CN106128084A - 无线抄表方法及系统 - Google Patents

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刘利方
罗亚辉
胡文武
蒋蘋
康江
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Abstract

本发明公开了一种无线抄表方法及系统，以构成多通道的无线抄表系统并避免表计被频繁唤醒而影响功耗。本发明公开的无线抄表方法包括：表计与采集器或集中器之间的第一链路采用第一频点进行无线通信；表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信；采集器之间及采集器与集中器之间的第三链路采用第三频点进行无线通信。

Description

无线抄表方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线抄表方法及系统。
背景技术
传统的人工入户抄表方式，弊端众多，人力工作强度大，效率低，管理成本高，存在读数误差等，随着无线传感器网络的出现和发展，将无线传感器网络技术应用于抄表系统得到广泛的研究和应用，使用无线抄表的方式可以有效解决人工入户抄表的弊端。
目前在水表、气表等远程抄表行业中，进行远程无线抄表是众所周知的一大难题。因为没有市电，只能采用电池进行供电，而目前应用得较多的是采用基于FSK的433/470MHz频段的微功率无线技术，利用CC1100或SI1000射频模块，构成单通道的无线抄表系统。但是是这种单通道的无线抄表系统容易受到环境干扰影响，抗干扰能力差、传输距离有限、通讯链路繁杂，以致通讯稳定性差。
发明内容
本发明目的在于公开一种无线抄表方法及系统，以构成多通道的无线抄表系统并避免表计被频繁唤醒而影响功耗。
为实现上述目的，本发明公开一种无线抄表方法，包括：
表计与采集器或集中器之间的第一链路采用第一频点进行无线通信；
表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信；
采集器之间及采集器与集中器之间的第三链路采用第三频点进行无线通信。
为实现上述目的，本发明还公开一种无线抄表系统，包括以无线方式传输数据的表计，还包括采用无线方式通信的采集器和集中器，其中，表计与采集器或集中器之间的第一链路采用第一频点进行无线通信；表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信；采集器之间及采集器与集中器之间的第三链路采用第三频点进行无线通信。
本发明具有以下有益效果：
采集器与采集器和集中器之间的第三链路，以及采集器与表计之间的第一和第二链路，由于各链路组成的多通道采用不同的频点进行数据报文的传输，从而可以有效避免表计被误唤醒，进而达到节约表计功耗的效果。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的无线抄表系统组网结构图；
图2是本发明实施例公开的集中器和采集器混合组网的结构图；
图3是本发明实施例公开的表计及集中器和采集器的部分结构图。
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。
实施例1
本发明实施例首先公开一种无线抄表方法，该方法应用于集中器和采集器混合组网的系统中。该系统中，集中器、采集器及表计采用无线方式通信，相应的组网结构如图1所示，其中采集器和集中器都可以作为某个子网的网关，负责收集该子网内的表计数据；而在集中器和采集器之间网络拓扑图中，如图2所示，集中器可视为整个系统的网关，而各采集器根据与网关之间的跳数分别确定各自在该系统中隶属于哪级节点。
在本实施例公开的无线抄表方法中，采用多通道、多频点的通信方式。具体包括以下三方面：
一方面，表计与采集器或集中器之间的第一链路采用第一频点进行无线通信。
一方面，表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信。
