CN108198397A - 一种智能无线自动读表系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能无线自动读表系统，包括模块表具、前端采集设备(1)、数据传输设备(2)和数据聚集设备(3)，所述的模块表具分布安装于楼宇中，所述的前端采集设备(1)与模块表具通过有线对应连接，前端采集设备(1)、数据传输设备(2)和数据聚集设备(3)自底向上组成三层网络结构，每个主节点与其从节点之间为星形无线连接。与现有技术相比，本发明根据小区楼宇用户散状结构特点，用户数多，以及节点的分布设置，采用先进的短距离无线技术，可大大节约投资及实施成本，采用相邻组从节点组成无线网状网方式，既能保证传输链路备份可靠，又能实现数据传输设备之间的负载均衡，适合不同情况下的方案灵活应用。

Description

一种智能无线自动读表系统及方法
技术领域
本发明涉及一种利用无线网络进行数据采集的装置，尤其是涉及一种智能无线自动读表系统及方法。
背景技术
随着物联网技术和人工智能技术的快速发展和应用，核心技术和方法也已开始运用于智慧城市和智能生活领域。
目前大多数使用状况基本为由不同的抄表员每月一次登门挨家挨户敲门，用人工阅读的方式将当月所消费的数字记录；或者用手持终端将读到的数据输入存储，带回管理所再统一集中到电脑之中。而且三种表，需要三波人在各自的时间段里进入居民家庭。由此造成的困境主要表现在如下几方面：
1，人力负荷巨大，以一个抄表员管理五千家庭读表工作量，就待花上一周左右的工作时间，而且无论刮风下雨都必须要完成的工作量。以每月三种表具的数据采集，则又将是三倍的工作负荷。这对于一个几百万至上千万人口的城市，这是一种巨大的人力成本。
2，采集数据难以精确，由于各种表具一般均安装在建筑房内的边角暗处，读表既不方便，又难以看清小表数字，难免有错，漏现象。由此造成一定的消费者的社会矛盾。
3，抄表难以及时，由于需要挨家挨户入门抄读，总存在居民家庭无人锁门现象，同样造成难以及时全部收齐用户数据。不仅增加漏抄、缺抄现象，而且又一次增加了工作负荷和时间。
4，用户家庭隐私及安全难以得到保障，由于目前的社会治安情况并非完善，时常出现违法人员冒充抄表员进行盗窃及生命危险等社会恶性事件。使居民的正常生化受到了较大影响。
5，前端表具设备管理较差，通常一月一次的上门抄表方法，使居民家庭的用表设备损坏或异常，需要较长时间才能获知，再开始进行相关维修，这样的系统管理难以跟上现代化城市的节拍。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种智能无线自动读表系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种智能无线自动读表系统，包括模块表具、前端采集设备、数据传输设备和数据聚集设备，所述的模块表具分布安装于楼宇中，所述的前端采集设备与模块表具通过有线对应连接，前端采集设备、数据传输设备和数据聚集设备自底向上组成三层网络结构，每个主节点与其从节点之间为星形无线连接。
各前端采集设备还与其主节点的相邻节点无线连接，即相邻组的从节点组成网状网。
所述的前端采集设备与数据传输设备通过短距离无线通信模块连接。
所述的数据传输设备和数据聚集设备通过GPRS或3G通信模块连接。
所述的前端采集设备和数据传输设备内置MCU芯片。
所述的前端采集设备的MCU芯片连有数据输入/输出接口，所述的数据输入/输出接口包含A/D转换模块。
所述的前端采集设备与模块表具通过标准串口连接。
所述的数据聚集设备为带有以太网接口、GPRS接口或3G接口的服务器。
一种使用所述的智能无线自动读表系统进行读表的方法，包括：当每月设定日期到达时，各节点激活，由休眠状态切换为工作状态进行数据传输。
所述的智能无线自动读表系统进行的智能工作方式，包括：休眠模式、工作模式和紧急模式三种系统模式,以及在工作模式下设计的三种灵活工作方式。
当前端采集设备的主节点故障时，前端采集设备与其主节点的相邻节点进行通信。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)根据小区楼宇用户散状结构特点，用户数多，以及节点的分布设置，采用先进的短距离无线技术，可大大节约投资及实施成本。
(2)因前端采集设备是整个系统数据来源点，采用相邻网状网方式，既能保证传输链路备份可靠，又能实现数据传输设备之间的负载均衡，适合不同情况下的方案灵活应用。
(3)由于前端采集设备和数据传输设备节点设备均内置MCU芯片和协议，具有逻辑判断，自适应和自组织网络功能，使网络具有健壮性和鲁棒性优点。
(4)因此读表数据一般为每一月一次，因此系统设置节点设备平时为休眠状态，只有当接到采集指令或软件设定时间点，才进入“工作状态”开始收集，上传数据至数据聚集设备，完毕后进入休眠状态。此过程无需人工干预，系统自动运行。而且“休眠状态“的节点设备工作方式大大节省了能耗，增加了终端设备的续航能力。
