CN105957319B

CN105957319B - 微功率无线抄表方法

Info

Publication number: CN105957319B
Application number: CN201610270536.4A
Authority: CN
Inventors: 薛月兵; 薛海军; 黄本同; 刘炎平
Original assignee: Shenzhen Three Communication Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Three Communication Co Ltd
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2019-01-29
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: CN105957319A

Abstract

一种微功率无线抄表方法，包括：主辅节点间的通信使用信道组A，从节点和主辅节点间通信使用信道组B；主辅节点将每次与每个从节点的通信数据、帧场强、丢包率等信息上传到主站，主站根据上传的所述信息统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径；主节点采用两个工作频点不同的微功率无线模块，一个用于接收从节点的数据，一个用于发送数据给从节点，当接收模块接收到相关从节点的数据时，主节点结束本轮通讯；当批量读取从节点数据时，由主节点发抄表广播帧，当所有的主辅节点发抄表广播帧完成后，主辅节点进入接收状态。本发明采用多信道组和TDMA相结合的通信方法，可以减少通讯冲突，提高通信成功率，减少电池能量消耗，降低硬件成本。

Description

微功率无线抄表方法

技术领域

本发明涉及微功率无线通讯领域，特别涉及一种微功率无线抄表方法。

背景技术

随着物联网的发展，微功率无线(LPR，Low Power Radio)通信技术在AMR(自动抄表)领域的应用越来越广泛，其现场施工简单、成本低的优点得到用户的认同。

微功率无线网络是实现信息汇聚、传输、交互的通信网络的最后1公里。其覆盖范围有限，发射功率受到国家无线电管理的严格限制。微功率无线网络可组成星型网络、树形网络或者MESH网状网络，网络的具体构架由中心节点确定。

微功率无线通信技术用于抄表，有以下特点：网络规模较大，节点数量达到几百甚至几千；主节点和子节点位置固定，通信链路相对稳定；通信速率要求不高；通信覆盖范围越大越好。

现有的无线抄表方法多采用基于IEEE802.15.4、GB/T15629.15、GB/T26790.1、zigbee、等自组网的无线网络协议，通过主节点和从节点之间的自协商多跳网络，或者通过指定路由的集中器-采集器/中继器/无线表–无线表多级传输方式来实现在集中器和无线表之间的数据传输。

常用的组网方法需要主节点周期性的发出数据以确定微功率无线网络中各个设备的最佳路径，从节点周期性唤醒并响应主节点的网络维护命令。该组网方法适用于功耗要求不高的场合，如电力抄表；不适用于功耗要求很高的场合如水表、气表的自动化抄表，一般要求1节电池能工作8年以上。常见的方法：通过指定抄表时间窗口来实现。这样的方法无法实时操作从节点，同时对从节点的时钟准确性和功耗等都提出了较高的要求，主节点需要一个较为复杂的过程才能计算出到从节点的最优路径，当网络节点数量超过一定数量时，这一过程相当耗时，功耗会明显增大，系统的稳定性和可靠性也会变差。

当网络规模大到一定程度时，常用的信道冲突检测算法CSMA-CA会失效。如：当主节点位于中间，从节点A和B位于2侧，从节点A无法判断另一个从节点B是否在使用信道通信，当A、B在某时刻都给主节点发送数据时，会导致通信失败。