一方面，采集器之间及采集器与集中器之间的第三链路采用第三频点进行无线通信。
其中，上述第一、第二及第三频点采用的是不同的频点，第一频点可用于唤醒表计及表计被唤醒之后的通信，可用于实现抄表、阀控、远程预付费等功能；第二频点用于表计主动上报数据，例如：疑似漏气，欠费关阀等事件出现时，应及时上报；第三频点则用于集中器和采集器之间的组网及数据传输，各频点分工明确，从而可以有效避免表计被误唤醒，进而达到节约表计功耗的效果。
随着居民生活水平的不断提高，人们的安全意识越来越高，对公用事业服务要求也越来越高，一些新的需求也逐步提出。比如许多燃气公司提出无线远传燃气表应支持事件主动上报，比如当检测到燃气表疑似漏气，客户欠费关阀等事件出现时，表计应立即主动上报异常事件至后台抄表系统，以及时通知燃气公司和用户采取相应措施。而采用传统的周期性唤醒抄表的无线抄表系统，由于在实时性上存在先天缺陷，故很难满足上述需求，而在本实施例第二频点的作用下，即可有效的解决该问题。
在实际的应用中，考虑第一频点传送数据和第二频点传送数据的时间可以错开，为了节约资源及简化系统各节点的设计，上述的第一链路和第二链路可以为同一链路。
在本实施例公开的无线抄表方法中，优选的，表计采用电池供电，采集器与集中器采用市电供电。藉此，则，采集器与集中器不用考虑低功耗，表计不用实现数据的中继转发，实现简单，功耗易于控制。在具体实现时，如图3所示，在表计端采用一个SX1276模块，唤醒和唤醒后的通信频点为f0，主动上报频点f1；在集中器及采集器端，采用2个SX1276模块A和B；模块B一方面用来和表计通信，唤醒表计和唤醒后通信频点为f0，另一方面用来和采集器和集中器通信，发送和接收频点都为f2；模块A仅用于接收表计主动上报数据，频点为f1。
由于表计上报数据是随机的，对应的集中器或采集器端须时时等待，在资源允许情况下，该集中器或采集器可以设置2个以上模块，并设定不同接收频率，供表计端随机选择，这样可进一步减少碰撞几率。
模块A用于集中器与采集器收发通信(频率为f2)和与表计通信(频率为f0)。正常情况下模块A用f2与采集器通信，当集中器/采集器需与表计通信或需响应表计上报信息时集中器主动临时切换频率至f0。
目前市场上的常见无线抄表系统，大多采用周期性睡眠唤醒机制，使节点在不工作的情况下进入周期性睡眠唤醒状态，以延长节点电池使用寿命。目前较常用的唤醒模式有主动唤醒机制、异步唤醒机制和同步唤醒机制。周期性唤醒虽然一度程度上降低了功耗，但无线模块频繁周期收发数据时消耗的电能占据了整个设备电量消耗的大部分，因此电池的使用寿命并没有得到有效的改善。为此，本实施例在进行抄表处理时，表计根据广播抄表命令进行数据报文发送，其中该广播抄表命令由采集器或集中器发出，具体可采用下述方案：
下行抄表采用广播抄表方案，即集中器或采集器主动发起广播抄表命令，所有表计收到广播抄表命令后，根据表计编号计算一延时时间，并在该延时时间结束后判断信道是否空闲，如果空闲，再启动数据报文的发送；若信道被占用(其典型情况是其他表计正在和集中器进行通信，可通过CAD进行检测)，则产生一随机数，例如，该随机数可以在1s-20s之间随机产生，并以该随机数循环检测信道是否空闲，待信道空闲后，再启动数据报文的发送。关于延时时间的具体计算，可等待自己表尾数后两位*300ms的延时。在同一个组网系统中，各表计的编号都是唯一的，该编号通常可作为该无线网络中的通信地址，该通信地址可手动波动相应的地址位进行设定，也可以通过系统进行远程配置。
同理，表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信时，也可以设定主动上报数据给集中器或采集器的时间，例如，表计约定每天0：15分开始，主动上报数据给集中器/采集器；并在上述设定时间到来后，根据表计编号计算一延时时间，并在该延时时间结束后判断信道是否空闲，如果空闲，再启动数据报文的发送；若信道被占用，则产生一随机数，例如，该随机数可以在1s-20s之间随机产生，并以该随机数循环检测信道是否空闲，待信道空闲后，再启动数据报文的发送。关于延时时间的具体计算，可等待表计尾数后四位*1s的延时，如表尾数为2410，则等待2410*1s＝2410s。可选的，表计可使用广播地址主动上报数据。对应的，当采集器接收到主动上报信息后，不存储数据，采集器根据路由表转发该信息至集中器，采集器转发数据频点为f2。
