CN103944648A - 一种基于管道声波通信的系统装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于管道声波通信的系统装置和方法，特别是用于水、气、热力计量量采集的系统装置和方法，是用声波通过流体管道传送信息，并通过水、气、热力计量量计量节点利用管道中的流体发电和利用管内外温差发电，使整个装置不需要外部电源，不需要安装通信线路，也不需要更换电池，有很好的安装维护特性。本发明可以广泛用于通过管道输送的水、气、热力的场合进行远方数据采集。

Description

一种基于管道声波通信的系统装置和方法

技术领域

一种基于管道声波通信的系统装置和方法，特别是用于水、气、热力数据采集管理的装置和方法。

背景技术

用管道输送物理量的场合如供水、供气、供热等场合要实现用水量、用气量、用热量的数据采集和管理，往往很困难。原因是：

(1)安装水、气、热力等计量表计的地方往往无市电提供或者出于对安全的考虑不希望用市电，而使用电池(包含可充电电池)有个维护问题。

(2)环境屏蔽，无线信号弱，无法使用小无线通信技术。

(3)通常安装带管道设备的建筑物都建有单独的工作间，使用有线方式安装通信线路也十分困难。

这些原因都造成水、气、热数据采集技术推广困难。

公知技术一般都采用既能供电又能通信的M-BUS数据总线，用有线的方式将水、气、热力智能计量仪表连接起来进行通信。现在节水、节气、节能成为一种国策。水、气、热的数据采集多数还是靠人工抄表。远方数据采集多数用M-BUS穿线连接，利用M-BUS既能供电又能通信的优点，但这种办法改造工程巨大，维护工程量也巨大，影响了它的推广。

发明内容

本发明的目的是发明一种装置和方法，不用很大的工程投入，不用安装通信线路，只需在有流体管道的流体物理量计量表计的安装处，安装上本发明的装置或者使用本发明的方法就可以实现水、气、热等计量数据的远方采集和管理。

本发明是这样实现的：输送水、气、热等流体的场合都有管道相连接，在用户侧的水、气、热等计量表计(以下简称计量节点)处安装智能终端；选择一个方便安装又能通过管道声波通信的地方安装集中器或者中继器。在这里：

智能终端是至少包含有下述功能单元的智能装置：

a、拥有被系统识别的通信地址码；

b、有读取管道中流体计量量读值的“中央处理单元”，智能终端的通信地址码可以认定为该计量节点的地址，而智能终端中的计量量读值即为该计量节点的计量量读值。计量量是指要计量的物理量的使用数值，比如计量用水量的吨数，计量用气量的立方数，计量热量的大卡数等；

c、“中央处理单元”能够按照(集中器能够解释的)通信协议对要进行通信的数据信息进行调制，生成“发送电信号数据包”；

d、有将“发送电信号数据包”换能为声波信息包向流体管道发送的电声换能器。

集中器是至少包含有下述功能单元的智能装置：

a、设计安装有与远方主站进行双向通信的通信单元。通信单元的一个实施例是GPRS等公用无线信道；通信单元的一个实施例是光纤信道。

b、设计安装有能接收经流体管道发送的、来自智能终端或中继器声波信号的电声换能器；

c、电声换能器接收到来自智能终端或中继器声波信号后，集中器有“中央处理单元”能够按照集中器、中继器、智能终端共同约定的通信协议，将电声换能器输出的信息包解调出智能终端发出的“发送电信号数据包”，并对该信息包进行处理。

本发明装置中使用的中继器是一种选择性使用的装置。它在接收到来自智能终端、集中器、另一级中继器的声波信息包后，只在根据协议需要转发时，才自动按设计的协议进行转发。它在集中器与智能终端通信良好时是不一定需要的，是一种根据实际需要选择的装置。中继器既可以独立设计为一种设备，也可以直接由智能终端(第二功能)“虚拟”实现。下述给中继器的定义，包含独立的中继器和由智能终端“虚拟”的中继器二种形式的装置。

中继器是至少包含有下述功能单元的智能装置：

a、设计安装有能接收来自智能终端、集中器、另外中继器声波信息包的通信单元。

b、中继器的处理单元在接收到声波信息包后，能根据约定的通信协议，在需要转发时自动按设计的协议进行信息包转发。

c、信息包转发也用声波通过电声换能器转发。

本发明有二种工作模式：一种是以集中器为主动方工作模式，另一种是智能终端为主动方工作模式。

智能终端为主动方工作模式是这样工作的：智能终端向集中器发送信息不是根据集中器发送过来的指令发送，而是根据协议由智能终端主动向集中器发送。智能终端至少会设计“当前计量量读值”和“已经上传计量量读值”贮存单元。智能终端至少会完成下述工作任务：在巡查“当前计量量读值”时，发现“当前计量量读值”和“已经上传计量量读值”相比不一致时，智能终端会自动通过管道声波信道上传“当前计量量读值”到集中器并把“当前计量量读值”保存到“已经上传计量量读值”贮存单元中。确认“当前计量量读值”已经上传到集中器的一个实施例是，集中器在正确收到信息包后会自动发送一个应答信息包。

