CN109417689B - 用于在智能表级读取节能表的技术 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在网关和通信模块之间建立通信的方法，包括：·从网关周期性地无线电广播同步信号，同步信号的发射窗口(28)的持续时间Dx和无线电广播时段的持续时间Tx之间的占空比DC＝Dx/Tx小于50％，·周期性地激活在唤醒窗口(29)期间被激活的通信模块的接收器，唤醒窗口的持续时间小于激活时段的持续时间Tr，激活时段的持续时间Tr等于Tr＝Tx/(1+DC)，·在所谓的唤醒窗口(29)和所谓的发射窗口(28)之间的恢复(30)期间，由通信模块的接收来接收同步无线电信号，·从通信模块的发射器无线电广播数据消息(20)，·以及由网关的接收器接收数据消息。

Description

用于在智能表级读取节能表的技术
技术领域
本发明涉及用于通过无线电传送数据的极低能耗方法和装置的领域，特别是在物联网领域。
背景技术
物联网在于允许日常事物用无线网络自动传送数据。例如，配备有通信模块的水表可以自动地将水读数传送给管理耗水计费的公司。
一些网关，也称为基站，具有作用确保从它们的覆盖区域中存在的通信模块无线电接收数据和向通信模块发射数据以及将这些数据中继到负责处理它们的设备，例如通过基于IP(“互联网协议”)协议的网络可访问的服务器。
几种无线电访问技术可用于实现通信模块的网络。可以仅通过非限制性说明来引用特别依赖于不同类型的调制的LoRaTM、SigfoxTM或其他WM-Bus(“无线仪表总线”)技术。
这些技术的共同之处在于它们提供远程通信，其使得可以通过增加网关的覆盖范围来减少网关的数量。
然而，数据的连续发射和接收，特别是通过上述远程技术，消耗大量能量，从而限制了通信模块的电池的寿命并且要求网关由主干线供电。
发明内容
本发明使得可以解决现有技术的问题。
本发明的某些方面源于从电池操作网关的想法，例如以使网关移动。
本发明的某些方面源于节省网关所消耗的能量以便增加为网关供电的电池的寿命的想法。
本发明的某些方面源于能够以低成本远程读取数据的想法。
在一个实施方式中，本发明提供了一种用于在网关和通信模块之间建立通信的方法，包括：
·在连续无线电广播时段内周期性地从网关无线电广播同步信号，同步信号在每个无线电广播时段内的呈现限定持续时间Dx的发射窗口期间被发射，同步信号的发射窗口的持续时间Dx和无线电广播时段的持续时间Tx之间的占空比DC＝Dx/Tx小于50％，
·在连续激活时段内周期性地激活通信模块的接收器，接收器在每个激活时段内的唤醒窗口期间被激活，唤醒窗口的持续时间小于激活时段的持续时间Tr，激活时段的持续时间Tr等于Tr＝Tx/(1+DC)，
·在所述唤醒窗口和所述发射窗口之间的重叠期间，由通信模块的接收器接收同步无线电信号，
·从通信模块的发射器无线电广播数据消息，数据消息的无线电广播由同步信号的接收触发，
·由网关的接收器接收数据消息。
同步信号是用于触发数据消息的无线电广播的信号。
凭借这些特性，网关和通信模块可以由寿命增加的电池供电，例如其寿命为15年。
凭借这些特性，网关和通信模块的内部时钟不需要相对于公共参考日期同步。例如，时钟可以不准确。因此可以使用低成本材料。实际上，最大会聚持续时间等于：
Tc＝Tx*(DC*(1+DC))-1
从而表示当通信模块处于网关范围内时，唤醒窗口和重叠窗口之间的重叠必然发生，在小于或等于以下的持续时间之后
Tc＝Tx*(DC*(1+DC))-1
从由网关首次发射同步信号开始。
在一个实施方式中，本发明提供了一种意在与通信模块无线通信的网关，该通信模块包括接收器，呈现在持续时间Tr的时段的周期性重复连续唤醒窗口，例如用于将数据从该通信模块传输到网络，该网关包括：