发明内容

本发明提供了一种微功率无线抄表方法，其可以减少通讯冲突，提高通信成功率，减少电池能量消耗，降低硬件成本。

为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种微功率无线抄表方法，包括：主站和主节点间采用GPRS通信，主辅节点间使用LPR微功率无线通信，从节点与主辅节点间使用LPR微功率无线通信；主辅节点间的通信使用信道组A，从节点和主辅节点间通信使用信道组B；主辅节点将每次与每个从节点的通信数据、帧场强、丢包率等信息上传到主站，主站根据上传的所述信息统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径；主辅节点与从节点通信时，当从节点的唤醒周期加上数据通讯时间小于5秒时，设定前导码发送时长稍大于从节点的唤醒周期以有效唤醒从节点，且主节点采用两个工作频点不同的微功率无线模块，一个用于接收从节点的数据，一个用于发送数据给从节点，当接收模块接收到相关从节点的数据时，主节点结束本轮通讯；当批量读取从节点数据时，由主节点发抄表广播帧，广播帧包括前导码、地址信息、网络ID、批量抄表命令码、网络(节点)规模、当前时间、启动时间和结束时间等信息，当所有的主辅节点发抄表广播帧完成后，主辅节点进入接收状态；当批量读取从节点数据时，从节点收到批量抄表命令码后，根据接收到的无线信号场强，优先选取信号场强度强的主辅节点作为发送数据的目的地址；从节点根据自己的短地址和启动时间的信息，自动计算自己的发送时间槽，然后在合适的时间内将通信数据发给主辅节点；当批量读取从节点数据时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果主辅节点都具备GPRS和主站通信，那么主辅节点自动上传从节点的信息通到主站；当主站点抄或控制某个从节点时，当主辅节点都具备GPRS通信功能时，主站根据上传的信息，自动统计分析并得出最优的路径，将通信信息发到对应的主辅节点，由主辅节点转发到对应的从节点上，从节点将要回的信息发给对应的主辅节点，主辅节点把信息转发到主站；当主站点抄或控制某个从节点时，当主辅节点都具备GPRS通信功能时，如果只有主节点具备GPRS通信功能，则主站根据上传得信息，自动统计分析计算出最优路径，主站将通信信息和最优路径信息发给主节点，主节点根据路径信息选择合适的目的地址转发信息，以此类推直到从节点。

优选地，当批量读取从节点数据时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果只有主节点具备GPRS和主站通信，那么主节点根据配置的辅节点地址，下发上传命令到辅节点，辅节点收到命令后上传收到的从机信息，主节点转发到主站，主节点记录相应的辅节点信息。

优选地，网络工作信道组号的确定与设置方法如下：(A)主站根据安装位置和现场收集的无线底噪信息，确定可用的信道组，并根据地图判断周边有无相同的网络在工作，最后人工或自动生成可用的信道组号；(B)主站生成的信道组号可以远程或本地配置到主、辅节点；(C)从节点在安装前通过红外接口设置必要的参数，如：网络ID，网络短地址(从节点PN号)、工作信道组号等信息。

本发明采用多信道组和TDMA相结合的不需组网的通信方法，可以减少通讯冲突，提高通信成功率，减少电池能量消耗，降低硬件成本。

附图说明

图1示意性地示出了信道组使用示意图；

图2示意性地示出了主/辅节点与从节点通信流程；

图3示意性地示出了主/辅节点与从节点通信过程；

图4示意性地示出了双无线模块主/辅节点与从节点通信流程；

图5示意性地示出了只有主节点广播抄表过程；

图6示意性地示出了有主节点和辅节点的抄表过程；

图7示意性地示出了主辅节点间通信过程；

图8示意性地示出了主站与从节点通信过程A；

图9示意性地示出了主站与从节点通信过程B。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明特别适用于基于电池供电的微功率通信，如水表、燃气表集抄等，主要针对基于电池供电的微功率无线网络的特点和存在的问题，提出一种采用多信道组和TDMA相结合的不需组网的通信方法，可以减少通讯冲突，提高通信成功率，减少电池能量消耗，降低硬件成本。

本方法的要点如下：

1、系统主要由主站(抄表平台)、主节点(具有：路由、网关、协调器功能)，辅节点(具有：路由、网关功能)和从节点(表/终端)组成。主站和主节点间采用GPRS通信，主辅节点间使用LPR微功率无线通信，从节点与主辅节点间使用LPR微功率无线通信，辅节点可以具备GPRS通信功能直接和主站通信。主站能记录和主节点的通信信息，根据这些信息分析出主、辅节点和从节点的路径关系及主站与从节点的通信路径。

