CN107690095A - 一种基于低功耗传输的抄表系统及抄表方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于低功耗传输的抄表系统及抄表方法，抄表系统包括：用于采集基表数据的基表终端；采集端，所述采集端通过ISM频段连接至所述基表以接收所述基表终端上传的基表数据或者向所述基表终端发送控制指令；LPWAN基站，通过LPWAN网络与所述采集端连接，并通过广域网连接至服务器。该发明的有益效果为：通过在采集端到基表终端采用ISM频段通信，采集端到基站之间采用LPWAN网络通信，将抄表系统应用于低功率局域网及低功率广域网，不仅降低了设备成本，而且达到低功耗及布局方便的有益效果。

Description

一种基于低功耗传输的抄表系统及抄表方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于低功耗传输的抄表系统及抄表方法。
背景技术
目前抄表领域，主要指抄收电表水表气表和热量表，如果仪表带有阀门，则还需要进行反向控制。而抄表所采用的方案，大多是局域网加广域网的模式，局域网分有线和无线两种，广域网以2G通信技术为主，还包括采用3G和4G等通信方式来实现广域网通信。
目前，现有的抄表技术存在以下问题亟需解决：
1、传输功耗大导致设备成本和使用成本高。
2、现场施工时，取电难度大，但往往由于无线局域网通信条件好的地方，很难取电。或者因为电费计量和物业管理的问题，取电比较困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术中设备成本及使用成本高的问题，提供一种基于低功耗传输的抄表系统及抄表方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种基于低功耗传输的抄表系统，包括：
用于采集基表数据的基表终端；
采集端，所述采集端通过ISM频段连接至所述基表以接收所述基表终端上传的基表数据或者向所述基表终端发送控制指令；
LPWAN基站，通过LPWAN网络与所述采集端连接，并通过广域网连接至服务器。
在本发明所述的抄表系统中，所述采集端包括太阳能电池，从而使所述采集端通过太阳能电池取电。
在本发明所述的抄表系统中，还包括：
服务器，通过广域网与所述LPWAN基站连接。
在本发明所述的抄表系统中，还包括：
用于查询所述基表数据的查询终端，通过广域网与所述服务器连接。
另一方面，提供一种基于低功耗广域网及低功耗局域网的抄表方法，提供如上所述的抄表系统，包括：
采集端通过ISM频段接收基表终端上传的基表数据，和/或通过ISM频段向所述基表终端发送控制指令；
所述采集端藉由LPWAN基站向服务器发送所述基表数据，和/或所述服务器藉由LPWAN基站向所述采集端发送所述控制指令。
在本发明所述的抄表方法中，还包括：
采集端将基表终端唤醒。
在本发明所述的抄表方法中，所述采集端将基表终端唤醒，包括：
所述采集端在有通信需求时将伪随机序列码通过编码变换为唤醒比特流，然后将所述唤醒比特流调制成无线调制信号，并在预设的持续时间内，向所述基表终端连续发送所述无线调制信号，所述预设的时间大于或等于所述基表终端的休眠期和探测期之和，所述休眠期和探测期之和构成一个休眠唤醒周期；
所述基表终端在探测期接收所述无线调制信号，并将所述无线调制信号解调成唤醒比特流，然后对所述唤醒比特流进行采样和译码，并根据译码结果判断是否唤醒所述基表终端。
在本发明所述的抄表方法中，所述采集端通过ISM频段接收基表终端上传的基表数据，和/或通过ISM频段向所述基表终端发送控制指令中：
