DE19624273A1

DE19624273A1 - Consumption recording system for remote reading

Info

Publication number: DE19624273A1
Application number: DE19624273A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Perthold; Heinz Dr Ing Gerhaeuser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1997-03-27
Also published as: DE59601157D1

Abstract

A consumption measurement system (10) comprises a consumption measurement device (14), a transmission module (22) connected to the consumption measurement device (14), and a planar antenna (18) connected to the transmission module (22) to allow transmission of data acquired by the consumption measurement device (14).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbrauchserfas sungssysteme mit Fernablesung und insbesondere auf Ver brauchserfassungssysteme, bei denen Planarantennen verwendet werden, um ein Signal abzustrahlen, das einem gemessenen Verbrauch entspricht.The present invention relates to consumption data systems with remote reading and especially on ver consumption detection systems using planar antennas to emit a signal that is measured Consumption corresponds.

Bei Wohnanlagen oder Bürohäusern mit einer zentralen Ener gie- und Wasserversorgung ist es notwendig, den individuel len Verbrauch einzelner Mietparteien an Gas, Heizung und/oder Wasser getrennt für jede Mietpartei zu erfassen und abzurechnen. In Anbetracht der steigenden Kosten für Energie und Wasser sowie der stark unterschiedlichen Verbrauchswerte einzelner Mietparteien, wie z. B. Alleinstehende im Vergleich zu Familien mit Kindern, ist es nicht mehr tragbar, die Energie- und Wasserkosten aufgrund der gemieteten Wohn- bzw. Geschäftsfläche "überschlagsmäßig" abzurechnen.For residential complexes or office buildings with a central energy geie and water supply it is necessary to the individual len consumption of individual rental parties for gas, heating and / or collect water separately for each tenant and to settle. Given the rising cost of energy and water as well as the very different consumption values individual tenants, such as B. Single comparison to families with children, it is no longer portable that Energy and water costs due to the rented residential or Billing business space "roughly".

Dies hat dazu geführt, für jede Miet- bzw. Eigentümerpartei einen getrennten Zähler für elektrische Energie vorzusehen, die dann alle üblicherweise in einem gemeinsamen Raum, bei spielsweise im Keller des betreffenden Hauses, angebracht sind. Um die Verbrauchsdaten an elektrischem Strom abzule sen, ist es notwendig, daß ein Angestellter der Stadtwerke die Zählerstände in regelmäßigen Abständen abliest, was mit begrenztem Aufwand verbunden ist, da alle Stromzähler des Hauses in einem gemeinsamen Raum angebracht sind.This has resulted in every tenant or owner party to provide a separate meter for electrical energy, then all of them usually in a common room for example in the basement of the house in question are. To read the consumption data of electrical power sen, it is necessary that an employee of the municipal works reads the meter readings at regular intervals, what with limited effort is involved because all of the electricity meters House in a common room.

