CN108401281A - 基于信道检测的无线低功耗抄表方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于信道检测的无线低功耗抄表方法。其特点是，包括如下步骤：(1)集中器和终端表设备进入到硬件初始化阶段；(2)终端表设备进入到低功耗模式下，并且终端表设备周期性开启信道空闲检测模式检测此时信道是否空闲，如果信道空闲则终端表设备继续处于低功耗模式。经过试用证明，采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：缩短了终端表设备的接受窗口时间，从而降低了通信系统的功耗。

Description

基于信道检测的无线低功耗抄表方法

技术领域

本发明涉及一种基于信道检测的无线低功耗抄表方法。

背景技术

随着智慧城市的发展，远距离无线抄表技术越来越受到重视。远距离无线通信技术将在这些仪表的抄表应用中起到非常重要的作用。终端仪表由于没有持续的外部电能供应，只能依靠电池得到电能，所以，终端仪表在运行过程中必须保证极低的功耗，才可以不间断长期工作。因此，降低终端仪表在运行过程中的总体功耗显得尤为重要。显然，只降低发射机的发射功率，或者只降低接收机的功耗电流是不现实的。这种方法的效果不但不明显，而且会带来通信质量下降的恶劣后果。

对于由两个以上无线收发设备组成的半双工无线通信系统或网络，其中的某一个设备真正工作于发射或接收的时间是很少的。当通信设备不工作于发射或接收模式时，使其进入休眠状态，可大大降低平均功耗。在现有的无线抄表系统中，为了实现低功耗，所有的终端表设备大部分时间处于休眠状态，当集中器需要和某个终端仪表通信时，处于休眠状态的终端表设备将被唤醒，实现发送或接收数据的功能。

当无线设备处于休眠状态时，就是处于非工作状态，这时就需要一套流程或方法，使处于休眠状态的无线通信设备，在其它设备需要和它进行通信时，能感知并完成通信，也就是可以被及时唤醒转换成工作状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于信道检测的无线低功耗抄表方法，能够在保证通信质量的前提条件下，最大限度的降低终端仪表的功耗。

一种基于信道检测的无线低功耗抄表方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

(1)集中器和终端表设备进入到硬件初始化阶段；

(2)终端表设备进入到低功耗模式下，并且终端表设备周期性开启信道空闲检测模式检测此时信道是否空闲，如果信道空闲则终端表设备继续处于低功耗模式；

(3)当PC机通过网络向集中器的GPRS模块下发抄表命令，集中器接收到抄表命令后解析此命令，然后通过命令内容生成用来唤醒特定终端表设备的唤醒帧，并且集中器通过无线设备持续发送8秒的唤醒帧，在此8秒的时间段内，终端表设备将该终端表设备配置成无线接收模式，接收集中器发送的唤醒帧，该唤醒帧中包含终端表设备地址和时间标签，终端表设备据此判断此唤醒帧中的设备地址和此设备终端表地址是否相同，如果不相同则丢弃此唤醒帧；

(4)如果唤醒帧中的设备地址和此终端表设备地址相同，则提取此唤醒帧中的时间标签，通过时间标签计算出将此终端表设备切换为低功耗模式的延时时长并且判断是否进行延时，如果无延时或者延时时长结束后将该终端表设备配置成无线接收模式直至接收到集中器发送的抄表命令，当接收到集中器发送的抄表命令后解析抄表命令，获取该终端表设备的表数据，并且将此表数据发送给集中器完成抄表；

(5)当终端表设备将表数据发送给集中器后，返回步骤(1)。

步骤(4)中通过时间标签计算出将此终端表设备切换为低功耗模式的延时时长并且判断是否进行延时，具体包括如下步骤：

延时时长的值记为D_ST，并且

其中T_LN代表时间标签的总个数，T_L代表时间标签值；

当接收到的时间标签值T_L≥T_LN-2时，终端表设备直接转换为无线接收模式，无延时；当接收到的时间标签值T_L＜T_LN-2时，终端表设备需要进行前述的延时时长为D_ST的低功耗延时。

在本发明无线抄表的整个过程中，终端表设备的主要耗能过程就是开启接收模式接收集中器发送的数据和给集中器发送终端表数据这两个过程，而这两个过程持续的时间很短。而开启信道空闲检测的时间也非常短，功耗可以忽略不计，因此通过这种抄表方法大大降低了终端表设备的功耗。经过试用证明，采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：缩短了终端表设备的接受窗口时间，从而降低了通信系统的功耗。

