире;
• Головной контроллер должен предоставлять интерфейс (API) для мониторинга показаний счетчиков;

• Головной контроллер должен предоставлять интерфейс (API) для мониторинга зарегистрированных счетчиков;
• Головной контроллер должен предоставлять интерфейс (API) для добавления и обновления данных о счетчиках;
• Головной контроллер должен предоставлять интерфейс (API) для добавления и обновления данных о людях, проживающих в квартире;
• Головной контроллер не должен предоставлять данные неавторизованным пользователям;
• Головной контроллер не должен принимать данные от неавторизованных счетчиков;

Требования к подсистеме отображения данных, хранящихся на головном контроллере:

Система должна отображать полный адрес: город, улица, дом, квартира, индекс (опционально);

4. • Система должна позволять авторизовать новые счетчики;
   • Система должна отображать все зарегистрированные счетчики;
   • Система должна отображать хранящихся пользователей системы;
   • Система должна отображать собранные показаний со счетчиков.

Функции головного контроллера заключаются в хранении, приему и обработки информации от контроллеров сбора показаний счетчика. Также ГК предоставляет API учета ресурсов для мобильного приложения.

В системе будет применяться управление доступом на основе ролей. Роль «Мобильное приложение» имеет доступ «Только чтение». Роль

«Контроллер сбора показаний» имеет доступ «Запись». Роль ГК заключается в приеме данных от «Контроллер сбора показаний» и предоставление данных объектам роли «Мобильное приложение».

Система должна представлять из себя распределенную систему типа приватный блокчейн, где каждый счетчик представляет собой узел, способный только отправлять данные показаний.

---

Страницы: 1 2 3