所述基表终端按照预设的频率间歇性上传所述基表数据；当所述基表终端第n1*(m1+1)次上传所述基表数据时，所述采集端于所述ISM频段内进行第一双信道探测，若所述第一双信道中的数据信道受到干扰，则将受到干扰的数据信道切换为第一空闲信道，若所述第一双信道中的数据信道未受到干扰，则采用所述第一双信道中的数据信道与所述基表终端进行通信；其中，m1为预设的相邻两次双信道探测之间单信道传输的第一次数，n1为正整数。在本发明所述的抄表方法中，所述采集端藉由LPWAN基站向服务器发送所述基表数据，和/或所述服务器藉由LPWAN基站向所述采集端发送所述控制指令中：
当所述采集端接收到所述基表终端第n2*(m2+1)次上传的基表数据时，所述采集端于LPWAN网络内进行第二双信道探测，若所述第二双信道中的数据信道受到干扰，则将受到干扰的数据信道切换为第二空闲信道，若所述第二双信道中的数据信道未受到干扰，则采用所述第二双信道中的数据信道与所述LPWAN基站进行通信；其中，m2为预设的相邻两次双信道探测之间单信道传输的第二次数，n2为正整数。在本发明所述的抄表方法中，所述采集端将基表终端唤醒中：
采用HAC动态循环码唤醒法将基表终端唤醒。
上述公开的一种基于低功耗传输的抄表系统及抄表方法具有以下有益效果：通过在采集端到基表终端采用ISM频段通信，采集端到基站之间采用LPWAN网络通信，将抄表系统应用于低功率局域网及低功率广域网，不仅降低了设备成本，而且达到低功耗及布局方便的有益效果。
附图说明
图1为本发明提供的一种抄表系统的结构示意图；
图2a为本发明提供的双信道切换m＝0的示意图；
图2b为本发明提供的双信道切换m＝4的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于低功耗传输的抄表系统100及抄表方法，其目的在于，通过在采集端2到基表终端1采用ISM频段通信，采集端2到基站3之间采用LPWAN(Low PowerWideArea Network)网络通信，将抄表系统100应用于低功率局域网及低功率广域网，不仅降低了设备成本，而且达到低功耗及布局方便的有益效果。NB-IoT为低功耗广域网(LPWAN)中的一种，LPWAN的特点有：距离远/覆盖广、基站3共享、成本相对低、功耗相对低、低带宽/低速率、大容量、接入方便等。低功耗局域网的中心节点，即采集端，也是广域网的节点。
参见图1，图1为本发明提供的一种抄表系统100的结构示意图，该抄表系统100包括基表终端1、采集端2及LPWAN基站3。
基表终端1用于采集基表数据，基表终端1主要指电表、水表、气表和热量表等。由于ISM频段传输距离远，功耗低，使用灵活，可以做到覆盖相对大，基表终端1可以使用电池长时间工作。
所述采集端2通过ISM频段连接至所述基表以接收所述基表终端1上传的基表数据或者向所述基表终端1发送控制指令；所述采集端2包括太阳能电池，从而使所述采集端2通过太阳能电池取电。采集端2也可以采用其他电池供电。
LPWAN基站3，优选的，LPWAN基站3通过NB-IoT网络与所述采集端2连接，并通过广域网连接至服务器4。NB-IoT网络为LPWAN中的一种
作为本申请的一个优选的实施例，本抄表系统100每天通信48次。
基表终端1：用于通信的平均功耗小于：10uA，双向通信的延迟小于：10s。采用ER18505电池，容量3600mAH：通信功耗：10uA，传感器功耗10uA；电池使用寿命：3600*1000/20≈21年。
采集端2：ISM端：与终端通信的平均功耗小于：40uA，LPWAN端：与基站3通信的平均功耗小于：200uA(估)。AP(采集端2)，采用ER34615电池，容量19AH：通信平均功耗：240uA，电池使用寿命：19000*1000/240≈9年。