Anders ist die Situation jedoch bei zentralen Gasversorgun gen oder zentralen Heizungsanlagen für Wohnanlagen und Ge schäftshäuser. Hierbei wird die gesamte Anlage meist durch eine zentrale Brennereinheit versorgt, weswegen es erforder lich ist, beispielsweise an jedem Heizkörper einen Wärmezähler anzubringen. Ähnlich geartet ist der Fall bei einer Gas versorgung. Hier ist bei dem Eintrittspunkt eines Gasnetzes in die jeweilige Wohnung ein Gaszähler vorgesehen. Zur Er fassung des Verbrauchs und zur Rechnungsstellung ist es dem nach erforderlich, daß ein Angestellter des Versorgungsun ternehmens jede einzelne Wohnung betritt, um beispielsweise den Gasstand abzulesen, während es bei Wärmezählern an Heiz geräten sogar erforderlich ist, daß der Angestellte des Ver sorgungsunternehmens jeden einzelnen Heizkörper sowie jede Warmwasserleitung aufsuchen muß, um den entsprechenden Zäh lerstand zu notieren, um pro Wohneinheit eine Gesamtrechnung zu erstellen. Aufgrund des großen Zeitaufwandes, jede ein zelne Wohnung einer Wohnanlage oder sogar jedes einzelne Zimmer einer Wohnung zu betreten, ist das Ablesen sehr teuer und aufwendig. Die Kosten für das Ablesen können sogar in die Größenordnung der insgesamt angefallenen Heizkosten kom men.However, the situation is different with central gas supply central or central heating systems for residential complexes and Ge commercial buildings. Here, the entire system is usually through a central burner unit supplies, which is why it is required Lich, for example, a heat meter on each radiator to attach. The case is similar with a gas care. Here is at the entry point of a gas network a gas meter is provided in the respective apartment. To Er consumption and billing after an employee of the supply company enters every single apartment, for example read the gas level, while there are heat meters on heating devices is even required that the employee of the Ver care company every single radiator as well as each Hot water pipe must go to the appropriate toughness to write down a total bill per unit to create. Because of the large amount of time, each one single apartment of a residential complex or even each one Entering a room in an apartment is very expensive to read and expensive. The cost of reading can even be in the magnitude of the total heating costs inc men.

Aufgrund der beschriebenen Situation existieren Anstrengun gen, eine Ablesung der genannten Verbrauchserfassungsein richtungen mittels drahtloser Telemetrie zu realisieren. Die bisher dafür verwendeten linearen Antennen, wie z. B. Dipol antennen, Vertikalantennen oder Schleifenantennen, als Sen de- bzw. Empfangsantennen weisen jedoch den Nachteil auf, daß es äußerst schwierig ist, mit den genannten Antennenfor men die an drahtlose Verbrauchserfassungssysteme gerichteten Anforderungen zu erfüllen. Diese sind insbesondere ein aus reichender Sende- bzw. Empfangswirkungsgrad und eine ausrei chende Sicherheit gegen Zerstörung und Beeinflussung durch die Umgebung.Effort exists due to the situation described gene, a reading of the consumption recording mentioned to implement directions using wireless telemetry. The previously used linear antennas, such as. B. Dipole antennas, vertical antennas or loop antennas, as Sen However, de- or receiving antennas have the disadvantage that it is extremely difficult with the antennas mentioned men are aimed at wireless consumption recording systems Requirements. These are particularly an out sufficient transmission or reception efficiency and sufficient adequate security against destruction and influence by the environment.

Die elektrischen Eigenschaften der genannten Antennenformen ändern sich sehr stark, sobald leitendes Material, wie z. B. das Gehäuse des Zählers, in die Nähe des strahlenden Bau teils kommt. In Fachkreisen wird dieser Effekt auch als der "Proximity-Effekt" bezeichnet. So funktioniert beispielswei se eine Vertikalantenne nur dann zufriedenstellend, wenn sie außen am Gehäuse des Zählers angebracht ist, wobei das Ge häuse als HF-Gegengewicht dient. Damit ist die Antenne von außen zugänglich und kann sehr leicht beschädigt werden.The electrical properties of the antenna types mentioned change very much as soon as conductive material such. B. the housing of the meter, close to the radiant construction partly comes. In professional circles, this effect is also called the "Proximity effect" called. This is how it works, for example a vertical antenna is only satisfactory if it is attached to the outside of the meter housing, the Ge serves as an HF counterweight. So the antenna is from accessible from outside and can be easily damaged.