·时钟，被配置为在无线电广播时段的持续时间Tx的连续无线电广播时段内周期性地触发同步信号的无线电广播，
·发射器，被配置为无线电广播同步信号，同步信号在每个无线电广播时段内的呈现限定持续时间Dx的发射窗口期间被发射，同步信号的发射窗口的持续时间Dx和无线电广播时段的持续时间Tx之间的占空比DC＝Dx/Tx小于50％，无线电广播时段的持续时间Tx为Tx＝Tr.(1+DC)，
·以及接收器，被配置为在通信模块的接收器的唤醒窗口与所述发射窗口之间的重叠之后从通信模块的发射器接收数据消息，
·以及，如果相关，与网络的通信接口，被配置为将数据消息传输到网络。
在一个实施方式中，本发明提供了一种能够向网关传输数据的通信模块，包括：
·接收器，
·时钟，被配置为在唤醒窗口期间的激活时段内周期性地触发接收器的激活，唤醒窗口的持续时间小于激活时段的持续时间Tr的1％，
接收器能够在唤醒窗口与网关发射的同步信号的发射窗口的重叠期间接收由网关发射的同步无线电信号，
·存储器，包括待传输的数据，
·发射器，被配置为响应于由接收器接收到同步无线电信号而无线电广播数据消息。
根据实施方式，上文描述的方法，上文描述的网关和上文描述的模块可以包括下文中的一个或多个特性。
在一个实施方式中，在通信模块的接收器接收同步信号之后的延迟时滞之后触发数据消息的无线电广播。
凭借这些特性，避免了由不同通信模块无线电广播的数据消息之间的冲突。
在一个实施方式中，延迟时滞小于激活时段的持续时间Tr。
在一个实施方式中，延迟时滞在不同通信模块的集合内是伪随机的。例如，通过考虑通信模块的序列号来生成延迟时滞。
在一个实施方式中，占空比DC小于监管阈值。
在一个实施方式中，占空比为DC＝10％。
在一个实施方式中，网关的范围大于1km。
例如，技术诸如长距离(LoRa)或SIGFOX技术可用于网关的无线电发射。优选地，通信模块的接收器使用的功率小于25mW，并且网关的发射器使用的功率小于500mW。
在一个实施方式中，网关是地理上移动的。
凭借这些特性，网关可以在选定的地理区域上收集数据。
在一个实施方式中，无线电广播时段的持续时间Tx在2秒和30秒之间，优选地，无线电广播时段的持续时间Tx是6.6秒。
在一个实施方式中，占空比DC是10％，并且无线电广播时段的持续时间Tx是6.6秒。在该实施方式中，发射窗口的持续时间因此是0.6秒并且激活时段的持续时间是6秒。
在一个实施方式中，会聚时段在30秒和2分钟之间，优选地，会聚时段是约60秒。
实际上，以30km/h的速度移动的范围等于1km的移动网关将需要持续时间等于2分钟的最大会聚时段加上延迟时滞，以便远程读取配备范围等于1km的通信模块的任何测量仪器或水表、电表、气表。
以120km/h的速度移动的范围等于1km的移动网关将需要持续时间等于30秒的最大会聚时段加上延迟时滞，以便远程读取配备范围等于1km的通信模块的任何测量仪器或水表、电表、气表。
以30km/h的速度移动的范围等于1km的移动网关将需要持续时间等于171秒的最大会聚时段加上延迟时滞，以便远程读取配备范围等于700m的通信模块的任何测量仪器或水表、电表、气表。对于同样的相应范围的移动网关(1km)和通信模块(700m)，50km/h的速度的移动网关将需要持续时间等于最大会聚时段103秒加上延迟时滞以及120km/h的速度的移动网关将需要持续时间等于43秒的最大会聚时段加上延迟时滞。
实际上，通信模块在最大会聚时段期间保持在网关的范围内，其是为了允许通信模块接收同步信号所需的最大持续时间。
实际上，对于最小持续时间等于延迟时滞在模块已经接收到同步信号之后，网关保持在通信模块的范围内，从而允许网关接收数据消息。
在一个实施方式中，唤醒窗口的持续时间在5毫秒和15毫秒之间，优选地，唤醒窗口的持续时间为约10毫秒。