优选的，抄表系统100还包括服务器4及查询终端5。服务器4通过广域网(互联网)与所述LPWAN基站3连接。查询终端5用于查询所述基表数据，其通过广域网(互联网)与所述服务器4连接。由于智能化和大数据的需求，且智能化要求双向通信，大数据分析需要足够多的样本，因此，通过服务器4及查询终端5将抄表系统100应用于大数据分析中，不仅可以实时获悉抄表数据，还可以预测未来的抄表数据，并将报警改为预测。而通过ISM频段通信及NB-IoT网络通信，可解决低功耗双向通信问题、高密度采样的功耗问题，更进一步降低成本，并简化终端电路。
例如，将大数据分析应用于本抄表系统100中，水表的抄表，一天获取一条数据和一月获取一条数据效果基本是一样的，仅仅只能用于收费。如果每半小时获取一次数据，则可能对供水管网的跑冒滴漏偷通过大数据进行管理，挽回损失。而查询终端5可以通过互联网查询到基表数据以及大数据分析的的数据，从而做好防范工作。
综上，本抄表系统100具有以下优点：
1、LPWAN不进水表内，降低新技术初始应用风险；
2、AP灵活安装在信号较好的位置则通信速率高，功耗低，时延短；
3、AP电池耗尽，可以不入户更换；
4、如果有通信盲点可采用手持方式补抄；
5、终端可以做到双向低功耗，高密度数据采样；
6、分摊硬件和运营成本；
7、瞬间发射电流大大减小；
8、降低硬件成本。
本申请还提供一种基于低功耗广域网及低功耗局域网的抄表方法，该方法通过上述抄表系统100实现，该抄表方法包括步骤S1-S2：
S1、采集端2通过ISM频段接收基表终端1上传的基表数据，和/或通过ISM频段向所述基表终端1发送控制指令；参见图2a-2b，图2a为本发明提供的双信道切换m＝0的示意图；图2b为本发明提供的双信道切换m＝4的示意图，所述基表终端1按照预设的频率间歇性上传所述基表数据；当所述基表终端1第n1*(m1+1)次上传所述基表数据时，所述采集端2于所述ISM频段内进行第一双信道探测，若所述第一双信道中的数据信道受到干扰，则将受到干扰的数据信道切换为第一空闲信道，若所述第一双信道中的数据信道未受到干扰，则采用所述第一双信道中的数据信道与所述基表终端1进行通信；其中，m1为预设的相邻两次双信道探测之间单信道传输的第一次数，n1为正整数。如图2a，当m1为0时(即m＝0)，每一次通信均进行双信道探测，双信道技术不同于单信道，不是简简单单的比单信道多了一个信道，而是优化了信道，有效的利用了信道。双信道是由两个子信道构成的，控制信道和数据信道。控制信道只传送控制信息，如RTS、CTS、ACK等等，而数据信道只用来传送数据分组。采用双信道可以完全避免控制信息和数据信息分组之间的冲突(减少了分组不必要的重传)和数据分组与数据分组之间的冲突，而只会发生控制分组与控制分组之间的冲突，这样可以提高网络效率。此外，为了降低通信功耗，可采用如图2b所示的双信道探测方法，当m1为4时(即m＝4)，即每五次通信则进行一次双信道探测。
S2、所述采集端2藉由LPWAN基站3向服务器4发送所述基表数据，和/或所述服务器4藉由LPWAN基站3向所述采集端2发送所述控制指令。参见图2a-2b，当所述采集端2接收到所述基表终端1第n2*(m2+1)次上传的基表数据时，所述采集端2于NB-IoT网络内进行第二双信道探测，若所述第二双信道中的数据信道受到干扰，则将受到干扰的数据信道切换为第二空闲信道，若所述第二双信道中的数据信道未受到干扰，则采用所述第二双信道中的数据信道与所述LPWAN基站3进行通信；其中，m2为预设的相邻两次双信道探测之间单信道传输的第二次数，n2为正整数。该处双信道通信的切换方法与步骤S1类似，在此不再赘述。
优选的，该抄表方法还包括步骤S0：
S0、采集端2(主设备)将基表终端1(从设备)唤醒。具体的，步骤S0包括子步骤S10及S20：
S10、所述采集端2在有通信需求时将伪随机序列码通过编码变换为唤醒比特流，然后将所述唤醒比特流调制成无线调制信号，并在预设的持续时间内，向所述基表终端1连续发送所述无线调制信号，所述预设的时间大于或等于所述基表终端1的休眠期和探测期之和，所述休眠期和探测期之和构成一个休眠唤醒周期。