Weiterhin stellt die Wandmontage derartiger Geräte grund sätzlich ein Problem dar, da sich eine Vertikalantenne damit immer nahe an der HF-mäßig störenden Hauswand, die bei spielsweise aus Stahlbeton bestehen kann, oder auch nahe an einem metallenen Heizkörper oder Gaszähler befindet. Das gleiche gilt für Dipolantennen, da diese nicht ausreichend weit von der Hauswand oder dem Heizkörper entfernt ange bracht werden können. Der Montageort hat weiterhin zur Fol ge, daß eine Rundstrahlcharakteristik der Sende/Empfangs antenne nicht unbedingt sinnvoll ist, da elektrische Energie nutzlos in die Wand eingestrahlt wird, die grundsätzlich verlustbehaftet ist. Die lineare Polarisation des elektro magnetischen Feldes, das die genannten Antennen ausstrahlen, wirkt ebenfalls störend, da es bei Reflexionen der elektro magnetischen Strahlung zu Drehungen der Polarisationsebene der Strahlung kommt, die zu einer verminderten Empfangslei stung am Eingang des Empfängers führen.Furthermore, the wall mounting of such devices is also a problem because a vertical antenna always close to the RF-disturbing house wall, which at can consist of reinforced concrete, for example, or close to a metal radiator or gas meter. The The same applies to dipole antennas, since these are not sufficient far from the wall or radiator can be brought. The installation site continues to fol ge that an omnidirectional characteristic of the transmission / reception antenna does not necessarily make sense since electrical energy is uselessly irradiated into the wall, which is fundamentally is lossy. The linear polarization of the electro magnetic field emitted by the antennas mentioned, also has a disruptive effect because it reflects the electro magnetic radiation to rotations of the plane of polarization the radiation that leads to a reduced reception line at the recipient's entrance.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein zuverlässiges drahtloses Verbrauchserfassungssystem zu schaffen.The object of the present invention is a reliable wireless consumption recording system too create.

Diese Aufgabe wird durch ein Verbrauchserfassungssystem ge mäß Anspruch 1 gelöst.This task is ge through a consumption recording system solved according to claim 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es durch Verwenden einer Planarantenne in einem Verbrauchserfassungs system möglich ist, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile zu beseitigen. Insbesondere ermöglicht es die vor liegende Erfindung, die Antenne derart in einem Verbrauchs erfassungssystem zu plazieren, daß dieselbe vor Zerstörung und Manipulierung sicher ist. Ein weiterer Vorteil der Er findung besteht darin, daß das Metallgehäuse einer Ver brauchserfassungseinrichtung die Abstrahlungscharakteristik der Planarantenne nicht negativ, sondern im Sinne besserer HF-Abstrahlung positiv beeinflußt, wobei ferner die Abstrah lungscharakteristik von der Wand weg gerichtet ist. Aufgrund der Tatsache, daß die bei der Erfindung verwendete Planaran tenne elliptisch polarisiert strahlt, führen Reflexionen entlang der Funkstrecke im Vergleich zu linearen Strahlern zu viel kleineren Leistungsverlusten am Empfänger. Schließlich reagiert die verwendete Antenne relativ unempfindlich auf eine genaue Einbauposition und auf eine schlechte Verbindung der HF-Maße des Senders mit dem metallischen Gehäuse des Zählers, weswegen beim Entwurf einer Verbrauchserfassungseinrichtung nicht speziell auf die Position der Antennen Rücksicht genommen werden muß, oder andererseits ein nachträglicher Einbau der Antenne ohne weiteres möglich ist.The invention is based on the knowledge that it is Use a planar antenna in a consumption meter system is possible, the existing in the art Eliminate disadvantages. In particular, it enables the front lying invention, the antenna in such a consumption detection system to place that same from destruction and manipulation is safe. Another advantage of the Er invention is that the metal housing of a ver consumption detection device the radiation characteristics the planar antenna is not negative, but in the sense of better HF radiation is positively influenced, the radiation lung characteristic is directed away from the wall. Because of the fact that the planaran used in the invention tenne elliptically polarized, reflections result along the radio link compared to linear radiators too much less power loss at the receiver. Finally, the antenna used reacts relatively insensitive to an exact installation position and to a bad connection of the RF dimensions of the transmitter with the metallic housing of the meter, which is why in the design a consumption recording device not specifically for Position of the antennas must be taken into account, or on the other hand, a subsequent installation of the antenna without further is possible.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are referred to below with reference to the attached drawing nations explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Verbrauchserfassungssystem gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung am Beispiel eines Gaszählers; Fig. 1, a metering system according to an exporting approximately example of the present invention the example of a gas meter;