附图说明

图1是本发明中构建的无线低功耗抄表网络实物示意图。

图2是本发明中构建的无线低功耗抄表时序图。

图3是本发明中构建的无线低功耗抄表流程图。

具体实施方式

本发明要解决的技术问题在于，针对实际通信需要和现有技术功耗大的缺陷，提供一种低功耗无线通讯方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无线通讯方法，用于在集中器有通信需求时向特定的终端表设备发送信息，该无线通讯方法包括：集中器通过GPRS接收PC机下发的通信命令，然后集中器在预设时间内向终端表设备连续发送包含通信需求的唤醒帧。

本发明的无线通信系统包含一个PC机、一个集中器，若干个终端表设备。所有的终端表设备在低功耗模式下都只能被动接收数据，不能主动发送数据。一旦终端表设备被唤醒，处于正常的工作状态，就可以同时具有接收和发送数据的功能。PC机的主要功能是给集中器下发控制命令，集中器的主要功能是唤醒终端表设备并且转发PC机下发的控制命令，并上传终端表设备的表数据给PC机。无线抄表系统正常运行时，当终端表设备没有数据接收或发送时，处于低功耗模式，此时终端表设备的MCU进入到Halt模式，无线模块进入到睡眠模式。在Halt模式下MCU通过RTC时钟每秒被唤醒一次，如果此时没有事件需要处理，MCU又快速的进入到Halt模式下，此过程所持续的时间很短，可以忽略不计，功耗可以默认为约等于MCU一直处于Halt模式下的功耗。终端表设备的无线模块以7秒为周期开启信道空闲检测，检测信道是否处于空闲状态。

当集中器给某终端表设备发送数据时，首先需要将处于睡眠状态的终端表设备唤醒，再进行通信。唤醒过程就是集中器连续发送8s的唤醒帧。因为终端表设备开启信道空闲检测的周期是7s，集中器连续发送8s的唤醒帧可以保证在任何时间点发送唤醒帧都可以被终端表设备接收到，以保证通讯的成功率。当终端表设备检测到此时信道为非空闲状态时，就会切换为无线接收模式。终端表设备接收到唤醒帧后，通过判断唤醒帧中的终端地址是否为该终端表设备的地址，以此来保证该终端表设备是否继续保持唤醒状态以接收集中器发送的后续数据。如果唤醒帧中的终端地址与该终端表地址不相同，则丢弃此唤醒帧，终端表设备继续处于低功耗模式，开启周期性检测信道空闲功能。如果相同，终端表设备会根据唤醒帧中的时间标签在低功耗模式下延时一段时间，这段时间的值为D_ST，当延时时间结束，再开启接收模式。D_ST的计算方法如下：

集中器发送的唤醒帧所占的地址长度为两个字节，其中包括终端表设备地址和时间标签，时间标签是指集中器已经发送的唤醒帧的持续时间，在整个唤醒帧中设备地址占用的长度为12位，时间标签占用的长度为4位，如下表所示：

由于设备地址占用唤醒帧的12bit长度，所以终端表设备允许的最大个数为：D_N＝2¹²＝4096个。时间标签占用唤醒帧的4bit长度，所以时间标签允许的最大个数为：T_LN＝2⁴＝16个。因此唤醒帧中携带的时间标签值为：0≤T_L≤15，且T_L都为整数。由于集中器发送唤醒帧的持续时间长为8s，因此时间标签的精度值为T_P＝8/16＝0.5s。

由于终端表设备发送唤醒帧的速度很快，无法测算集中器发送唤醒帧的准确时间，因此可以通过集中器发送唤醒帧的个数计算出已经发送的唤醒帧时间。例如，集中器在8s这段时间内发送的唤醒帧的总个数为W_FN，时间标签的总个数为T_LN，集中器发送唤醒帧计数个数为W_FC，则唤醒帧中所携带的时间标签值为：