集中器为主动方工作模式：在这种模式下，集中器总是首先发起通信、首先发送带指令的信息包，智能终端根据接收到的集中器信息包中的指令作出通信响应。

本发明中，智能终端与集中器之间的通信：通过管道使用声波进行通信。集中器、智能终端和中继器中都有将电信息包转换为声波信号的电声换能器。电声换能器紧贴流体管道，声波信号由电声换能器传输到管道，又经管道传输到有管道连接的远方。集中器、中继器和智能终端都包含有采集管道中声波信号并将声波信号转换为电信号的电声转换器。电声转换器的一个实施例是带电极的压电陶瓷装置，它既可以发送声波也可以接收声波；电声转换器的另一个实施例是带电控端的磁致伸缩装置；专门用于声波接收的电声转换器的一个实施例是一种电容式话筒。电声转换器在接收到来自流体管道的声波信号并转换为电信号后至少要进行下述处理：

(1)滤波。将不是有用信息频率段的干扰波、杂波滤掉；

(2)对信号强度进行自动调整。电声转换器将接收到的声波信号转换为电信号后，电信号送解调器处理前不仅要进行滤波处理，还需要对信号强度进行增益自动调节：当接收信号太弱时，要将信号放大到适合处理的幅度；当接收信号太强时，要将信号衰减到适合处理的幅度。信号放大倍数和衰减倍数由输出幅度反馈实现。通过自动调整获得最佳信号幅度送解调器解调出需要的信息包。

本发明的方法，至少有：

(1)制定集中器、中继器、智能终端都能进行相互通信的通信协议和技术规范，确定声波频率、调制方式和通信协议；

(2)安装有能向流体管道发送声波信号和能接收流体管道声波信号并将其转换为电信号的电声换能器。

本发明采用声波信号由流体管道传送，而流体计量器具安装的地方都有管道，因此用本发明的方法解决这类场合的通信和信息管理优势明显，实施方便。

具体实施方式

本发明的一个实施例，智能终端本身可有设计有管道内流体计量量的计量装置，计量量的计量装置也可以是智能终端外部的独立设备。智能终端有使用管道内流体流动作动力的发电机；另一个实施例是利用管道内的温度与外部温度不一致，由温差发电半导体元件发电。发电机发出的电能或由温差发电元件提供的电能，经过蓄能元件后供智能终端使用。蓄能元件的一个实施例是大容量的电容(法拉级)。智能终端在电源电压足够时会根据设定的程序去读取“当前计量量的读值”，同时和“已经上传计量量读值”进行比较，如果数值已发生变化，智能终端就根据程序，将“当前计量量读值”通过电声换能器以声波形式经流体管道上传给集中器，并在上传成功后将“当前计量量的读值”保存到“已经上传计量量读值”贮存单元中。作为一个实施例，计量量的计量装置可以在无电源的情况下计量，而计量量的字轮或显示器在有电源时可以直接读取计量量读值。由于管道内的流体不一定总在流动，但在计量量使用时总会有管内流体的流动，流体流动时发电机就会发电；而流体有流动才会有计量量的计量，才会有数据要上传给集中器，而这段时间正好是发电机有电能输出的时候。在这整个过程中，首先工作电源来自流体流动，不需要外部电源和电池，有电池时也只是备用和补充；其次，通信信道是自身管道。于是使用本发明的装置和方法，只需在计量装置处安装本发明的智能终端和流体驱动发电机(一个实施例，发电机和智能终端是一体化的)就能实现计量量的数据采集和上传。由于智能终端在计量量读值有改变时就会将“当前计量量读值”上传到集中器中，因此集中器中贮存的每个智能终端的计量量读值，实际上就是每个智能终端所管理计量节点的实际读值。在这种情况下，远方主站要读取每个智能终端计量量读值，只需要将集中器中保存的对应智能终端的计量量读值上传远方主站就可以实现。

本发明的装置和方法，不仅安装、实施起来非常简单方便，而且长寿命、运行维护工作量小，可以广泛用于水、气、热力的数据采集。

发明的进一步说明

一种基于管道声波通信的系统装置，至少有管理一片区的集中器、有能接收发送信息的智能终端、有智能终端与集中器间进行通信的信道，其特征是：

a.智能终端与集中器之间的通信在发送时是将发送信息调制为电信号后经换能器换能为声波信号再经过管道传送的，

b.智能终端与集中器之间的通信在接收时是将来自管道的声波信号换能为电信号再解调为通信信息供智能终端或集中器处理器使用，

c.发送信息换能器和接收信息换能器有两者合一的一体化换能器和两者分体的分体化换能器两种形式。

一种基于管道声波通信的系统装置的智能终端，其特征是：智能终端的电源是由流经管道的水、气、热力流体作为驱动力的发电机提供或补充的。

一种基于管道声波通信的系统装置的的智能终端，其特征是：

a、智能终端装有计量量字轮直读电路和装置，

b、在电源满足工作条件时，智能终端会按程序读取计量量字轮读值，当“当前计量量读值”和“已经上传计量量读值”相比发生变化后，智能终端会自动通过管道声波信道上传“当前计量量读值”到集中器并把“当前计量量读值”保存到“已经上传计量量读值”贮存单元中。