S20、所述基表终端1在探测期接收所述无线调制信号，并将所述无线调制信号解调成唤醒比特流，然后对所述唤醒比特流进行采样和译码，并根据译码结果判断是否唤醒所述基表终端1。
所述伪随机序列码是预先存储的或由伪随机发生器产生，所述伪随机发生器及其译码电路用线性反馈移位寄存器实现；
所述编码单元为LFSR(LinearFeedbackShiftingRegister)编码器，译码单元为LFSR解码器，所述LFSR编码器及所述LFSR解码器的结构均可用特征多项式进行表示，且所述LFSR编码器的阶数及特征多项式与所述LFSR解码器的阶数及特征多项式分别相同；
所述根据译码结果判断是否唤醒该从设备的步骤包括：
对译码后连续输出0的个数进行计数；
判断连续输出0的个数是否超过预设的限值M，若是，则唤醒该从设备；若否，则继续保持休眠状态；
所述探测期的计算公式如下所示：
t＝(10+n+M)/S；其中(现在实际技术已经达到10比特即可)
t为探测期；
n为LFSR编码器或LFSR解码器的阶数；
M为预设的连续输出0的个数的限值；
S为无线调制信号的比特率；
所述唤醒方法还包括：从设备根据译码后的伪随机序列码在一个伪随机序列周期中的位置计算从设备从收到唤醒信号到进入正常通信状态所需等待时间Tw，在等待时间Tw未到达时，继续保持休眠状态；在等待时间到达时，则唤醒该从设备。
所述伪随机序列码最优化的序列为M序列，其它序列也可以。
主设备在将伪随机序列码通过编码变换为唤醒比特流过程中，该方法还包括：对所述伪随机序列码或比特流进行加扰；
从设备在对所述唤醒比特流进行采样和译码的过程中，该方法还包括：对所述伪随机序列码进行解扰。
主设备在进行编码或调制的环节中，对伪随机序列码或唤醒比特流取反；
从设备根据译码结果判断是否唤醒该从设备的步骤包括：
对译码后连续输出1的个数进行计数；
判断连续输出1的个数是否超过预设的限值，若是，则唤醒该从设备；若否，则继续保持休眠状态。
所述编码为不归零码、归零码或曼切斯特编码。
所述调制为幅移键控、频移键控或相移键控。
步骤S10-S20具有以下有益效果：
1.参与通信的无线通信设备间无需在时间上同步；
2.抗干扰能力强，解决了身份识别和误唤醒的问题，提高了可靠性；
3.可缩短从设备的探测期，减少从设备接收窗口时间，降低了通信系统的功耗。
此外，该抄表系统100还可以采用HAC动态循环码唤醒法将基表终端1唤醒。HAC动态循环码唤醒法简称动态码唤醒法。具体方法如下：
对于发送端，如果要唤醒目标节点，则通过编码方式产生一串连续的比特流，比特流的长度和通信波特率以及唤醒时长Ts有关。
其生成方程式：
主设备在发送唤醒序列的当前码元an时，an是根据前n个码元通过一个特定的运算得来的，这个特定的运算是由抽头C0～Cn决定的。即码元an和前面的n个码元an-1～a0具有相关性。n值称为阶。从设备则可以通过判决相关性来决定是否被唤醒。
对于从设备来说，无论其探测窗口处于主节点发送唤醒信号期间的哪个位置，其都可以从空中任意截取一小段接收到的码元进行解码，并且任何码元都可以作为起始位。当接收到n个码元后，可以开始解码，如果主设备和从设备的C0～Cn取值相同，则解码器开始连续输出0，不会输出1。输出0表示当前收到的码元，和前面的n个码元是满足约定的相关特性的，如果连续输出M个0，则认为扫描到唤醒信号，从设备被唤醒，如果接收到1，则立即退出探测，进入休眠，以节省电能。M可以根据实际应用的要求，取值8～20。实际普通应用中，阶n可以取值9～22，特殊应用中，比如高速率的情况下，n可以取得更长。
本文提供了实施例的各种操作。在一个实施例中，所述的一个或操作可以构成一个或计算机可读介质上存储的计算机可读指令，其在被电子设备执行时将使得计算设备执行所述操作。描述一些或所有操作的顺序不应当被解释为暗示这些操作必需是顺序相关的。本领域技术人员将理解具有本说明书的益处的可替代的排序。而且，应当理解，不是所有操作必需在本文所提供的每个实施例中存在。
