CN110691400B - 执行机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括控制中心(3)和至少一个具有通信单元(5)的执行机构(2)的系统(1)，所述通信单元构成为用于与控制中心(3)经由至少一个无线电连接(6)在Sub‑GHz范围内通信。

Description

执行机构
技术领域
本发明涉及一种具有通信单元的执行机构，该通信单元构成为用于与控制中心经由无线电连接通信。
背景技术
执行机构通常具有本地服务接口，经由该本地服务接口可以进行配置和故障诊断。
所述服务接口可以有线或无线地构成。通常使用现有技术中已知的无线的经由WLAN或蓝牙的无线电连接。这些无线电连接然而具有非常小的有效范围，从而为了使用服务接口而必须存在一定的空间接近度。
例如为了在一个设备的所有执行机构上进行诊断，尽管是无线电连接，技术人员也必须走到每个执行机构处。因此尤其是在具有分布设置的执行机构的大设备时，需要显著的时间耗费。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种上述类型的执行机构，其服务接口也可以在较远距离使用。
按照本发明，所述目的通过一种执行机构来实现，其具有通信单元，该通信单元构成为用于与控制中心经由在Sub-GHz范围内的无线电连接通信，其中，执行机构具有与通信单元连接的天线，其中，执行机构具有节能模式，该节能模式能够通过经由无线电连接接收唤醒信号而结束，其特征在于，通信单元同时与控制中心保持两个无线电连接，这两个无线电连接使用两个不同的频带，并且发送功率适配于传输频率，在高频率时发送功率较高。
按照本发明的执行机构尤其是具有如下特征，在开头提到类型的执行机构中，无线电连接处于Sub-GHz范围内的频带上。使用的传输频率在此小于1GHz。对于无线传输，例如在德国，具有433.05MHz和434.79MHz之间的频率的频带EU433和具有863MHz和870MHz之间的频率的EU863-870是允许的。在其它国家，也可以允许其它和/或另外的频带。由于无线电波的波长与例如常见的2.4GHz频带相比更大，因此实现了显著更高的有效范围。
对于数据传输而言多个协议可供使用，例如6LoWPAN、WMBUS、SigFox、LoRaWAN或其它。
尤其有利的是，无线电连接使用LoRaWAN协议。通过该方式可实现直至20km以上的有效范围。因此即使在非常大的设备中，广泛分布的执行机构也可以容易地从中央地点由控制中心响应。
另一优点在于LoRaWAN的非常小的能量消耗。在另一有利的实施方式中，执行机构具有分散和/或自给自足的能量供应装置。这具有如下优点：在非常偏远、难以到达的地方，执行机构可以在非常长的时间段上例如用紧凑的电池运行。
在一种有利的实施方式中，执行机构具有至少一个定向天线。通过将发送天线和接收天线定向，可以提高有效范围和/或降低能量消耗。
在此，尤其是执行机构的天线可以构成为定向天线，其指向控制中心或中间站。原则上天线也可以指向控制中心。然而当执行机构在网络系统中围绕控制中心分布设置时，全向的天线可以是有利的。
在另一有利的实施方式中，执行机构具有多个天线。
在此天线可以同时用于借助于天线多样性来最小化传输错误。
天线也可以按照信号质量或距离进行选择，从而始终仅一个合适的天线是激活的。尤其有利的是设有具有不同增益的天线。
尤其有利的也可以是，在信号质量较差时提高发送功率，并且反之亦然。
基于大的波长，无线电连接的穿透性非常好。因此在执行机构具有金属壳体时或者在距离非常远时可以有利的是，至少一个天线设置在执行机构的壳体之外。
然而也符合目的的是，天线与壳体分开地设置在对于无线电连接有利的地方，例如在屋顶或桅杆上的提高的位置上。
网络系统中的无线电连接全部可以处于同一频带中。在一种有利的实施方式中，通信单元可以构成用于使用在不同的频带中。因此例如可以对于离得更远的执行机构使用具有较小频率的频带。控制中心和/或执行机构因此可以构成为，使得它们自主确定距离和自动选择相应的频率。