Fig. 2 eine "Inverted F-Antenne", die als Planarantenne bei dem Verbrauchserfassungssystem gemäß der vorliegen den Erfindung verwendet werden kann; und Fig. 2 is a "Inverted F-Antenna", which are present as a planar antenna in the consumption detecting system according to the invention can be used to; and

Fig. 3 ein Funkmodul mit einer Planarantenne auf einem Mul tilayer-Substrat für ein Verbrauchserfassungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 shows a radio module with a planar antenna on a Mul tilayer substrate for a consumption recording system according to the present invention.

Fig. 1 zeigt ein Verbrauchserfassungssystem 10, das an einer Wand 12 befestigt ist. Ein Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung wird anhand eines Gaszählers beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß das Verbrauchserfassungs system gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls ein Was serzähler, ein Wärmezähler und dergleichen sein kann. Ein metallisches Gaszählergehäuse 14 ist auf der der Wand 12 gegenüberliegenden Seite durch einen Gehäusedeckel 16 aus deckel 16 mit einer Plombierung versehen, um unerlaubte Manipulationen an dem Gaszähler zu vermeiden. An dem Ge häusedeckel 16 ist eine Planarantenne 18 mittels Klebstoff oder anderer geeigneter Haltevorrichtungen befestigt. Die Planarantenne 18 wird über eine Koaxialleitung 20 von einem Funkmodul 22 gespeist. Das Funkmodul steht mit einer Gaszäh lereinrichtung (nicht gezeigt) in Verbindung, um den erfaß ten Gaszählerstand geeignet zu verarbeiten und in über die Planarantenne 18 aussendbare Datensignale umzuwandeln. Die Gaszählereinrichtung befindet sich in dem Gaszählergehäuse 14. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß jede andere Verbrauchserfassungseinrichtung mit dem Funkmodul 22 verbun den werden kann, damit dasselbe die Planarantenne 18 über das Koaxialkabel mit geeigneten Sendedaten versorgen kann. Fig. 1 shows a metering system 10, which is secured to a wall 12. An embodiment of the vorlie invention is described using a gas meter. However, it is obvious that the consumption detection system according to the present invention can also be a water meter, a heat meter and the like. A metallic gas meter housing 14 is provided on the opposite side of the wall 12 through a housing cover 16 from cover 16 with a seal to avoid tampering with the gas meter. On the Ge housing cover 16 , a planar antenna 18 is attached by means of adhesive or other suitable holding devices. The planar antenna 18 is fed by a radio module 22 via a coaxial line 20 . The radio module is connected to a gas metering device (not shown) in order to suitably process the detected gas meter reading and convert it into data signals that can be emitted via the planar antenna 18 . The gas meter device is located in the gas meter housing 14 . It is obvious to a person skilled in the art that any other consumption detection device can be connected to the radio module 22 so that the same can supply the planar antenna 18 with suitable transmission data via the coaxial cable.

Fig. 2 zeigt eine bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendete Planarantenne 18, die als "Inverted F-Antenne" realisiert ist. Derartige Antennen sind in K. Hirasawa und M. Haiishi "Analysis, Design, and Measurement of small and low Profile Antennas", Artech House, Boston, London, 1992, beschrieben. Grundsätzlich kön nen Planarantennen als Streifenleitungsresonatoren mit Strahlungsverlusten aufgefaßt werden, wobei die Strahlungs verluste des Resonators das abgestrahlte Nutzsignal darstel len. Fig. 2 shows a planar antenna used in a preferred embodiment of the present invention 18, which is implemented as "Inverted F-Antenna". Such antennas are described in K. Hirasawa and M. Haiishi "Analysis, Design, and Measurement of small and low Profile Antennas", Artech House, Boston, London, 1992. Basically, planar antennas can be understood as stripline resonators with radiation losses, the radiation losses of the resonator representing the radiated useful signal.