本实施例中，采集器与集中器之间的组网路由策略包括：新加入的采集器发送注册申请帧，并等待集中器返回的注册确认帧，当该采集器与集中器之间需要其他采集器进行中继时，由中继的采集器进行注册申请帧的转发；集中器在返回的注册帧中确定该新加入采集器的跳数及主备两条路由信息。参照图2，具体的组网策略如下(其中下述所述的网关，指代的是集中器，节点指代的是采集器)：
集中器接入表计最大为4096户；最大支持网络节点数量32个(含2级和3级网络节点)，每个网络节点接入表计数为2048户。每个节点需要存储2条路由。网关存储所有节点的路由信息，节点自身也要保存主备两条(至网关)的路由，以在网络故障时，主动进行主备路由的切换。节点路由动态生成，修复。新节点主动搜寻网关并注册，只有注册到网关的节点才能进行后续通讯。
组网完成后，为了保持节点之间链路通信正常，节点之前需要有心跳机制；如果在节点之前没有通信的情况下，每隔固定时间(具体心跳周期可设置)节点之前发送一次心跳报文。
网络节点上电后第一件事是“注册”到“网关”。当节点附近有多个网关收到注册帧并回应时，节点应选择信号强度最好的网关注册。
假设某网关最多支持32个节点，那么这32个节点如何处理冲突就变得至关重要了。换句话说，由于初始状态下，所有的网络节点都没有注册到网关，那么就存在n个网络节点同时发送“注册帧”的可能，这时就要设计一种简单、有用的“冲突避让”机制来处理这个问题了。可以说一种好的“冲突避让”算法是整个组网算法的关键。
开始时，各网络节点检查自己有没有注册到相应的网关，若没有，则准备向空中发送“注册”申请帧。
发送“注册申请帧”之前，节点通过CAD(Channel Activity Detection，通道活性检测)检测链路是否空闲，若链路忙，则随机延时一段时间(1到10秒)，然后再判断链路是否忙。若链路不忙，则立即发送注册申请。
网关如果收到某一级节点的注册申请，首先判断该节点是否是非法的节点。若不是非法地址，则判断信号强度是否足够强。若链路质量足够好，则立即向该节点回应“注册确认帧”，告诉这个节点已注册成功，并告诉他距网关是第一跳节点。
节点若成功收到注册确认帧，则表示自己已注册，并记录自身距网关的跳数hop_count，以及(至网关)的路由信息。节点每15秒钟检查是否收到注册确认帧，否则就要重新发送注册申请，直到确认注册为止。
相邻节点收到其他节点的注册申请怎么办？分几种情况。第一种情况是节点已注册成功，则该节点收到的报文可能来自需要它帮助做中继转发的下一级节点，此时该节点要存储该注册帧，以便在合适的时候向上一级转发，直到到达网关为止。也就是说每个节点要有一个注册申请帧的缓存队列，该队列的注册帧是需要向上一级转发的。该缓存队列总是保存距该节点最近(如信号强度最强)的32个邻居节点的注册申请。另一种情况是节点未注册成功，即节点自身还没有至网关的路由，则此时该节点忽略其他节点的注册申请帧。
网关和邻居节点有可能同时收到某节点的注册申请帧，此时如何处理？
第一种情况，上级节点收到了子节点的注册申请帧。比如A节点(n级节点)收到了来自B节点(n+1级节点)的注册帧，A并不知道自身的上级节点n-1级节点是否也收到来自B的申请。这里也有两种情况：
第一种情况是，n-1节点(也就是A的父节点)也能直接收到B的注册申请，且链路足够好，那么B也是n级节点，可能不需要A这个同级节点(兄弟节点)做中继转发。不管怎样，这种情况下A节点和A的父节点都要存储B节点的路由信息，并转发给网关，由后者判断其B节点是否已经有足够路由信息(对于所有节点都保存两条路由信息)，若节点路由信息表已满，则不做回应，否则回应节点B的注册确认应答给节点A,节点A收到后再转发给目标节点B,目标节点自身也要保存两条到网关的路径，以实现异常事件主动上报。
第二种情况是，第n+1级节点C已经注册完成，但n级节点由于某种原因还未完成注册。假设B发出的注册帧被C收到，则C也要存储转发该注册信息，由网关判断是否这条路由信息有效。