在此可以有利的是，执行机构对于每个频率具有至少一个配设的天线。以这种方式可以将天线最佳地与频率协调，由此可实现改善的发送和接收功率。
在另一有利的实施方式中，执行机构对于每个频率具有至少两个天线，并且如上所述，天线按照信号质量和/或距离进行选择。
原则上有利地可以是，发送功率适配于距离，由此尤其是在距离近时通过减小发送功率来节省能量。
在本发明的一种有利的进一步扩展方案中，通信单元同时与控制中心保持两个无线电连接。这些无线电连接在此可以是等效的并且因此冗余的。然而也可以有利的是，一个无线电连接仅用于发送，而另一个仅用于接收。
然而尤其有利的是，无线电连接使用不同的频率。这些频率在此可以处于同一频带中或者处于不同频带中。在上述的例子中，因此一个无线电连接使用433MHz频带内的频率，而其它无线电连接使用SRD 868MHz频带内的频率。通过这种方式，通信不易受干扰。尤其有利的是，两个无线电连接冗余地传输相同数据。
在一种有利的实施方式中，发送功率适配于传输频率，其中，尤其是在高频率时，发送功率较高，而在低频率时较低。由此可实现节能的运行，并且实现：两个发送频率例如达到相同的有效范围。
在本发明的一种实施方式中，执行机构具有自给自足和/或分散的能量供应装置。这意味着，不存在至电网的接口。这尤其是可以在偏远的地方、例如沿着管道线是有利的。基于通信单元的小的能量消耗，在运行中在非常长的时间段上，尤其是直至数年都是可以的。能量供应装置例如可以经由蓄电池实现，其经由太阳能电池供能。
在此为了实现进一步节能，适宜的可以是，无线电连接仅周期性地或在固定的时间点和/或或仅在能量供应装置足够时被激活。在此可以规定，在控制中心中存储和评估，在哪些时刻可到达执行机构，即无线电连接可激活或被激活。
在一种有利的实施方式中，执行机构具有节能模式，在该节能模式中仅激活通信单元。执行机构的控制装置、尤其是存在的驱动马达和所属的功率控制装置然而被关断。
节能模式优选可以从外部通过唤醒信号(其经由无线电连接来接收)结束。在该情况下，可以通过评估唤醒信号来决定，是否应激活驱动控制装置。在此有利的是，唤醒信号包含附加信息。
本发明还包括一种控制中心，其具有通信单元，该通信单元构成为用于与按照本发明的执行机构经由无线的无线电连接通信，其中，无线电连接处于Sub-GHz范围内的频带上。
控制中心与一个或多个按照本发明的执行机构基本上形成星形网络系统，在该星形网络系统中，通常仅设置一个控制中心。基于无线电连接的大的有效范围，控制中心可以设置在如下地方，这地方能够方便且容易地到达或访问。控制中心也可以是移动的控制中心，例如移动计算机或平板电脑。
本发明可特别有利地使用在如下系统中，该系统包括控制中心和至少一个按照本发明的执行机构。
附图说明
接下来借助优选实施例参照附图详细阐述本发明。
附图示出：
图1示出点对点网络系统，其具有一个按照本发明的控制中心和多个按照本发明的执行机构，
图2示出与控制中心建立无线电连接的流程图，
图3示出与执行机构建立无线电连接的流程图，
图4示出由控制中心唤醒执行机构的流程图，
图5示出执行机构的唤醒过程的流程图，
图6示出与控制中心路由无线电连接的流程图，以及
图7示出与执行机构路由无线电连接的流程图。
具体实施方式
图1示例性示出一个系统1，其包括多个执行机构2和一个控制中心3。控制中心3例如示出为建筑物。然而控制中心3不依赖于某个地方，而是也可以由移动计算机或平板电脑构成。
控制中心3附加地可以与因特网4连接，由此也可以实现远程访问控制中心3和因此所述系统1。控制中心3具有天线8，经由该天线，与控制中心3的无线电连接可以得以建立。本领域技术人员知悉，控制中心也可以具有多个天线8。
在系统1中例如设置三个执行机构2。每个执行机构2具有一个通信单元5，利用其建立或可建立与控制中心3的点对点无线电连接6。执行机构2与控制中心3形成一个封闭的网络系统。