附图说明
图1为本实施例系统的结构示意图；
图2为本实施例系统主程序设计流程图；
图3为本实施例前端采集设备次程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
目前大多数居民表具分布及使用情况，大致有下列特点：
(1)居民以小区为集中区，每家分散于小区内各楼宇中，少则十几户，多则几十户，每户均装有电表，水表及煤气表。
(2)每个楼栋之间一般相距十米左右距离。
(3)每户居民的三表之间相对集中，一般距离均小于五米。
(4)三种公用表读数及规格均有差异。
(5)运行管理部门至小区，通常距离很长，一般为十至几十公里范围。
(6)每表的个体数据量采集极小，一般为三位到六位左右。
(7)数据采集次数相对固定，一般每月一次。
根据这些情况，本实施例针对性的设计如下方案：
如图1所示，一种智能无线自动读表系统，包括模块表具、前端采集设备1、数据传输设备2和数据聚集设备3，模块表具分布安装于楼宇中，前端采集设备1与模块表具通过标准串口对应连接，前端采集设备1、数据传输设备2和数据聚集设备3自底向上组成三层网络结构，每个主节点与其从节点之间为星形无线连接，其中，各前端采集设备1与其主节点数据传输设备2通过短距离无线通信模块连接，前端采集设备1还与其主节点的相邻节点连接，形成相邻网状型结构。
本实施例系统原则及思想：采用智能无线网络，融合三表数据采集，开发自动信息传输，实现智慧物联管理。
(1)整体网络互联设计方案
系统以表具为网络终点，以一户为数据采集前端，以楼宇为数据传输节点，以小区物业管理中心为数据聚合中心，通过网络，再将数据传输至地区公用事务管理中心。
1)在结构上，采用三层网络架构，底层R节点表示为前端采集设备1，F节点表示为数据传输设备2，上层Gateway节点为数据聚集设备3，将该区域所有采集到的数据传输至信息管理中心。
2)在网络拓扑上设计为上层为星型网络，由F节点与Gateway节点构成；下层R节点与F节点构成相邻网状型网络。
3)系统总体由“星型+相邻网状型”组成的智能混合型数据网络。
4)F节点与其下属组内RI节点构成同一组，F为其主节点，RI为其从节点。通常情况下下，RI只向本主节点F传递数据并接受其相关操作运行指令。
5)所有F节点将本组获得的数据传输至Gateway节点，同样接受它的相关操作管理指令。
6)Gateway汇聚点通过互联网与信息管理中心直接相联，将本区内域内的数据集中传输至管理中心，同时接受来自信息管理中心的各项运维，管理任务及指令。
7)各R节点和F节点均由内置MCU芯片组成，通过软件编程自动执行数据采集和传输，以及各类运维功能。
8)Fm和Fm+1相邻组构成无线网状网，也即其成员R节点可通过无线连接到相邻F主节点，当在某个F节点出现故障时，其成员组节点同样可将数据上传至相邻F节点，保证了网络链路的备份及可靠性。
9)根据各用户表分布及楼宇位置特点，R节点至F节点采用短距离无线技术实现连接，F节点至Gateway节点采用公用无线技术GPRS/3G连接，由于R节点是分设于各表具附近，采用485接口的有线方式连接。
(2)系统技术实现
整个系统框图组成如图1，由主要模块表具(包括电，水，气表)，R节点为前端采集设备1，F节点为数据传输设备2，Gateway节点为数据聚集设备3以及信息管理中心构成。
1)家用表具与R节点采用标准串口RS-485链接，所有表具均设计相应编号，如：1.1.1e表示此电表设置于F1区内的R1组内的第一个位置；2.3.2g,表示该煤气表位于F2区内的R3组内的第二个位置。由此采集的数据可知相应的表具消费数据量。
2)一个R节点可连接30(留2路作备用)个用户表具，上端用Zigbee短距离无线技术连接至本组F节点。同时可覆盖连接到相邻F节点，在得到Gateway节点的指令许可后，相邻F节点可接收R组成员的各表数据采集。作为链路备份。
3)R节点拥有32路输入/出接口并带有A/D模数转换功能，可支持模拟表具的数据输入。还带有MSP-430微处理芯片，EEPROM模块和和CC2530射频模块。射频模块为内置有很强的MCU单片机功能和Z-StackTM短距无线协议，支持无线数据传递。
4)F数据传输设备含有射频模块CC2530，中央处理模块STM-407，闪存模块，和公用无线模块MC55等，F节点通过射频模块支持30路对下连接输入，通过MC55模块对上连接Gateway节点。MC55模块带有Z-stackTM和GPRS协议转换功能，可顺利将前端采集数据传输至Gateway设备，实现全程无线数据网络。
5)Gateway节点选用小型服务器设备并带有GPRS功能接口以及E-thernet接口，将该区域收集的数据传输至信息管理中心，同时接收来自管理中心的其他运维命令并对管辖内的F节点、R节点及表具等设备的检查和维护。
(3)系统智能软件设计实现
本系统在基于网络的独特设计基础上，采用软件设计从而实现各种智能数据采集功能。