在一个实施方式中，通信模块的接收器在唤醒窗口和所述发射窗口之间的重叠期间延长唤醒窗口的持续时间，直到发射窗口的结束。
在一个实施方式中，同步信号包括前导码、同步字和网关的标识。
在一个实施方式中，通信模块还包括与仪器的接口，该接口能够获取待记录在存储器中的数据。例如，周期性地记录数据。例如，记录时段多于激活时段的1000倍。例如，这些数据是水表或电表读数。
本发明还提供了一种机动车辆，包括上文描述的网关，其中网关的发射器呈现至少1km的无线电广播范围。
本发明还提供了一种无线电通信系统，包括上述网关和设置在网关发射器的无线电覆盖区域中的多个上述通信模块。
优选地，每个通信模块的发射器被配置为在由同步信号的通信模块的接收器接收之后的延迟时滞之后无线电广播数据消息，延迟时滞被配置在通信模块的存储器中。
附图说明
在下面参考附图描述本发明的几个特定实施方式的过程中，将更好地理解本发明，并且其其他目的、细节、特性和优点将更加明显，该实施方式仅通过非限制性说明的方式给出。
-图1是执行远程读取村庄水表的通信模块的移动网关的图。
-图2是执行远程读取城镇区域的水表的通信模块的固定网关的图。
-图3是网关和通信模块交换数据的图。
-图4是图3的网关发射同步和图3的通信模块的响应的图。
-图5是示出由网关周期性发射同步信号以及由第一通信模块和第二通信模块监听的窗口的周期性打开图。
-图6是用于第二通信模块的图5的图。
-图7是同步信号的周期性发射的放大图。
具体实施方式
图3表示根据本发明一个实施方式的网关1。网关1是接口，允许数据从通信模块7无线电传送到网络13，例如本地IP网络或广域网诸如因特网网络。
网关1包括能够与网络13通信的接口12。因而，与通信模块7交换的无线电数据可以被传输到网络13。
网关1包括发射器10和接收器11，能够向通信模块7发射无线电波并从该通信模块接收无线电波。
发射器10和接收器11包括至少一个天线，意在辐射或拾取无线电波，该无线电波经由无线电传输信道运送待与在半径为1千米的范围14内的通信模块7交换的数据。
发射器10和接收器11还以本身已知的方式包括对无线电传输信道中的无线电波进行模拟和数字处理的装置。
网关1包括时钟15，能够在连续无线电广播时段期间周期性地触发同步信号17的发送。无线电广播时段的持续时间被配置为Tx＝6.6秒。
接收器11持续激活。发射器10被配置为仅在发射窗口期间激活。
出于无线电传输信道占用的监管原因，最大允许占空比DC为10％。占空比定义为发射信号的持续时间与无线电广播时段的持续时间之间的比率。
因而，发射器10被配置为周期性地发射发射窗口持续时间Dx＝0.6秒的同步信号17，以便符合DC＝Dx/Tx。
同步信号包括同步字，也称为“同步字(SyncWord)”，以及包括网关1的标识的短数据消息。
通过在同步字之前通过可调节长度的前导码，可以调节发射窗口的持续时间。
网关还包括用于处理信号和用于检查的装置，其既未表示也未描述。
最后，网关1包括允许其供电的电池16。
通信模块7也在图3中描述。通信模块7包括接收器18。
通信模块7还包括时钟(未示出)，被配置为在持续时间Tr＝6s的激活时段内在10ms的唤醒窗口期间周期性地触发接收器18的激活。
接收器18被配置为在唤醒窗口与由网关1发射的同步信号17的发射窗口重叠期间接收同步信号17。
通信模块还包括发射器19，能够响应于同步信号17的接收而无线电广播数据消息20。
发射器19被配置成使得在同步信号17由通信模块7的接收器18的实际接收之后的延迟时滞Δ之后触发数据消息20的无线电广播。
图4表示网关1对同步信号17的周期传输。
在其中网关1是移动的情况下，通信模块7可能位于网关1的范围14之外。这是在时间轴线22上由持续时间21表示的：同步信号17没有到达通信模块7的目标，并且在网关1和通信模块7之间不执行数据通信。