而且，本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。奉文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件、资源等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于低功耗传输的抄表系统，其特征在于，包括：
用于采集基表数据的基表终端，所述基表终端通过电池供电；
采集端，所述采集端通过ISM频段连接至所述基表以接收所述基表终端上传的基表数据或者向所述基表终端发送控制指令；
LPWAN基站，通过LPWAN网络与所述采集端连接，并通过广域网连接至服务器。
2.根据权利要求1所述的抄表系统，其特征在于，所述采集端通过太阳能电池取电。
3.根据权利要求1所述的抄表系统，其特征在于，还包括：
服务器，通过广域网与所述LPWAN基站连接。
4.根据权利要求3所述的抄表系统，其特征在于，还包括：
用于查询所述基表数据的查询终端，通过广域网与所述服务器连接。
5.一种基于低功耗广域网及低功耗局域网的抄表方法，提供如权利要求1-4任一项所述的抄表系统，其特征在于，包括：
采集端通过ISM频段接收基表终端上传的基表数据，和/或通过ISM频段向所述基表终端发送控制指令；
所述采集端藉由LPWAN基站向服务器发送所述基表数据，和/或所述服务器藉由LPWAN基站向所述采集端发送所述控制指令。
6.根据权利要求5所述的抄表方法，其特征在于，还包括：
采集端将基表终端唤醒。
7.根据权利要求6所述的抄表方法，其特征在于，所述采集端将基表终端唤醒，包括：
所述采集端在有通信需求时将伪随机序列码通过编码变换为唤醒比特流，然后将所述唤醒比特流调制成无线调制信号，并在预设的持续时间内，向所述基表终端连续发送所述无线调制信号，所述预设的时间大于或等于所述基表终端的休眠期和探测期之和，所述休眠期和探测期之和构成一个休眠唤醒周期；
所述基表终端在探测期接收所述无线调制信号，并将所述无线调制信号解调成唤醒比特流，然后对所述唤醒比特流进行采样和译码，并根据译码结果判断是否唤醒所述基表终端。
8.根据权利要求5所述的抄表方法，其特征在于，所述采集端通过ISM频段接收基表终端上传的基表数据，和/或通过ISM频段向所述基表终端发送控制指令中：
所述基表终端按照预设的频率间歇性上传所述基表数据；当所述基表终端第n1*(m1+1)次上传所述基表数据时，所述采集端于所述ISM频段内进行第一双信道探测，若所述第一双信道中的数据信道受到干扰，则将受到干扰的数据信道切换为第一空闲信道，若所述第一双信道中的数据信道未受到干扰，则采用所述第一双信道中的数据信道与所述基表终端进行通信；其中，m1为预设的相邻两次双信道探测之间单信道传输的第一次数，n1为正整数。
9.根据权利要求8所述的抄表方法，其特征在于，所述采集端藉由LPWAN基站向服务器发送所述基表数据，和/或所述服务器藉由LPWAN基站向所述采集端发送所述控制指令中：
当所述采集端接收到所述基表终端第n2*(m2+1)次上传的基表数据时，所述采集端于LPWAN网络内进行第二双信道探测，若所述第二双信道中的数据信道受到干扰，则将受到干扰的数据信道切换为第二空闲信道，若所述第二双信道中的数据信道未受到干扰，则采用所述第二双信道中的数据信道与所述LPWAN基站进行通信；其中，m2为预设的相邻两次双信道探测之间单信道传输的第二次数，n2为正整数。
10.根据权利要求6所述的抄表方法，其特征在于，所述采集端将基表终端唤醒中：
采用HAC动态循环码唤醒法将基表终端唤醒。
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