Автономный узел оптического считывания показаний механических водомеров

1. Цель и границы системы

Автоматически снимать показания со старых механических счётчиков воды (без импульсного выхода / Modbus): фотографировать циферблат, распознавать цифры на устройстве, передавать компактный зашифрованный пакет по LoRa 868 МГц на шлюз, сохранять принятые показания в серверной подсистеме.

2. Архитектура

Зафиксированный подход: распознавание на оконечном устройстве. По эфиру — только зашифрованное показание и метаданные. Wi‑Fi — только сервисный режим (пусконаладка на объекте, дистанционное обновление прошивки, выгрузка спорных кадров).

• Счётчик в фиксированном ракурсе с подсветкой снимается камерой OV3660.
• Кадр обрабатывается на ESP32-S3 (N16R8): оптическое распознавание на оконечном устройстве, формируется полезная нагрузка.
• Полезная нагрузка шифруется на устройстве (AES‑128, ключ в прошивке). В открытом виде в эфире остаётся только идентификатор устройства (для маршрутизации).
• Пакет уходит по LoRa SX1276/SX1262 (868 МГц) через ретрансляторы на шлюз; ретрансляторы и шлюз передают шифротекст без расшифровки.
• Сервер расшифровывает тем же ключом, проверяет и сохраняет показание; далее — кабинет оператора (в т.ч. Max).
• После сессии — сигнал DONE и глубокий сон; питание от CR123A (опционально TPL5110).

Почему распознавание на устройстве

• LoRa не предназначен для JPEG (узкий канал, коэффициент заполнения эфира).
• 8 МБ PSRAM позволяют разместить кадр, область интереса (ROI) и квантованную модель.
• Облако получает уже расшифрованное значение + уверенность + флаги.

3. Спецификация комплектующих узла учёта

Критично: маркировка памяти строго N16R8. Без 8 МБ PSRAM локальная нейросеть не разместится нормально. Радио — строго 868 МГц.

Инфраструктура (не на каждый счётчик)

4. Оптика, корпус, монтаж

• Циферблат ≥40% кадра; резкость; без сильного блика.
• Фиксированный ракурс; область интереса (ROI) калибруется при установке и пишется в энергонезависимое хранилище (NVS).
• Для вывода модели полный кадр 3 Мп не обязателен: достаточно обрезки области интереса и понижения разрешения.
• Антенна LoRa — снаружи корпуса; пигтейл герметизирован.
• минимальный продукт: барабанные цифры (чёрные целые + красные доли). Стрелочные доли — отдельно или только целая часть.

5. Питание: три варианта

Батарея: CR123A ~1500 мАч. Полный цикл сессии одинаков для всех вариантов:

• пробуждение;
• камера и подсветка;
• захват кадра;
• распознавание;
• передача LoRa (не более одной повторной передачи);
• сон или отключение питания.

Расход одной сессии (ориентир): 0.2–0.8 мАч (100–200 мА × 5–15 с).

Оценка срока — до разряда батареи при штатном режиме. На практике срок режут холод, пики TX, утечки корпуса и саморазряд. Цифры ниже — инженерный ориентир, не гарантия.

Вариант A — глубокий сон ESP32-S3

Питание на плате не снимается. Между сессиями MCU в глубокий сон. Нужен доведённый узел без лишних LED/USB-чипа, ток сна ≤30 мкА.

Вариант B — TPL5110 + MOSFET (полное обесточивание)

Таймер полностью обесточивает узел. Интервал резистором: до 2 часов (для суток — будить чаще и считать в энергонезависимое хранилище (NVS), либо ставить вариант C). После сессии сигнал GPIO DONE отключает питание. Простой ≈ ток TPL5110 (~35–50 нА).

Вариант C — RTC RV-3028-C7 + MOSFET/ключ нагрузки

RTC всегда под батареей (~45–100 нА). По сигналу будильника включает питание платы; после сессии GPIO гасит MOSFET. Любой интервал: сутки, неделя, месяц.