当移动网关1接近通信模块7时，通信模块7进入范围14内。
因此，通信模块7的接收器18可以接收网关1的同步信号17。然而，通信模块7的接收器18不是持续激活的，而是仅在唤醒窗口期间激活。
因此，在时刻23到达的同步信号17不被非激活的接收器18读取。
在时刻24期间，接收器18被唤醒。因此，唤醒窗口和发射窗口存在重叠。
因而，通信模块7的接收器18实际上接收网关1的同步信号17。
通信模块7被配置为使得在同步信号17的接收期间，唤醒窗口被延长。
因而，通信模块7可以读取包括在同步信号17中的同步字，以及网关1的标识，并通过传输数据消息20进行响应。
图5更精确地示出了针对第一通信模块7的发射窗口和唤醒窗口的重叠，而图6示出了针对第二通信模块7的发射窗口和唤醒窗口的重叠。
在图5和图6中，时间轴线22被切割成固定持续时间的基本时段25。
出于表示的原因，选择基本时段的持续时间等于激活时段Tr的持续时间。
第一时间格26和第二时间格27为相同的比例并且分别表示事件到达网关1的发射器10和通信模块7的接收器18。
特别地，第一时间格26显示在持续时间Tx的每个无线电广播时段内同步信号17发射窗口28的周期性连续。
第二时间格27显示在持续时间Tr的每个激活时段内通信模块7的接收器18的唤醒窗口29的周期性连续。
在图5和图6中，观察到通信模块7和网关1的时钟不同步。实际上，前几个发射窗口28和唤醒窗口29不重叠。
如我们将看到的，通信模块7和网关1的时钟不需要同步，以便使发射窗口28和唤醒窗口29的重叠以在称为会聚持续时间Tc的确定的最大持续时间内发生。
实际上，激活时段的持续时间Tr被设计为等于：
Tr＝Tx/(1+DC)。
凭借这个选择，最大会聚持续时间Tc等于：
Tc＝Tr.DC-1
因而，通过设计，可以通过施加激活时段的持续时间Tr来选择会聚持续时间Tc，其为给定的占空比DC所选择的。
这里，占空比等于DC＝10％，因此会聚持续时间Tc等于激活时段的持续时间Tr的10倍。对于持续时间Tr＝6s，会聚持续时间Tc因此等于一分钟。
因而，在10个连续的激活时段完成时，确定将发生唤醒窗口29和发射窗口28之间的重叠。
在图5的示例中，该重叠30发生在所表示的第8激活时段。在图6的示例中，该重叠30发生在所表示的第2激活时段。
如所表示的，通信模块7的发射器19然后在预先配置或随机的延迟的持续时间Δ之后发射数据消息20。
因而，几个通信模块7可以朝向同一网关1发射数据消息20，因为通信模块7的唤醒时段29的去同步以及在延迟的持续时间Δ之后发送数据消息20，从一个通信模块与另一个是不同的，使得可以最小化源自两个不同通信模块的两个数据消息20同时到达网关1的接收器10的风险。
图7显示了本发明的重要方面。为说明的需要时间格26被放大表示。如所表示的，每个发射窗口28呈现了开始31和结束32。每个发射窗口28呈现了持续时间Dx。发射窗口28的每个开始31与随后的发射窗口28的开始31通过无线电广播时段的持续时间Tx分开。
无线电广播时段的持续时间Tx等于激活时段的持续时间Tr与发射窗口28的持续时间Dx的总和。因而，发射窗口28的开始31从随后的发射窗口28的开始31偏移持续时间Dx。
激活时段可以被切割成数量N的连续基本时隙33。对于等于DC-1的数量N，基本时隙33的持续时间等于发射窗口28的持续时间Dx。
在激活时段的数量N-1，等于基本时隙33的数量减去基本时隙之后，激活时段的连续基本时隙33的每个因此已经被发射窗口28重叠。
因而，唤醒窗口29，本质上不管其在激活时段中的开始日期和其持续时间，将必然在激活时段的数量N-1个之后与发射窗口28重叠。