Die "Inverted-F-Antenne" 18 setzt sich aus folgenden Kompo nenten zusammen. Auf einer metallisierten Grundfläche 26 be findet sich das dielektrische Antennensubstrat 28, wie z. B. FR4. Auf dem Antennensubstrat ist eine metallisierte Anten nenfläche 30 beispielsweise durch bekannte Ätzverfahren ge bildet.The "inverted-F antenna" 18 is composed of the following components. On a metallized base 26 be the dielectric antenna substrate 28 , such as. B. FR4. A metallized antenna surface 30 is formed on the antenna substrate, for example, by known etching methods.

Abhängig von der auf der Antennenfläche 30 vorhandenen Feld verteilung kann ein Einspeisepunkt 32 gewählt werden, um die Antenne 18 an die Ausgangsimpedanz eines Senders in dem Funkmodul 22 anzupassen. Die Antenne 18 wird durch Abstimmen der Länge eines Kurzschlußstreifens 34 auf Resonanz bei der der Länge eines Kurzschlußstreifens 34 auf Resonanz bei der gewünschten Sendefrequenz, wie z. B. 433 MHz, abgestimmt.Depending on the field distribution present on the antenna surface 30 , an entry point 32 can be selected in order to adapt the antenna 18 to the output impedance of a transmitter in the radio module 22 . The antenna 18 is tuned by tuning the length of a shorting strip 34 to resonate at the length of a shorting strip 34 at the desired transmit frequency, such as. B. 433 MHz.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrauchserfassungssy stems gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 ge zeigt. Insbesondere ist dort eine metallisierte Fläche 38, die als Antennenfläche wirkt, auf einem Multilayer-Substrat 40 befestigt. Eine erste Massefläche 42 bildet die für die Planarantenne notwendige Masseebene. Zwischen der ersten Massefläche 42 und einer zweiten Massefläche 44 befindet sich ein Zwischensubstrat 46, das aus dem gleichen Material sein kann wie ein Schaltungssubstrat 48, auf dem wiederum ein Funkmodul 50 vorhanden ist. Das Funkmodul 50 kann SMD-Bauteile für einen Hochfrequenzabschnitt und/oder niederfre quente Schaltungsanordnungen aufweisen, die für die Signal verarbeitung der Verbrauchserfassungseinrichtung nötig sind.Another embodiment of the consumption detection system according to the present invention is shown in FIG. 3 ge. In particular, a metallized surface 38 , which acts as an antenna surface, is attached to a multilayer substrate 40 . A first ground plane 42 forms the ground plane necessary for the planar antenna. Between the first ground surface 42 and a second ground surface 44 there is an intermediate substrate 46 , which can be made of the same material as a circuit substrate 48 , on which in turn a radio module 50 is present. The radio module 50 can have SMD components for a high-frequency section and / or low-frequency circuit arrangements which are necessary for the signal processing of the consumption detection device.

Zum Zeitpunkt einer Ablesung der Verbrauchserfassungsein richtung aktiviert ein Beauftragter des Versorgungsunterneh mens beispielsweise durch Senden eines Aktivierungsimpulses alle in einer Wohnanlage vorhandenen Verbrauchserfassungs einrichtungen aus einem Bereitschaftsmodus heraus, worauf dieselben beginnen, mit einem für jede einzelne Verbrauchs erfassungseinrichtung unterschiedlichen Code ihren Zähler stand auszusenden. Ein geeigneter Empfänger ordnet dann die empfangenen Signale der jeweiligen Mietpartei zu und er stellt die entsprechenden Verbrauchsabrechnungen. Es ist also nicht mehr notwendig, daß jede Wohnung oder jedes einzelne Zimmer jeder Wohnung betreten werden muß.At the time of reading the consumption recording direction is activated by a representative of the utility company For example, by sending an activation pulse all consumption recording available in a residential complex facilities from a standby mode, whereupon they start with one for each individual consumption detection device different code their counter stood out. A suitable recipient then assigns the received signals of the respective tenant and he provides the corresponding consumption bills. It is So no longer necessary that every apartment or every individual rooms in each apartment must be entered.