Сводка

6. Связь LoRa 868

Структура пакета

Открытый заголовок (для маршрутизации) + зашифрованная полезная нагрузка. Суммарно ориентир 20–40 байт до шифрования; после AES‑128 (блок 16 байт) — с выравниванием / тегом режима, без существенного раздувания канала.

Шифрование

• Алгоритм: AES‑128 (аппаратный ускоритель ESP32‑S3 / Mbed TLS в ESP‑IDF). Предпочтительно режим с проверкой целостности (AES‑GCM) либо AES‑CTR + отдельный MAC.
• Ключ прошивается в устройство при сборке; тот же секрет хранится на сервере (по идентификатору устройства или общий на пилот).
• Смена ключа по эфиру на этапе пилота не предусматривается.
• Ретрансляторы и шлюз шифротекст не расшифровывают — только ретранслируют на сервер.

• JPEG по LoRa не передаём.
• SF7–SF9 по линку; не завышать SF без нужды (ток TX).
• Соблюдать коэффициент заполнения эфира / ЭРП для 868 МГц в РФ.
• Последний кадр с низкой уверенностью хранить во Flash; выгрузка — сервисный режим Wi‑Fi/BLE при монтаже.

7. Оптическое распознавание на оконечном устройстве

1. Кадр OV3660; выделяется фиксированная область интереса из энергонезависимого хранилища (NVS).
2. Нормализация / контраст.
3. Модель: сегментация цифр или малая свёрточная или свёрточно-рекуррентная сеть (CNN/CRNN) (ESP-DL / TensorFlow Lite Micro + ESP-NN), int8.
4. Постобработка: только [0-9], ожидаемая длина разрядов.
5. Локальная проверка: уверенность ≥ порога; показание ≥ предыдущего (энергонезависимое хранилище (NVS)); разумный прирост.
6. Иначе — флаг низкой уверенности, кадр во Flash для ручной проверки.

Подготовка модели выполняется поэтапно:

• набор данных с реальных счётчиков в том же ракурсе и освещении;
• обучение на ПК;
• квантование;
• прогон задержки и точности на ESP32-S3.

8. Прошивка: цикл сессии

Рабочий цикл сессии:

• пробуждение / включение;
• самопроверка PSRAM == 8 МБ;
• инициализация камеры и LoRa (минимум);
• подсветка включена — захват кадра — подсветка выключена;
• предобработка области интереса и вывод модели;
• проверка относительно последнего значения в энергонезависимом хранилище (NVS);
• сборка полезной нагрузки, шифрование AES‑128 ключом из прошивки;
• передача LoRa (открытый идентификатор устройства + шифротекст; не более одной повторной передачи);
• сохранение JPEG при низкой уверенности;
• сигнал DONE и глубокий сон.

Сервисный режим (кнопка / магнит / первые секунды после включения): точка доступа Wi‑Fi для выгрузки последнего кадра JPEG, калибровки области интереса и дистанционного обновления прошивки.

• дистанционное обновление прошивки и модели — только в сервисном режиме;
• уникальный идентификатор устройства и ключ шифрования — в прошивке при выпуске; только исходящий трафик.

9. Шлюз и серверная подсистема

Функции

• Шлюз принимает LoRa-пакет и передаёт на сервер байты как есть (шифротекст + открытый идентификатор, плюс RSSI/SNR и метка времени шлюза).
• Сервер: по идентификатору устройства выбирает ключ, расшифровывает полезную нагрузку (AES‑128), получает показание, уверенность, флаги, напряжение батареи, номер сессии.
• Повторная проверка монотонности и лимитов расхода; отбраковка повторов по номеру сессии.
• требуется проверка при низкой уверенности / аномалии.
• Кабинет оператора (в т.ч. Max): последнее значение, батарея, SNR, вне связи > 48 ч.