因而，通信模块7和网关1之间的数据通信是可能的，同时具有极短的唤醒窗口29和发射窗口28的持续时间，以便节省通信模块7和网关1的电池。
重要的是注意，激活时段的持续时间Tr的减少可以引起通信模块7和网关1的电池的寿命减少。
此外，在通信模块7的密集网络的情况下，选择太短的激活时段的持续时间Tr可能导致源自通信模块7的数据消息20在网关1中的拥塞。
因此，有必要寻求妥协，特别是考虑到监管限制。
对于10％的监管占空比值，在上文的附图的示例中引用的数值持续时间是令人满意的。
图1和图2将示出本发明的有利用途。
图1表示村庄4，其中有几个房屋5。这些房屋5中的每一个都配备有水表6。
事先，向房屋5供水的公司的雇员必须定期亲自去读取水表6上指示的耗水量指数。
凭借本发明，使得可以远程传输每个房屋5的耗水量的指数。
本发明的实施方式为此目的提供了车2上携带的网关1。网关1使得可以在千米的半径内通过无线电波进行通信。
每个水表6配备有能够通过无线电波与网关1通信的通信模块7。
通过网关1与车2的无线电通信，使得可以读取耗水量指数。因而，可以读取在车的每个位置处位于网关1范围内的所有房屋5的水表6的指数。随着车2在道路3上移动穿过村庄4，可以由车2携带的一个和同一网关1覆盖的地理区域的范围增加。
因而，本发明提供了一种借助于一个和同一个网关1覆盖大地理区域的解决方案。
本发明的特别有利之处在于其使得可以将具有超过10年寿命的电池集成到网关1内。
图2表示城镇9，其中有公寓楼8。这些公寓楼8的每个公寓或这些公寓楼8的每个都配备有水表6，其本身配备有通信模块7。网关1安装在其中一个公寓楼8的屋顶上方的天线上，并且具有千米的范围。因此，对于网关1范围内的所有公寓楼8，可以远程读取每个水表6，类似于图1的描述。
因而，本发明提供了一种借助于一个和同一个网关覆盖高密度区域的通信模块7的解决方案。
在前面的描述中，参数Tx、Tr和Tc是恒定的。
在演变的实施方式中，参数Tx、Tr和Tc可以根据大于会聚持续时间Tc，优选地是会聚持续时间Tc的5倍的特性时间随时间演变。
尽管已经结合若干特定实施方式描述了本发明，但是非常明显的是，其绝不限于此，并且其包括所描述的装置的所有技术等同物以及它们的组合，如果后者进入本发明的范围内。
动词“包含”或“包括”及其结合形式的使用不排除权利要求中所述之外的步骤和所述之外的元件的存在。除非相反地提及，否则对元件或步骤使用不定冠词“一”或“一个”不排除多个这种元件或步骤的存在。
在权利要求中，括号内的任何附图标记不应被解释为对权利要求的限制。

Claims (14)

1.一种用于在网关(1)和通信模块(7)之间建立通信的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在连续无线电广播时段内周期性地从网关无线电广播同步信号(17)，所述同步信号在每个无线电广播时段内的限定持续时间Dx的发射窗口(28)期间被发射，
在连续激活时段内周期性地激活通信模块(7)的接收器(18)，所述通信模块的接收器在每个激活时段内的唤醒窗口(29)期间被激活，所述唤醒窗口(29)的持续时间小于所述激活时段的持续时间Tr，
在所述唤醒窗口(29)和所述发射窗口(28)之间的重叠期间，由通信模块(7)的接收器(18)接收所述同步无线电信号，
从所述通信模块(7)的发射器(19)无线电广播数据消息(20)，所述数据消息的无线电广播由所述同步信号(17)的接收触发，
由所述网关(1)的接收器(11)接收所述数据消息(20)，其中，
所述同步信号的发射窗口(28)的持续时间Dx和所述无线电广播时段的持续时间Tx之间的占空比DC＝Dx/Tx小于50％，