2、为了减小从节点的功耗，减少碰撞,提高通信成功率，系统采用信道组的方式，即上行和下行工作在不同的中心频点上。一个网络内使用2个信道组，即主辅节点间的通信在信道组A，从节点和主辅节点间通信在信道组B。如图示例：从节点使用上行471MHz，下行475MHz的中心频点信道组A；辅节点与主节点使用上行473MHz，下行477MHz的中心频点信道组B。

3、在通信过程中的某个时刻和某个中心频点上，网络中只有1个节点在发送数据，从而避免了通信冲突。

4、从节点与主辅节点间没有组网过程，也就没有网络维护的过程，可以降低各节点的功耗。主辅节点将每次和每个从节点的通信数据、帧场强、丢包率等信息上传到主站。主站根据上传的通信信息，统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径。主辅节点与主站的报文格式如下：

与主站通信报文格式

数据域报文格式

说明：校验和，从帧起始符开始到校验和之前的所有各字节的二进制算术累加，不计超过1字节的溢出值，从节点报文的第33字节为帧场强信息。

5、主辅节点与从节点通信

A)当从节点的唤醒周期加上数据通讯时间小于5秒时，可以设定前导码发送时长稍大于从节点的唤醒周期就可以有效唤醒从节点；

B)当从节点的唤醒周期超过5秒，主节点应能唤醒从节点；

C)设前导时间2s，有效通信时间不大于1s，从机唤醒周期为6s，起始时间为T0，为了能唤醒从节点，主节点发送数据：第一次起始为T0，第二次起始时间为T0+4s，第三次发送数据的起始时间为T0+8s；第四次起始时间为T0+13s，第五次起始时间为T0+17s。经过上述5次或者前3次发数据，从机可以有效地接收到主节点的数据。

D)设前导时间2s，有效通信时间不大于1s，从机唤醒周期为8s，起始时间为T0，为了能唤醒从节点，主节点发送数据：第一次起始为T0，第二次起始时间为T0+4s，第三次发送数据的起始时间为T0+10s；第四次起始时间为T0+14s。经过上述4次发数据，从机可以有效地接收到主节点的数据。

E)提高通信效率，主节点采用2个微功率无线模块，一个用于接收从节点的数据，一个用于发送数据给从节点，2个模块的工作频点不同，当接收模块接收到相关从节点的数据时，主节点结束本轮通讯。

6、批量读取从节点数据的通信过程：

A)由主节点发抄表广播帧，帧的内容包括：前导码、地址信息、网络ID、批量抄表命令码、网络(节点)规模、当前时间、启动时间和结束时间等信息。

报文格式如下表：

批量抄表命令报文格式

载荷格式

B)由主节点依次通知辅节点发抄表广播帧。当所有的主辅节点发抄表广播帧完成后，主辅节点进入接收状态。

C)从节点收到批量抄表命令后，根据接收到的无线信号场强，优先选取信号场强度强的主辅节点作为发送数据的目的地址。从节点根据自己的短地址和启动时间的信息，自动计算自己的发送时间槽，然后在合适的时间内将通信数据发给主辅节点。

从节点时间槽分配

起始时间t0	t0+(0.5)×T	t0+(1.5)T		t0+(N-0.5)T
						PN＝1从节点上传	PN＝2从节点上传	…	PN＝N从节点上传

D)所有的从节点与主辅节点通信结束后，当主辅节点都具备GPRS和主站通信时，主辅节点自动上传从节点的信息通到主站。只有主节点具备GPRS和主站通信时，主节点根据配置的辅节点地址，下发上传命令到辅节点，辅节点收到命令后上传收到的从机信息，主节点转发到主站，主节点记录相应的辅节点信息。

7、主站点抄或控制某个从节点的通信过程

A)当主辅节点都具备GPRS通信功能时，主站根据上传的信息，自动统计分析并得出最优的路径，将通信信息发到对应的主辅节点，由主辅节点转发到对应的从节点上。从节点将要回的信息发给对应的主辅节点，主辅节点把信息转发到主站。