1)系统主程序设计流程如图2，在主程序流程图中，主要设计两种系统工作阶段，一般为初始启动阶段和系统工作阶段，前者用于系统新安装好后，或系统需检修等；后者用于正常工作状态及数据收集。
系统进入上电启动后，进行初始化，开启通信，读取有无上级采集指令，如有，发指令至前端设备，进入收集前端数据，数据收集完后，存储本地，再上传数据至Gateway。在“读取有无上级采集指令“流程，系统也能灵活设计成“查询是否到采集时间“(如规定每月30日)，如是则进入数据收集。
2)前端R节点次程序流程
如图3所示，该程序主要设计为休眠模式，工作模式和紧急模式三种状态。
A)在平时大多数时间处于休眠状可节省前端设备功耗，从实践而言，仅为毫瓦级消耗，可大大增加续航时间。
B)在工作模式下，又可设计为三种及以上的灵活方式：
a)命令方式，设备读取有无上级命令，如有，激活各模块，读取表具当时的数据，并上传至F节点，关闭模块，进入休眠。
b)定时方式，如系统设定每月30日，则系统到时激活各模块，采集数据，并上传至F节点，关闭各模块，进入休眠。
c)分类方式，如系统设定每月28日为收集电表数据，29日为收集煤气表数据，30日为收集水表数据，则达到各时间点，激活模块，读取相应表具数据，上传至F节点。关闭模块，进入休眠。
C)在紧急模式下，当信息管理中心在特殊情况下，要处理额外事情，如前端设备故障与否，连接表具正常与否，表具有无损坏，是否启动相邻备份F收集数据等等运行维护功能时，采取该工作方式，从而达到系统完好稳定运行目的。
4)系统智能功能实现及好处
通过本系统及独特设计，系统可容易实现各种公用事业用户消费数据采集。具体可达到下列功能：
(1)无线覆盖，组成全网，实现全程自动数据采集功能，彻底解放原先高负荷的抄表方式
(2)利用现代A/D数模技术，实现对各类表具的统一入网及采集功能，实现了三表融合，智能生活
(3)利用网络技术，轻松实现实时抄表功能，达到了信息及时化，管理智能化
(4)采用前端混合型组网，实现前端采集设备的无缝备份链路，使得系统更加安全可靠。
(5)采用智能技术，可灵活实现各种数据采集方式，即可按时间，周，月数据收集，又可按表具用途分类数据收集
(6)管理中心可轻易实现管辖用户的消费，统计，账单，通知等各种运行功能
(7)系统可有效监测管辖区内用户表具的使用正常与否情况，并在有故障等特殊情况下，能及时派员定向检修和维护，极大提高了管理系统工作的主导性，主动性和及时性
(8)管理员可通过实测的用户消耗数据，由短信及时通知用户付费，或则长期欠费用户的停表等事项
(9)信息管理中心的系统日志功能，确保操作时间，操作人员，采集数据，参数设置等等均有记录，达到安全使用
(10)系统R前端设备预留备用数据输入口，当今后用户家庭增加其他公用事业消费这类，同样可一纳入本系统进行统一管理和维护，使系统具有延续型和前瞻性，为智慧社会生活和工作奠定了基础。

Claims (10)

1.一种智能无线自动读表系统，其特征在于，包括模块表具、前端采集设备(1)、数据传输设备(2)和数据聚集设备(3)，所述的模块表具分布安装于楼宇中，所述的前端采集设备(1)与模块表具通过有线对应连接，前端采集设备(1)、数据传输设备(2)和数据聚集设备(3)自底向上组成三层网络结构，每个主节点与其从节点之间为星形无线连接。
2.根据权利要求1所述的一种智能无线自动读表系统，其特征在于，各前端采集设备(1)还与其主节点的相邻节点无线连接。
3.根据权利要求1所述的一种智能无线自动读表系统，其特征在于，所述的前端采集设备(1)与数据传输设备(2)通过短距离无线通信模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种智能无线自动读表系统，其特征在于，所述的数据传输设备(2)和数据聚集设备(3)通过GPRS或3G通信模块连接。
5.根据权利要求1所述的一种智能无线自动读表系统，其特征在于，所述的前端采集设备(1)和数据传输设备(2)内置MCU芯片。
6.根据权利要求5所述的一种智能无线自动读表系统，其特征在于，所述的前端采集设备(1)的MCU芯片连有数据输入/输出接口，所述的数据输入/输出接口包含A/D转换模块。
7.根据权利要求1所述的一种智能无线自动读表系统，其特征在于，所述的前端采集设备(1)与模块表具通过标准串口连接。
8.根据权利要求1所述的一种智能无线自动读表系统，其特征在于，所述的数据聚集设备(3)为带有以太网接口、GPRS接口或3G接口的服务器。
9.一种使用权利要求1～8任一所述的智能无线自动读表系统进行读表的方法，其特征在于，包括：当每月设定日期到达时，各节点激活，由休眠状态切换为工作状态进行数据传输。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：当前端采集设备(1)的主节点故障时，前端采集设备(1)与其主节点的相邻节点进行通信。
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