CN111147105A - 一种随器计量模块的通信方法 - Google Patents

Abstract

一种随器计量模块的通信方法，随器计量模块通过电力线载波集抄网络与主节点进行数据交互，随器计量模块监听供电线路上是否有信标信号；如果随器计量模块接收到信标信号，则指定一个智能电表子节点作为中继节点发送入网申请信号；中继节点将入网申请信号发送给主节点，主节点继续转发给设备号管理终端；设备号管理终端根据入网申请信号鉴定该随器计量模块是否为合法设备并反馈给主节点；对于合法设备，主节点发送允许入网信号，反之发送拒绝入网信号；中继节点转发允许/拒绝入网信号；随器计量模块接收到允许入网信号完成入网，接收到拒绝入网信号停止入网。本发明方法利用了现成的电力线载波集抄网络实现随器计量模块的数据通信，实现成本低。

Description

一种随器计量模块的通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤指涉及一种随器计量模块的通信方法。

背景技术

随器计量是中国国家电网提出并大力推进的一种面向用户侧居民用电设备的感知技术，其具有电参量量测、环境参量感知和控制策略输出等功能，可以实现对用户用电负荷的精确感知，满足家用电器级的深度感知和精准控制的需求，为用电设备的精准运行监测、智能控制以及区域性宏观协同运行提供了基础性支撑。随器计量技术是在电器中设置一内嵌式小型随器计量模块，通过随器计量模块采集电器的电压、电流、功率等数据信息，从而对电器的用电行为进行计量监控。基于随器计量模块收集的数据，可以分析电器的耗电曲线，实现对用户用电习惯的分析、推测用电需求，以提升客户侧能效，更好地满足需求响应、智能用电、安全用电、智能家居和智慧社区等应用的需求，同时还可以为各行业及政府宏观政策制定提供第一手数据支持以及数据增值服务。

由于随器计量模块是设置在各种电器中，其数量庞大，在实际应用中面临的最大问题就是计量数据的通信问题，为这些随器计量模块找到一种合适的通信方式是决定随器计量技术未来发展前景的重要因素。目前计量数据的传输主要采用Wi-Fi，Zigbee，NB-IoT，LORA，LPWAN等通信技术实现，但这些通信技术或成本高、或可用频率资源不足、或存在专利技术壁垒等问题，在大规模推广和应用上受到了限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本的实现随器计量模块通信的方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种随器计量模块的通信方法，所述随器计量模块设置于用电设备中，所述随器计量模块通过电力线载波集抄网络与台区的主节点进行数据交互，所述电力线载波集抄网络包括主节点和智能电表子节点，所述主节点与一设备号管理终端通信连接，所述设备号管理终端存储有随器计量模块的入网设备编号；所述通信方法包括以下步骤：

随器计量模块通电工作后，监听供电线路上是否存在电力线载波集抄网络的信标信号；

如果未入网的随器计量模块接收到信标信号，则指定一个信标接收信号质量最好的智能电表子节点作为中继节点，在该信标周期的CSMA时隙区中使用CSMA信道接入方式向中继节点竞争发送入网申请信号，入网申请信号中携带自身的入网设备编号信息；

被随器计量模块指定为中继节点的智能电表子节点收到随器计量模块发送的入网申请信号后，将入网申请信号发送给主节点；

主节点收到随器计量模块的入网申请信号后，将入网申请信号发送给设备号管理终端；

设备号管理终端接收到主节点转发的入网申请信号后，根据其中所携带的入网设备编号信息鉴定该随器计量模块是否为合法设备，并将鉴权结果反馈给主节点；

主节点接收设备号管理终端发送的鉴权结果，对于被鉴定为合法设备的随器计量模块，向转发该入网申请信号的中继节点发送允许入网信号，反之则发送拒绝入网信号；

中继节点接收到主节点发送的允许入网信号或拒绝入网信号后，转发给该申请入网信号的随器计量模块；

如果随器计量模块接收到的是允许入网信号，则完成入网，如果接收到的是拒绝入网信号，则停止入网。

进一步的，所述智能电表子节点接收到来自所述随器计量模块的信号时，如果自己是该信号指定的中继节点，则对该信号进行转发；转发时，如果所述智能电表直接点自身有计量数据要发送，则优先发送自身的计量数据，然后再转发随器计量模块的信号。