B)只有主节点具备GPRS通信功能时，主站根据上传得信息，自动统计分析计算出最优路径，主站将通信信息和最优路径信息发给主节点，主节点根据路径信息选择合适的目的地址转发信息，以此类推直到从节点。

8、网络工作信道组号的确定与设置

A)主站根据安装位置和现场收集的无线底噪信息，确定可用的信道组，并根据地图判断周边有无相同的网络在工作，最后人工或自动生成可用的信道组号。

B)主站生成的信道组号可以远程或本地配置到主、辅节点。

C)从节点在安装前通过红外接口设置必要的参数，如：网络ID，网络短地址(从节点PN号)、工作信道组号等信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微功率无线抄表方法，其特征在于，包括：

主站和主节点间采用GPRS通信，主辅节点间使用LPR微功率无线通信，从节点与主辅节点间使用LPR微功率无线通信；

主辅节点间的通信使用信道组A，从节点和主辅节点间通信使用信道组B；

主辅节点将每次与每个从节点的通信数据、帧场强、丢包率信息上传到主站，主站根据上传的所述信息统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径；

主辅节点与从节点通信时，当从节点的唤醒周期加上数据通讯时间小于5秒时，设定前导码发送时长稍大于从节点的唤醒周期以有效唤醒从节点，且主节点采用两个工作频点不同的微功率无线模块，一个用于接收从节点的数据，一个用于发送数据给从节点，当接收模块接收到相关从节点的数据时，主节点结束本轮通讯；

当批量读取从节点数据时，由主节点发抄表广播帧，广播帧包括前导码、地址信息、网络ID、批量抄表命令码、网络(节点)规模、当前时间、启动时间和结束时间信息，当所有的主辅节点发抄表广播帧完成后，主辅节点进入接收状态；

当批量读取从节点数据时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果主辅节点都具备GPRS和主站通信，那么主辅节点自动上传从节点的信息通到主站；

当批量读取从节点数据时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果只有主节点具备GPRS和主站通信，那么主节点根据配置的辅节点地址，下发上传命令到辅节点，辅节点收到命令后上传收到的从节点信息，主节点转发到主站，主节点记录相应的辅节点信息；

当主站点抄或控制某个从节点时，如果主辅节点都具备GPRS通信功能，那么主站根据上传的信息，自动统计分析并得出最优的路径，将通信信息发到对应的主辅节点，由主辅节点转发到对应的从节点上，从节点将要回的信息发给对应的主辅节点，主辅节点把信息转发到主站；

当主站点抄或控制某个从节点时，当主辅节点都具备GPRS通信功能时,主站选择合适的主辅节点,主辅节点将信息转发给相关从节点；如果只有主节点具备GPRS通信功能，则主站根据上传得信息，自动统计分析计算出最优路径，主站将通信信息和最优路径信息发给主节点，主节点根据路径信息选择合适的目的地址转发信息，以此类推直到从节点。

2.根据权利要求1所述的微功率无线抄表方法，其特征在于，当批量读取从节点数据时，从节点收到批量抄表命令码后，根据接收到的无线信号场强，优先选取信号场强度强的主辅节点作为发送数据的目的地址；

从节点根据自己的短地址和启动时间的信息，自动计算自己的发送时间槽，然后在合适的时间内将通信数据发给主辅节点。

3.根据权利要求1所述的微功率无线抄表方法，其特征在于，网络工作信道组号的确定与设置方法如下：

(A)主站根据安装位置和现场收集的无线底噪信息，确定可用的信道组，并根据地图判断周边有无相同的网络在工作，最后人工或自动生成可用的信道组号；

(B)主站生成的信道组号能够远程或本地配置到主、辅节点；

(C)从节点在安装前通过红外接口设置必要的参数，如：网络ID，网络短地址(从节点PN号)、工作信道组号信息。