除了通信单元5，执行机构2通常具有控制设备(Stellwerk)7，其例如具有驱动促动器的驱动马达。这样的控制设备7例如可以是阀或滑件。执行机构2的类型对于本发明不重要，因此在此仅给出了有助于理解本发明的信息。本发明应始终不局限于所提到的执行机构2。
按照本发明，系统1的网络系统基于在控制中心3和每个执行机构2之间的点对点无线电连接6。无线电连接6在此使用Sub-GHz范围内的频带。无线电连接因此具有小于1GHz的频率。无线电连接在此使用在相应国家允许的频率。下表列出了选定国家的频带和频率的一些例子。通过LoRa AllianceTM可以获得所有国家的允许频率的完整列表。
本发明因此不局限于一个确定的频带。然而可以有意义的是，将执行机构、尤其是一个或多个天线适配于一个或多个在相应目标区允许的频带，这是因为天线因此可以达到最佳的发送和接收功率。
例如执行机构2构成为，使得执行机构同时与控制中心3建立和保持两个无线电连接6。在此，两个无线电连接6使用不同的频带。执行机构2为此分别具有至少一个固定配设给一个频带的天线8。因此，天线8可以正好与相应的频带协调。相应第一无线电连接6a例如使用具有在欧盟(EU)内批准的EU433频带的频率的频带。相应第二无线电连接6b例如使用EU863-870频带。当然也可以使用其它批准或规制的频带。
最佳地，执行机构2的天线8可以是指向控制中心3的定向天线，由此可以增大有效范围或者可以减小能量消耗。
两个无线电连接6例如冗余地设计。这意味着，所有数据分别经由两个无线电连接6并行传输。因为两个频带具有不同的易受干扰性，所以干扰原因不一定影响两个无线电连接6。由此实现非常高的传输安全性。
对于无线电连接6例如使用LoRaWAN协议。该协议具有非常高的有效范围、小的能量消耗和简单的实施方式。
基于执行机构2的小的能量消耗，能量供应例如可以通过分散的能量供应装置进行。尤其是在偏远地方，执行机构2例如可以经由太阳能板、风车或经由水力来供能。
为了在系统1中建立无线电连接6，执行机构2必须首先在网络系统中初始化。
所述初始化由控制中心3按照图2的流程图进行。
为此，在控制中心中首先选择10一个频带，在其上接收11Ping信息。这样的Ping信息由执行机构在初始化中发送，如参照图3后续阐述那样。
如果即使在预定的等待时间34之后还没有接收到Ping信息，那么检查，是否已经检查12所有可能的频带。如果不是，那么在另一频带上重复10接收。
然而如果已接收到Ping信息，那么发送13响应并且同时检查12，是否所有频带已被继续搜索。
如果所有频带已被搜索，那么建立14无线电连接的列表。接着建立路由表，其至少包含至少一个唯一的执行机构地址(ID)和该无线电连接的频带。所述路由表后续用于建立无线电连接以用于传输数据和用于限定网络系统。
图3示出执行机构2初始化的流程图。执行机构2首先开放一个频带16。为此选择17一个合适的天线8。接下来发送18Ping信息。所述Ping信息包含至少一个唯一的执行机构2标记(ID)、接收信号强度(RSSI)和有效期(TTL)，在有效期内可以响应信息。
接下来检查19，在有效期内是否已接收到控制中心3的响应。如果不是，那么发送18新的Ping信息。
一旦接收到响应，则检查20，是否已经选择所有存在的天线8。如果不是，那么继续选择17一个新的天线。
如果是，那么检查21，是否选择了所有频带。如果不是，继续开放16一个新的频带。如果是，那么结束初始化。
控制中心3现在在其路由表中具有所有天线和频带，在这些天线和频带的情况下可到达执行机构2。
执行机构2为了进一步节能而可具有睡眠模式，在该睡眠模式中不维持持续的无线电连接。通信单元例如周期性地激活，以便接收唤醒信号。
此外，控制设备也可以处于38节能模式中。
为了唤醒执行机构2，按照图4的流程图，控制中心3将唤醒信号发送至执行机构2。首先选择22一个频带并且发送23唤醒信号。
如果获得24对唤醒信号的响应，那么建立至执行机构的无线电连接。