Die Planarantenne 18, die bei dem Verbrauchserfassungssystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist eine planare Struktur, weswegen nur eine geringe Einbauhöhe, da für aber eine ausreichende Fläche vorhanden sein muß. Die selbe läßt sich damit in einem beliebig angebrachten Gehäu se, wie z. B. in einem an einer Wand montierten Gaszähler oder Heizkörper, unterbringen. Die Hauptstrahlungsrichtung zeigt frontal vom Gaszähler, d. h. von der verlustbehafteten Wand, weg, was schließlich zu einer erhöhten Reichweite des gesamten Systems führt. Die Antenne reagiert ferner wenig empfindlich auf Änderungen der Umgebung hinter der Antenne, d. h. auf Änderungen der mechanischen Position im Gaszähler. Die Antenne ist ferner ohne weiteres durch einen konventio nellen Ätzprozeß herstellbar. Ihr HF-Strahlungsfeld ist el liptisch polarisiert, weswegen keine größeren Polarisations verluste am Empfänger entstehen, wenn durch Reflexionen auf der Funkstrecke Phasendrehungen auftreten. Da die Antenne bereits eine inhärente Bezugsebene beinhaltet, ist die Qua lität der Masseverbindung zum Gaszähler von geringer Bedeu tung. Es ist jedoch auch möglich, bei geeigneter Verbindung der Antenne mit dem Metallgehäuse einer Verbrauchserfas sungseinrichtung 14 das metallische Gehäuse als Masseebene für die Planarantenne 18 zu verwenden.The planar antenna 18 which is used in the consumption recording system 10 according to the present invention is a planar structure, which is why it has only a small installation height, since there must be sufficient space for this. The same can be se in an arbitrarily attached housing, such as. B. in a wall-mounted gas meter or radiator. The main radiation direction points away from the gas meter, ie from the lossy wall, which ultimately leads to an increased range of the entire system. The antenna is also not very sensitive to changes in the environment behind the antenna, ie to changes in the mechanical position in the gas meter. The antenna can also be easily produced by a conventional etching process. Your RF radiation field is elliptically polarized, which is why there are no major polarization losses at the receiver if phase shifts occur due to reflections on the radio link. Since the antenna already contains an inherent reference level, the quality of the ground connection to the gas meter is of little importance. However, it is also possible to use the metallic housing as a ground plane for the planar antenna 18 with a suitable connection of the antenna to the metal housing of a consumption detection device 14 .

Claims

1. Consumption recording system ( 10 ) with:
a consumption detection device ( 14 );
a radio module ( 22 ) which is connected to the consumption detection device ( 14 ); and
a planar antenna ( 18 ) which is closed to the radio module ( 22 ).

2. Consumption detection system ( 10 ) according to claim 1, wherein the planar antenna ( 18 ) within a non-metallic housing cover ( 16 ) of a consumption detection device ( 14 ) is placed.

3. consumption detection system ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the consumption detection device ( 14 ) is attached to a wall ( 12 ), and the main radiation direction of the planar antenna ( 18 ) is oriented perpendicularly away from the wall.

4. The consumption detection system ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the planar antenna ( 18 ) is an inverted-F antenna.

5. consumption detection system ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein a metal surface of the consumption detection device ( 14 ) represents the ground surface ( 26 ) of the planar antenna ( 18 ).

6. consumption recording system ( 10 ) according to any one of claims 1 to 4, wherein the planar antenna ( 18 ) has its own ground plane ( 24 ).

7. The consumption recording system ( 10 ) according to claim 6, in which the radio module ( 22 ) and the planar antenna ( 18 ) are realized on the same substrate ( 40 ).

8. consumption detection system ( 10 ) according to any one of the preceding claims, wherein the consumption detection device ( 14 ) is a gas meter.