终端表设备在接收到唤醒帧后，如果唤醒帧中的终端表地址和此设备的终端表地址相同，则该终端表设备需要转换为无线接收模式以接收集中器发送的后续数据。但是集中器发送唤醒帧的持续时间长达8s，终端表数据接收到集中器发送的唤醒帧的时间点到集中器发送完唤醒帧的时间点的时间间隔为T_I，T_I的取值范围为0<T_I<8s。如果该终端表设备在T_I时间区间内都处于无线接收模式，则存在很大的功耗浪费，因此在T_I的时间区间内，使此终端表继续处于低功耗模式一段时间，称为低功耗延时时间，长度为D_ST，其中D_ST略小于T_I，当延时时间结束后，再开启无线接收模式，接收集中器发送到命令和数据。这样可以有效的降低该终端表设备的功耗，同时保证终端表设备能准确的接收到集中器发送的数据。而唤醒帧中时间标签的时间精度T_P＝0.5s，所以集中器要在发送数据的前1s左右开启无线接收模式，因此D_ST的值为：

因此当接收到的时间标签值T_L≥T_LN-2时，终端表设备直接转换为无线接收模式，无须进行低功耗延时。当接收到的时间标签值T_L＜T_LN-2时，终端表设备需要进行时间长度为D_ST的低功耗延时，延时结束后再转换为无线接收模式，接收集中器发送的命令和数据，然后根据接收到的信息给集中器发送相应的终端表数据。

下面结合附图对本发明做详细说明。

请参照图1所示，一种基于信道空闲检测的无线抄表系统，它包括命令下发设备PC机、命令数据中转设备集中器，以及若干台终端表设备。在系统正常运行的状态下，集中器使用市电供电；由于终端表设备所处的位置不唯一，环境复杂多变，无法保证使用市电进行供电，因该终端表设备使用电池供电。而为了维持终端表设备长时间稳定工作，就需要以上所提到的终端表设备在低功耗模式下进行工作，并且必须保证终端表设备能正常接收发送数据。

以上提到的终端表设备在低功耗模式运行时，MCU处于Halt模式，MCU中的RTC时钟每间隔一秒将MCU进行唤醒一次，当MCU不需要进行通信时，继续进入到Halt模式。终端表设备中的无线模块在没有数据接收或者没有数据发送时会处于睡眠模式，以7秒为周期开启信道空闲检测，检测此时是否有设备正在唤醒该终端表设备。

无线抄表系统在正常运行时，首先图1中的集中器和终端表设备进入到硬件初始化阶段，如图3所示，在流程2终端表设备完成硬件初始化后进入到低功耗模式下，并且周期性开启信道空闲检测模式。流程3检测此时信道是否空闲，如果信道空闲，进入流程4该终端表设备继续处于低功耗模式，周期性开启信道空闲检测。在某一时刻由图1中的PC机通过网络向图1中的集中器的GPRS模块下发抄表命令，图1中的集中器接收到抄表命令后，解析此命令，然后通过命令内容生成用来唤醒特定终端表设备的唤醒帧。并且图1中的集中器会通过无线设备持续发送8秒的唤醒帧，在此8秒的时间段内，终端表设备进入流程5将该终端表设备配置成无线接收模式，接收集中器发送的唤醒帧。唤醒帧中包含终端表设备地址和时间标签，流程7判断此唤醒帧中设备地址是否和此设备终端表地址是否相同，如果不相同进入流程6丢弃此唤醒帧。

如果流程7中判断唤醒帧中的设备地址和此终端表设备地址相同，进入流程8，提取此唤醒帧中的时间标签，通过时间标签计算出将此终端表设备切换为低功耗模式的延时时长，并且进行延时，流程9用来判断延时时长是否结束。如果延时时长结束，进入流程10将该终端表设备配置成无线接收模式，直至接收到集中器发送的抄表命令。当接收到集中器发送的抄表命令后，流程11会解析抄表命令，获取该终端表设备的表数据，并且将此表数据发送给集中器，完成抄表。当终端表设备将表数据发送给集中器后会进入流程12，将该终端表设备配置成低功耗模式，周期性开启信道空闲检测，如上整个抄表系统运行的流程，具体的时间节点所完成的功能请参考图2所示。

在图2中，图1中的终端表设备和集中器在t0时刻进行硬件初始化，终端表设备在t1、t2、t4、t9时刻开启信道空闲检测。而终端表设备的无线模块会通过RTC时钟定时，每7秒进行一次信道空闲检测，因此图中t1-t0＝t2-t1＝t4-t2＝t9-t8＝7s。在t0到t1、t1到t2、t2到t4、以及t8到t9的时间段内，终端表设备的无线模块都会处于睡眠模式，以降低功耗。