如果没有获得响应，那么首先检查25，是否选择了所有频带。如果不是，那么选择22新的频带和重复该过程。否则，唤醒不成功并结束。
执行机构2按照图5处于睡眠模式38中。在此周期性地检查26，是否接收到唤醒信号。
如果是，那么唤醒27执行机构并且发送28Ping信息，其如初始化的Ping信息那样包含至少一个ID、TTL和RSSI。
与执行机构2的通信按照图6的流程图进行。应建立无线电连接6的执行机构2由路由表确定29。开放30在此存储的频带并且建立31无线电连接，首先使用最大的发送功率。如果不能建立32连接，那么执行33按照图2的初始化。否则可以经由无线电连接进行通信。
在执行机构侧上按照图7流程图进行路由。执行机构2首先以最大功率开放34频带并且等待25接收控制中心3的响应。如果这不成功，那么按照图3执行36初始化。
附图标记列表
1 网络系统
2 执行机构
3 控制中心
4 因特网
5 通信单元
6 无线电连接
6a 无线电连接频带1
6b 无线电连接频带2
7 控制设备
8 天线
10 选择频带
11 接收Ping信息
12 选择了所有频带？
13 发送响应
14 建立参与者列表
15 建立路由表
16 开放频带
17 选择天线
18 发送Ping信息
19 接收到响应？
20 选择了所有天线？
21 选择了所有频带？
22 选择频带
23 发送唤醒信号
24 获得响应？
25 选择了所有频带？
26 接收到唤醒信号？
27 唤醒
28 发送响应
29 确定参与者
30 开放频带
31 建立无线电连接
32 建立了无线电连接？
33 执行初始化
34 开放频带
35 接收到响应？
36 执行初始化
37 走完了等待时间？
38 睡眠模式中的执行机构

Claims (11)

1.执行机构(2)，具有通信单元(5)，该通信单元构成为用于与控制中心(3)经由在Sub-GHz范围内的无线电连接(6)通信，其中，执行机构(2)具有与通信单元(5)连接的天线(8)，其中，执行机构(2)具有节能模式，该节能模式能够通过经由无线电连接(6)接收(26)唤醒信号而结束，其特征在于，通信单元(5)同时与控制中心(3)保持两个无线电连接(6)，这两个无线电连接(6)使用两个不同的频带，并且发送功率适配于传输频率，在高频率时发送功率较高。
2.按照权利要求1所述的执行机构，其特征在于，无线电连接(6)使用LoRaWAN协议。
3.按照权利要求1或2所述的执行机构，其特征在于，至少一个天线(8)是定向天线。
4.按照权利要求1或2所述的执行机构，其特征在于，至少一个天线(8)设置在执行机构(2)的壳体之外。
5.按照权利要求1或2所述的执行机构，其特征在于，执行机构(2)具有多个天线(8)，它们能够单独或共同使用。
6.按照权利要求1或2所述的执行机构，其特征在于，为每个无线电连接(6)设置一个单独的天线(8)。
7.按照权利要求5所述的执行机构，其特征在于，一个天线(8)按照信号质量来使用。
8.按照权利要求1或2所述的执行机构，其特征在于，执行机构(2)具有自给自足的能量供应装置，和/或无线电连接(6)仅周期性地和/或仅在能量供应足够时激活。
9.按照权利要求1或2所述的执行机构，其特征在于，在所述节能模式中仅激活通信单元(5)，和/或唤醒信号包含附加信息。
10.控制中心(3)，具有通信单元，该通信单元构成为用于与按照权利要求1至9之一所述的执行机构经由无线电连接(6)通信，其中，无线电连接(6)处于Sub-GHz范围内的频带上，在控制中心(3)中能够存储和评估，在哪些时刻能到达执行机构(2)，并且控制中心构成为用于经由无线电连接(6)发送唤醒信号。
11.包括按照权利要求10所述的控制中心(3)和至少一个按照权利要求1至9之一所述的执行机构(2)的系统(1)，所述执行机构分别经由点对点无线电连接(6)与控制中心(3)连接。
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