一种基于管道声波通信的系统装置中将调制后的电信号换能为声波信号再经过管道传送和接收来自管道的声波信号换能为电信号再解调为通信信息供智能终端或集器装置的特征是：在“中央处理单元”和管道之间有电声换能装置。

一种基于管道声波通信的系统装置中的电声换能装置，其特征是：电声发送装置是压电陶瓷头(片)，电声接收装置是音频接收器。

一种基于管道声波通信的系统方法，至少有以下包括步骤和特征步骤：

第一包括步骤，在系统中至少安装有管理一片区的集中器、有能接收发送信息的智能终端、有智能终端与集中器间进行通信的管道信道，

第二特征步骤，将智能终端和集中器的通信单元中电声换能器在发送时是将发送信息调制为电信号后经换能器换能为声波信号再经过管道传送到对方，智能终端和集中器的通信单元中电声换能器在接收时是将来自管道的另一方声波信号换能为电信号再解调为通信信息供智能终端处理器或集中器处理器。

一种基于管道声波通信的系统方法，至少有以下特征步骤：

第一特征步骤，在智能终端处安装由管道内物理量流动时能发电的发电机，发电机发出的电，经贮能后供智能终端工作时使用，

第二特征步骤，在智能终端处安装计量量字轮直读电路和装置，

第三特征步骤，在智能终端电源满足工作条件时，由智能终端设计的程序读取计量量字轮读值，然后比较当前计量量读值和“已经上传计量量读值”，如果相比读值已不一样，智能终端就自动通过管道声波信道上传当前计量量到集中器并把当前计量量读值保存到“已经上传计量量读值”贮存单元中。

一种基于管道声波通信的系统方法，至少有以下特征步骤：在“中央处理单元”和管道之间安装有电声换能装置。

Claims (8)

1.一种基于管道声波通信的系统装置，至少有管理一区域的集中器、有能接收发送信息的智能终端、有智能终端与集中器间进行通信的信道，其特征是：

a.智能终端与集中器之间的通信在发送时是将发送信息调制为电信号后经换能器换能为声波信号再经过管道传送的，

b.智能终端与集中器之间的通信在接收时是将来自管道的声波信号换能为电信号再解调为通信信息供智能终端或集中器中的处理器使用，

c.发送信息换能器和接收信息换能器有两者合一的一体化换能器和两者分体的分体化换能器两种形式。

2.根据权利要求1所述的智能终端，其特征是：智能终端的电源是由流经管道的水、气、热力流体作为驱动力的发电机提供或补充的。

3.根据权利要求1所述的装有物理量计量装置的智能终端，其特征是：

a、智能终端装有计量量字轮直读电路和装置，

b、在电源满足工作条件时，智能终端会按程序读取计量量字轮读值，当“当前计量量读值”和“已经上传计量量读值”相比不一致后，智能终端会根据设定的程序通过管道声波信道将“当前计量量读值”及其他必要信息传送到集中器，并把“当前计量量读值”保存到“已经上传计量量读值”贮存单元中。

4.根据权利要求1所述将调制后的电信号换能为声波信号再经过管道传送和接收来自管道的声波信号换能为电信号再解调为通信信息供智能终端或集中器装置的特征是：在“中央处理单元”和管道之间有电声换能装置。

5.根据权利要求4所述电声换能装置，其特征是：电声发送装置是压电陶瓷头(片)，电声接收装置是音频接收器。

6.一种基于管道声波通信的系统方法，至少有以下包括步骤和特征步骤：

第一包括步骤，在系统中至少安装有管理一区域的集中器、有能接收发送信息的智能终端、有智能终端与集中器间进行通信的管道信道，

第二特征步骤，将智能终端和集中器的通信单元中电声换能器在发送时是将发送信息调制为电信号后经换能器换能为声波信号再经过管道传送到对方，智能终端和集中器的通信单元中电声换能器在接收时是将来自管道的另一方声波信号换能为电信号再解调为通信信息供智能终端处理器或集中器中处理器处理。

7.根据权利要求6所述系统方法，至少有以下特征步骤：

第一特征步骤，在智能终端处安装由管道内物理量流动时能发电的发电机，发电机发出的电，经贮能后供智能终端工作时使用，

第二特征步骤，在智能终端处安装计量量字轮直读电路和装置，

第三特征步骤，在智能终端电源满足工作条件时，由智能终端设计的程序读取计量量字轮读值，然后比较“当前计量量读值”和“已经上传计量量读值”，如果相比读值已不一样，智能终端就按设定程序通过管道用声波信道上传当前计量量到集中器并把“当前计量量读值”保存到“已经上传计量量读值”贮存单元中。

8.根据权利要求6所述系统方法，至少有以下特征步骤：在“中央处理单元”和管道之间安装有电声换能装置。