在t3时刻时，图1中的集中器接收到PC机通过GPRS模块发送过来的抄表命令，并在此时刻集中器生成唤醒特定终端表设备的唤醒帧，其中唤醒帧包含终端表设备地址和时间标签。在t3时刻集中器开始发送唤醒帧，到t6时刻集中器完成唤醒帧的发送，因此t6-t3＝8s。对于终端表设备t4时刻处于信道空闲检测模式，并且t4时刻在t3到t6的时间区间内，因此在t4时刻以上提到的特定终端表设备被唤醒，此时特定的终端表设备处于无线接收模式，用来接收后续集中器发送的抄表命令。

由于集中器发送抄表命令是在图3中的t7时刻，如果终端表设备在t4到t7时刻处于无线接收模式会消耗很大的功耗，但在t4到t7的时间区间内没有接收数据和发送数据，因此为了降低功耗在t4到t5的时间区间内使终端表设备处于完全低功耗模式(MCU进入Halt模式，无线模块进入睡眠模式)来降低功耗。若唤醒帧中的时间标签值为T_L，时间标签值允许的最大个数为T_LN，t4到t5的时间区间长度为D_ST，因此

在t5时刻，终端表设备开启无线接收模式，在t7时刻终端表设备接收到集中器发送的抄表命令，t7到t8的时间区间内，终端表设备得到终端表数据，在t8时刻终端表设备将终端表数据发送给集中器设备，至此完成集中器到终端表设备的抄表过程，抄表完成后终端表设备再次进入到低功耗模式，RTC的时钟每隔7秒进入一次信道空闲检测，如在t9时刻，终端表设备开启信道空闲检测。

终端表设备在整个抄表过程中，待机模式下终端表设备处于低功耗模式，RTC时钟每7秒产生一次信道空闲检测，而每次信道空闲检测持续的时间只有不到5ms，功耗电流大小是终端表设备的无线模块处于接收状态下的电流大小。而真正耗能的时间段是t5到t8的时间区间内，t5到t7时间段内终端表设备处于无线接收模式，t7到t8时间段终端表设备处于无线发送模式，而t5到t8时间区间在整个抄表过程中所占比例很小，因此本发明在很大程度上降低了无线抄表系统的功耗。

Claims (2)

1.一种基于信道检测的无线低功耗抄表方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)集中器和终端表设备进入到硬件初始化阶段；

(2)终端表设备进入到低功耗模式下，并且终端表设备周期性开启信道空闲检测模式检测此时信道是否空闲，如果信道空闲则终端表设备继续处于低功耗模式；

(3)当PC机通过网络向集中器的GPRS模块下发抄表命令，集中器接收到抄表命令后解析此命令，然后通过命令内容生成用来唤醒特定终端表设备的唤醒帧，并且集中器通过无线设备持续发送8秒的唤醒帧，在此8秒的时间段内，终端表设备将该终端表设备配置成无线接收模式，接收集中器发送的唤醒帧，该唤醒帧中包含终端表设备地址和时间标签，终端表设备据此判断此唤醒帧中的设备地址和此设备终端表地址是否相同，如果不相同则丢弃此唤醒帧；

(4)如果唤醒帧中的设备地址和此终端表设备地址相同，则提取此唤醒帧中的时间标签，通过时间标签计算出将此终端表设备切换为低功耗模式的延时时长并且判断是否进行延时，如果无延时或者延时时长结束后将该终端表设备配置成无线接收模式直至接收到集中器发送的抄表命令，当接收到集中器发送的抄表命令后解析抄表命令，获取该终端表设备的表数据，并且将此表数据发送给集中器完成抄表；

(5)当终端表设备将表数据发送给集中器后，返回步骤(1)。

2.如权利要求1所述的基于信道检测的无线低功耗抄表方法，其特征在于：步骤(4)中通过时间标签计算出将此终端表设备切换为低功耗模式的延时时长并且判断是否进行延时，具体包括如下步骤：

延时时长的值记为D_ST，并且

其中T_LN代表时间标签的总个数，T_L代表时间标签值；

当接收到的时间标签值T_L≥T_LN-2时，终端表设备直接转换为无线接收模式，无延时；当接收到的时间标签值T_L＜T_LN-2时，终端表设备需要进行前述的延时时长为D_ST的低功耗延时。