Модель данных (минимум)

Структура репозитория

10. Этапы внедрения

11. Риски и критерии приёмки

Критерии успеха минимального продукта

• Сессия ≥1 раз/сутки; доставка пакета до серверная подсистема < 5 мин при доступном шлюз.
• ≥80% показаний без ручной проверки.
• ложное принятие < 1% на контрольной выборке.
• PSRAM = 8 МБ на каждой прошитой плате.
• Срок службы на одной CR123A: целевой ориентир ≥12 месяцев (по замеру/экстраполяции).

12. Контрольный перечень закупки и приёмки аппаратуры

• ESP32-S3-CAM с маркировкой N16R8 (не N8R2 / не «просто S3»)
• В описании/на модуле камера OV3660
• LoRa модуль / плата строго 868 МГц (SX1276 или SX1262)
• Внешняя антенна 868 + пигтейл IPEX/U.FL на SMA
• TPL5110 отладочный модуль или RV-3028-C7 при интервале >2 ч
• CR123A + холдер
• Корпус IP65/IP66 с возможностью окошка под объектив
• LED подсветки + крепёж под конкретный тип счётчика
• Шлюз 868 МГц для приёма
• После получения: прошить, выполнить самопроверку и зафиксировать в журнале объём PSRAM = 8388608

13. Опытная эксплуатация: 10 устройств × 1 месяц

Цель опытной эксплуатации — подтвердить стабильность железа, связи, распознавание и питания на реальных счётчиках до масштабирования.

Параметры опытной эксплуатации

Состав комплекта опытной эксплуатации

• 10 × узел по спецификация комплектующих (§3): S3-CAM N16R8, OV3660, LoRa 868, антенна, CR123A, корпус, крепёж
• 1 × шлюз 868 + серверная подсистема + кабинет/Max
• Запас: 2 × CR123A, 1 × запасной узел (запасной узел), крепёж/герметик
• Перед стартом: калибровка области интереса (ROI) на каждом счётчике, контрольное ручное показание «день 0»

Что считаем стабильностью

Регламент на месяц

Критерий «запуск / доработка» после опытной эксплуатации

• «Запуск»: доля успешных доставок ≥95%, автоматический приём ≥80%, ложное принятие <1%, нет массовых отказов батареи/радио.
• «Доработка»: любая метрика ниже порога — фикс (оптика, модель, антенна, питание) и повтор опытной эксплуатации на тех же 10 точках ещё 14–30 дней.

Объём данных опытной эксплуатации: при 10 узлах × 30 суток = 300 ожидаемых показаний. Этого достаточно, чтобы увидеть систематические сбои распознавания, «дыры» покрытия LoRa и дрейф батареи, но не заменяет годовой прогон на морозе — холодный тест вынести отдельно при необходимости.

14. Оптовые цены (ориентир, площадка Alibaba)

Цены листингов — FOB Китай / Alibaba (август 2026). Пересчёт в рубли по формуле проекта:

₽ с пошлиной = USD × 80 × 1.20 = USD × 96
Курс: 80 ₽ / $1. Пошлина: +20%. Доставка и НДС сверх этого — отдельно (не включены в таблицы ниже). Перед закупкой — КП и образец, проверка N16R8 / OV3660 / 868 МГц.

Плата и ключевые компоненты узла

Батарея CR123A (литий-диоксид марганца (Li-MnO₂), ~1500–1600 мАч)

Только первичный неперезаряжаемый элемент Li-MnO₂, не 16340 перезаряжаемый под видом CR123A. минимальная партия заводов часто 1k–5k.

Сводка стоимости комплекта на 1 узел (без шлюза)

Опытная эксплуатация 10 устройств — железо

Не входит: доставка из Китая, НДС, разработка, сервер, монтаж, кастомная печатная плата (PCB). Доставку закладывайте сверху отдельно (для 10 узлов часто ещё +3–8 тыс. ₽ курьером).