进一步的，当所述智能电表子节点收到随器计量模块发送的入网申请信号后，向所述随器计量模块发送接收确认，然后再将入网申请信号发送给主节点；如果随器计量模块没有接收到中继节点的接收确认信号，则更换另一个中继节点发送入网申请信号。

进一步的，随器计量模块在发送1次入网申请信号后，在预定时间内没有收到允许入网信号或拒绝入网信号，则更换一个中继节点，重新发起入网申请，直至收到允许入网信号或拒绝入网信号，或发送次数达到上限。

进一步的，所述主节点为所有的随器计量模块分配为一个固定网络短地址，随器计量模块在发送计量数据时，计量数据中包括固定分配网络短地址和自身的入网设备编号。

进一步的，所述随器计量模块的计量数据的目的节点为设备号管理终端。

进一步的，所述随器计量模块只能向智能电表子节点发送自身待传输的数据信号，随器计量模块之间不能进行相互通信。

进一步的，所述主节点根据网络当前通信状态决定本信标周期是否允许随器计量模块发送信号，如果网络当前正在进行智能电表子节点的数据抄读，则不允许，如果网络空闲，则允许。

进一步的，所述随器计量模块有数据发送需求时，则监听供电线路上的信标信号，在接受到信标信号后，如果所述主节点允许随器计量模块在该信标周期内发送信号，则在该信标周期的CSMA时隙区中发送自身数据；反之则等待，直至接收到允许随器计量模块发送信号的信标信号。

由以上技术方案可知，本发明方法在智能电表原有的数据通信功能技术上，增加随器计量数据的通信功能，延扩了电力线宽带载波集抄系统的功能，以利用现有的针对智能电表的电力线载波集抄网络进行随器计量模块的数据传输，具有研发难度第、市场风险小的特点，而且本发明充分利用了已有的网络资源，无需再额外进行通信网络设施建设，实现了经济成本的最小化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实施例信标信号的时隙结构示意图。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

电力线载波通信是利用电力线来传输数据和媒体信号的一种通信技术，其利用已有电力线来组建宽带通信网络，具有无需额外进行固定设施建设、可部署环境广泛的特点。目前国内已建立起了全球规模最大的针对智能电表的电力线载波集抄系统，实现了对约5亿只智能电表的自动集抄和管理功能。设置于用电设备内的随器计量模块和智能电表在低压电力线上具有天然的物理连接关系，基于电力线载波通信技术实现随器计量模块的通信是本发明的基本思路。但和传统的智能电表计量数据的传输方式相比，随器计量数据的通信过程面临着如下的技术问题和应用风险：

1)组织隶属关系的不确定性：和智能电表采用白名单机制的固定台区组织隶属关系不同，随器计量模块安装在用电设备内部，无法预测其工作所在的位置和组织隶属关系；

2)模块数量庞大：一个家庭用户只有一个智能电表，但是可能会有多种不同类型的用电设备，因此一个台区中随器计量模块的数量可能远大于智能电表的数量；

3)随器计量数据的低优先级：电力线载波集抄系统必须优先保障网络中智能电表计量数据的传输；

4)入网台区的随机变动：一个用电设备可能在不同的时间段隶属于不同的用户，当其隶属关系变更时，其连接的用电台区也会随之发生变动，如用户A买了一个用电设备，但一段时间后该用电设备可能被转让给用户B，此时用电设备的地理位置会发生改变，其连接的用电台区也随之出现变动；

5)信号串户现象：由于电力线载波信道的复杂性，随器计量节点可能跟多个智能电表具有链路连接关系；

6)连接链路的随机时变性：随器计量模块通过低压电力线线进行数据传输时，随机出现的用电设备的插头的插拔情况会导致连接链路可能随时出现物理中断。

本发明方法是借助于现有的低压电力线载波集抄系统的通信网络来实现随器计量模块与各台区的主节点之间的双向数据交互，考虑到随器计量模块的数量可能会远大于智能电表的数量，为了避免大幅增加网络节点规模和网络运行开销，将电力线载波通信网络中的节点划分为正式节点和临时节点，正式节点是指通信网络中的主节点和子节点(智能电表)，临时节点是指随器计量模块。由于随器计量模块所产生的数据主要是用电设备的用电参数和监测信息，这类数据的重要性较低，即使出现部分数据丢失也不会对随器计量的效果产生较大的影响，而智能电表的数据更为重要，因此和正式节点相比，通信网络对临时节点业务的通信质量保障水平较低。