总之，已注册成功的n级节点，对于收到的邻居节点的注册信息，不管(事实上也不可能知道)源节点是其上级，同级还是下级节点，都要存储而且转发至网关。网关必须判断n级节点转发的这条路由是否有效，或者是否比现有的2级路由更优，如果满足这两个条件，则利用该路由信息向目标节点回应注册确认帧。
存储在节点缓存中的注册帧只被转发一次，以尽可能地减少无线通信次数，降低通信冲突几率，即便该转发帧没有被网关收到。节点每隔一定的周期就会检测自身是否注册成功，否则重新发起注册流程。
综上，本实施例公开的无线抄表方法及系统，使用多通道、多频点技术，避免表计误唤醒，从而降低表计功耗，延长电池使用寿命。大部分情况下，集中器直接抄读表计数据，不需要中继和复杂的组网过程，不需要下设表计逻辑地址。表计端支持事件主动上报，如燃气表疑似漏气，欠费关阀等事件出现时，表计端主动上报，系统及时响应。通过实施本方案，在多个燃气公司进行试点，均能做到抄表成功率100％，同时表计事件主动上报成功率100％，实时性也满足用户要求。
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 (10)

1.一种无线抄表方法，其特征在于，包括：
表计与采集器或集中器之间的第一链路采用第一频点进行无线通信；
表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信；
采集器之间及采集器与集中器之间的第三链路采用第三频点进行无线通信。
2.根据权利要求1所述的无线抄表方法，其特征在于，所述第一频点用于唤醒表计及表计被唤醒之后的通信；所述第二频点用于表计主动上报数据。
3.根据权利要求2所述的无线抄表方法，其特征在于，所述第一链路与第二链路为同一链路。
4.根据权利要求1所述的无线抄表方法，其特征在于，还包括：
表计采用电池供电；
采集器与集中器采用市电供电。
5.根据权利要求1至4任一所述的无线抄表方法，其特征在于，还包括：
表计根据广播抄表命令进行数据报文发送，所述广播抄表命令由采集器或集中器发出。
6.根据权利要求5所述的无线抄表方法，其特征在于，表计接收到广播抄表命令后，并在进行数据报文发送前，还包括：
根据表计编号计算一延时时间，并在该延时时间结束后判断信道是否空闲，如果空闲，再启动数据报文的发送；若信道被占用，则产生一随机数，并以该随机数循环检测信道是否空闲，待信道空闲后，再启动数据报文的发送。
7.根据权利要求1至4任一所述的无线抄表方法，其特征在于，表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信包括：
设定主动上报数据给集中器或采集器的时间；
在上述设定时间到来后，根据表计编号计算一延时时间，并在该延时时间结束后判断信道是否空闲，如果空闲，再启动数据报文的发送；若信道被占用，则产生一随机数，并以该随机数循环检测信道是否空闲，待信道空闲后，再启动数据报文的发送。
8.根据权利要求1至4任一所述的无线抄表方法，其特征在于，采集器与集中器之间的组网路由策略包括：
新加入的采集器发送注册申请帧，并等待集中器返回的注册确认帧，当该采集器与集中器之间需要其他采集器进行中继时，由中继的采集器进行注册申请帧的转发；集中器在返回的注册帧中确定该新加入采集器的跳数及主备两条路由信息。
9.一种无线抄表系统，包括以无线方式传输数据的表计，其特征在于，还包括采用无线方式通信的采集器和集中器，其中，表计与采集器或集中器之间的第一链路采用第一频点进行无线通信；表计与采集器或集中器之间的第二链路采用第二频点进行无线通信；采集器之间及采集器与集中器之间的第三链路采用第三频点进行无线通信。
10.根据权利要求9所述的无线抄表系统，其特征在于，表计采用电池供电，采集器与集中器采用市电供电；所述第一频点用于唤醒表计及表计被唤醒之后的通信；所述第二频点用于表计主动上报数据；且所述第一链路与第二链路为同一链路。
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