所述激活时段的持续时间Tr为Tr＝Tx/(1+DC)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述通信模块(7)的接收器(18)接收所述同步信号(17)之后的延迟时滞(Δ)之后，触发所述数据消息(20)的无线电广播。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述延迟时滞(Δ)小于激活时段的持续时间Tr。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述占空比DC小于监管阈值。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述网关(1)的无线电广播范围(14)大于1km。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述网关(1)是地理上可移动的。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述无线电广播时段的持续时间Tx在2秒和30秒之间。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述通信模块(7)的接收器(19)在唤醒窗口(29)和所述发射窗口(28)之间的重叠(30)期间延长所述唤醒窗口(29)的所述持续时间，直到所述发射窗口的结束。
9.一种网关(1)，意在与通信模块(7)进行无线通信，所述通信模块包括接收器(18)，呈现以持续时间Tr的时段周期性重复的连续唤醒窗口，其特征在于，所述网关包括：
时钟(16)，被配置为在连续无线电广播时段内周期性地触发同步信号(17)的无线电广播，所述无线电广播时段呈现持续时间Tx，
发射器(10)，被配置为无线电广播所述同步信号(17)，所述同步信号在每个无线电广播时段内的限定持续时间Dx的发射窗口(28)期间被发射，
接收器(11)，被配置为在所述通信模块(7)的接收器(18)的唤醒窗口(29)与所述发射窗口(28)之间的重叠之后接收来自所述通信模块(7)的发射器的数据消息(20)，其中，
所述同步信号的发射窗口的持续时间Dx和所述无线电广播时段的持续时间Tx之间的占空比DC＝Dx/Tx小于50％，所述无线电广播时段的持续时间Tx为Tx＝Tr.(1+DC)。
10.根据权利要求9所述的网关(1)，还包括与网络的通信接口，被配置为将数据消息传输到网络(13)。
11.一种机动车辆(2)，包括根据权利要求9或10所述的网关(1)，其中所述网关的发射器(10)呈现大于1km的无线电广播范围(14)。
12.一种通信模块(7)，能够将数据传输到根据权利要求9所述的网关(1)，所述通信模块包括：
接收器(18)，
时钟，被配置为在激活时段内在唤醒窗口(29)期间周期性地触发所述接收器的激活，所述唤醒窗口的持续时间小于所述激活时段的持续时间Tr的1％，
所述接收器(18)能够在唤醒窗口(29)与由网关(1)发射的同步信号(17)的发射窗口(28)的重叠期间接收网关(1)发射的同步无线电信号(17)，
存储器，包括待传输的数据，
发射器(19)，被配置为响应于由所述接收器接收所述同步无线电信号而无线电广播数据消息(20)。
13.一种无线电通信系统，包括根据权利要求9或10所述的网关(1)和多个根据权利要求12所述的通信模块(7)，所述通信模块(7)设置在所述网关的发射器(10)的无线电覆盖的区域内。
14.根据权利要求13所述的无线电通信系统，其中，每个通信模块的所述发射器被配置为在由所述通信模块(7)的接收器(18)接收所述同步信号(17)之后的延迟时滞(Δ)之后无线电广播所述数据消息(20)，所述延迟时滞(Δ)被配置在所述通信模块(7)的存储器中。
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