每一个随器计量模块具有出厂时被赋予的一个唯一的入网设备编号，本发明设置了一个设备号管理终端，将随器计量模块的入网设备号存储于设备号管理终端中，该设备号管理终端设置有综合管理平台，综合管理平台负责随器计量模块的入网管理、数据收集和处理，设备号管理终端通过电力线载波通信网络实现随器计量模块与台区主节点的双向数据交互。

下面对本发明的通信方法作进一步的说明，其步骤如下：

用电设备通电后，其内嵌的随器计量模块也开始工作，持续监听供电线路上是否存在电力线载波集抄网络的信标信号；根据载波通信标准的规定，智能电表子节点在网络运行过程中会周期性的按顺序轮流发送信标信号，信标信号中携带了本超帧中CSMA时隙区的时间位置；

未入网的随器计量模块在接收到信标信号后，指定一个信标接收信号质量最好的智能电表子节点作为中继节点，在超帧的CSMA时隙区中使用CSMA信道接入方式向中继节点竞争发送入网申请信号，入网申请信号中携带自身的入网设备编号信息；临时节点通过对信道的监听，将信号接收质量最好的正式节点(优先考虑具有代理身份的节点)设置为自身的上极中继节点，当可以根据信道情况进行跟换；

被随器计量模块指定为中继节点的智能电表子节点收到随器计量模块发送的入网申请信号后，进行接收确认，并使用载波通信标准所规定的信道接入方案和路由方案将入网申请信号发送给本网络的主节点；如果随器计量模块没有接收到中继节点的接收确认信号，则更换另一个上级中继节点发送入网申请信号；

主节点收到随器计量模块的入网申请信号后，将入网申请信号发送给设备号管理终端；

设备号管理终端收到转发的入网申请信号后，根据其中所携带的入网设备编号信息鉴定该随器计量模块是否为合法设备，并将鉴权结果反馈给主节点；

主节点收到鉴权结果后，对于被鉴定为合法设备的随器计量模块，使用载波通信标准所规定的信道接入方案和路由方案向该入网申请信号的中继节点(智能电表子节点)发送允许入网信号，反之则发送拒绝入网信号；

该入网申请信号的中继节点将接收到主节点发送的允许或拒绝入网信号，继续使用原载波通信标准所规定的信道接入方案转发给该申请入网的随器计量模块；

随器计量模块收到允许入网信号后，完成入网，如果收到的是拒绝入网信号，则停止入网；如果随器计量模块在发送1次入网申请信号后，在预定时间(如30秒)内没有收到应答信号(允许/拒绝入网信号)，则更换一个中继节点，重新发起入网申请，直至收到应答信号或发送次数(如50次)达到上限。

如果用电设备在使用过程中断电，其内嵌的随器计量通信模块将丢失所有通信参数，再次通电后会进行初始化并恢复出厂设置参数，并重新进行前述入网流程。

网络中的正式节点，当其收到一个临时节点的信号，且自己是该信号所指定的中继节点时，需要将接收到的信号中继发送给网络的主节点；但正式节点在数据发送时优先发送正式节点的数据，完成发送后再发送临时节点的随器计量数据。在入网过程中，主节点会为每个智能电表子节点分配一个在本台区中唯一的网络短地址(以下简称TEI，长度为12bit)来标识该节点在网络中的身份，由于随器计量模块数量较多，而TEI地址空间有限，因此在临时节点在入网，主节点为临时节点统一分配为一个固定TEI地址，如[1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 0]，智能电表子节点通信节点在入网时不再分配该值的TEI地址。随器计量模块在数据发送时，除了使用固定分配TEI地址外，还进一步携带自身的入网设备编号，实现对自身身份的唯一标识。

入网过程中，由主节点动态维护和每个智能电表子节点间的上行和下行路由信息，由于临时节点数量众多，为了减少网络开销，将临时节点的计量数据的目的节点统一规定为设备号管理终端，同时，临时节点只能向正式节点发送自身待传输的数据信号，临时节点之间不能进行相互通信，临时节点对其所接收到的信号也不能进行中继发送。中央协调器(CCO)不对临时节点进行的网络路由维护和心跳维护。

图2为智能电表子节点发送的信标信号的时隙划分示意图，信标信号依次包括信标时隙、TDMA时隙、CSMA时隙和绑定CSMA时隙，其中，信标时隙和TDMA时隙为非竞争时隙，CSMA时隙和绑定CSMA时隙为竞争时隙。本发明将载波通信协议中信标帧载荷字段的格式定义为表1所示，其中增加了随器计量数据的通信功能。

表2信标帧载荷字段定义表

作为信标帧信号的源头，主节点根据网络当前通信状态来自适应决定本信标周期是否允许临时节点发送信号，决策机制是如果网络当前正在进行智能电表的数据抄读，则不允许，如果网络空闲，则允许。网络启用信标帧载荷字段中第1个保留字段(长度2bit)中的第1个比特(随器计量通信标志位)来标识本信标周期内是否允许临时节点发送数据信号，0表示允许，1表示禁止。

临时节点产生数据发送需求时，需要先监听信标信号，正确接收信标信号后，如果其中的随器计量通信标志位为0，则在本信标周期内的CSMA时隙区中使用原载波通信协议所规定的CSMA信道接入方案来竞争发送自身数据；反之则等待，直至随器计量通信标志位为1。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (9)

1.一种随器计量模块的通信方法，其特征在于：所述随器计量模块设置于用电设备中，所述随器计量模块通过电力线载波集抄网络与台区的主节点进行数据交互，所述电力线载波集抄网络包括主节点和智能电表子节点，所述主节点与一设备号管理终端通信连接，所述设备号管理终端存储有随器计量模块的入网设备编号；所述通信方法包括以下步骤：

随器计量模块通电工作后，监听供电线路上是否存在电力线载波集抄网络的信标信号；

如果未入网的随器计量模块接收到信标信号，则指定一个信标接收信号质量最好的智能电表子节点作为中继节点，在该信标周期的CSMA时隙区中使用CSMA信道接入方式向中继节点竞争发送入网申请信号，入网申请信号中携带自身的入网设备编号信息；

被随器计量模块指定为中继节点的智能电表子节点收到随器计量模块发送的入网申请信号后，将入网申请信号发送给主节点；

主节点收到随器计量模块的入网申请信号后，将入网申请信号发送给设备号管理终端；

设备号管理终端接收到主节点转发的入网申请信号后，根据其中所携带的入网设备编号信息鉴定该随器计量模块是否为合法设备，并将鉴权结果反馈给主节点；

主节点接收设备号管理终端发送的鉴权结果，对于被鉴定为合法设备的随器计量模块，向转发该入网申请信号的中继节点发送允许入网信号，反之则发送拒绝入网信号；

中继节点接收到主节点发送的允许入网信号或拒绝入网信号后，转发给该申请入网信号的随器计量模块；

如果随器计量模块接收到的是允许入网信号，则完成入网，如果接收到的是拒绝入网信号，则停止入网。

2.如权利要求1所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：所述智能电表子节点接收到来自所述随器计量模块的信号时，如果自己是该信号指定的中继节点，则对该信号进行转发；转发时，如果所述智能电表直接点自身有计量数据要发送，则优先发送自身的计量数据，然后再转发随器计量模块的信号。

3.如权利要求1或2所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：当所述智能电表子节点收到随器计量模块发送的入网申请信号后，向所述随器计量模块发送接收确认，然后再将入网申请信号发送给主节点；如果随器计量模块没有接收到中继节点的接收确认信号，则更换另一个中继节点发送入网申请信号。

4.如权利要求1所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：随器计量模块在发送1次入网申请信号后，在预定时间内没有收到允许入网信号或拒绝入网信号，则更换一个中继节点，重新发起入网申请，直至收到允许入网信号或拒绝入网信号，或发送次数达到上限。

5.如权利要求1所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：所述主节点为所有的随器计量模块分配为一个固定网络短地址，随器计量模块在发送计量数据时，计量数据中包括固定分配网络短地址和自身的入网设备编号。

6.如权利要求1所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：所述随器计量模块的计量数据的目的节点为设备号管理终端。

7.如权利要求1所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：所述随器计量模块只能向智能电表子节点发送自身待传输的数据信号，随器计量模块之间不能进行相互通信。

8.如权利要求1所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：所述主节点根据网络当前通信状态决定本信标周期是否允许随器计量模块发送信号，如果网络当前正在进行智能电表子节点的数据抄读，则不允许，如果网络空闲，则允许。

9.如权利要求8所述的随器计量模块的通信方法，其特征在于：所述随器计量模块有数据发送需求时，则监听供电线路上的信标信号，在接受到信标信号后，如果所述主节点允许随器计量模块在该信标周期内发送信号，则在该信标周期的CSMA时隙区中发送自身数据；反之则等待，直至接收到允许随器计量模块发送信号的信标信号。

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