CN111866788A - 双模物联网水表及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了双模物联网水表及其控制方法，其中双模物联网水表包括微控单元、电源开关、NB‑IoT模块和LoRa模块；所述的微控单元记录水表管理平台发送的ACK次数；所述的NB‑IoT模块用于计量双模物联网水表的NB信号功率，并发送每天的信号功率平均值给微控单元；所述的微控单元计算设定天数内的NB信号功率平均值，并根据ACK次数和设定天数内信号功率的平均值，通过电源开关控制NB‑IoT模块和LoRa模块的开通和关闭。本发明采用智能算法，根据物联网水表安装的网络环境，智能地选择当前可用的网络进行数据传输。即使在无NB信号覆盖或NB覆盖信号较弱的环境里，物联网水表的数据也能正常上传。

Description

双模物联网水表及其控制方法
技术领域
本发明涉及水表技术领域，特别涉及一种双模物联网水表及其控制方法。
背景技术
在网络传输技术迅猛发展的今天，作为5G范畴的NB-IoT(Narrow Band Internetof Things,窄带物联网)物联网传输技术，在智能物联网水表这个垂直应用领域已蓬勃发展。现有的智能物联网水表大都是基于NB-IoT基站的单模NB-IoT物联网水表。智能物联网水表的安装位置都比较分散，并且安装在地下表井里居多。由于受到安装空间的限制和水表环境的影响，使物联网水表的NB-IoT信号传输受到非常大的影响。一旦基站信号覆盖不到或覆盖信号弱，将会导致NB物联网水表无法联网的问题。并且鉴于NB网络的部署成本和私人无法安装放大器的原因，导致无法解决这些智能物联网水表因信号覆盖无法联网的问题，限制了NB网络的部署，无法做到真正的全场景应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种双模物联网水表及其控制方法，可以解决现有技术中因NB-IoT信号无法覆盖或覆盖信号弱导致的物联网水表无法联网的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供一种双模物联网水表的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、双模物联网水表的NB-IoT模块检测NB信号功率，并发送每天的NB信号功率平均值给双模物联网水表的微控单元；
步骤S2、微控单元计算设定天数内的NB信号功率平均值，当设定天数内的NB信号功率平均值≥功率阈值时，打开NB上报通道，通过NB上报通道上传报文给水表管理平台；否则，激活双模工作模式，转至步骤S3；
步骤S3、微控单元记录水表管理平台发送的ACK次数，当设定天数内ACK次数为0时，激活LoRa上报通道，通过LoRa上报通道上传报文给水表管理平台，同时关闭NB上报通道。
进一步的，当双模物联网水表工作在NB上报通道的单模工作模式下时，每天在设定的时间段内打开LoRa上报通道，接收临近的其他双模物联网水表的中继请求。
进一步的，所述的激活LoRa上报通道，通过LoRa上报通道上传报文给水表管理平台具体包括：
步骤S301、当双模物联网水表激活LoRa上报通道后，每天在设定的时段里，用公共上行信道发射带唤醒导言的请求连接命令帧；
步骤S302、当处于NB信号覆盖环境里的其他水表接收到所述请求连接命令帧后,返回ACK给发送请求连接命令帧的水表,同时携带下次通信的信道号、自身的IMEI和双向通信的上下行信号强度；
步骤S303、发送请求连接命令帧的水表接受前n条ACK后关闭接收状态，并会根据ACK携带的双向通信上下行信号强度来选择信号最优的水表作为中继表；
步骤S304、发送请求连接命令帧的水表用公共上行信道发送数据帧到其选择的中继表，并通过所述中继表上报数据到水表管理平台。
进一步的，所述的步骤S2中设定天数为5天。
进一步的，所述的步骤S2中功率阈值为-120dBm。
进一步的，选择信号最优的水表作为中继表的标准为：ACK携带的上行信号功率≥-95dBm。
进一步的，如果上行信号≥-95dBm的水表不止一个，则选择上行信号功率最大的一个作为中继表。
第二方面，本发明提供一种双模物联网水表，包括微控单元、电源开关、NB-IoT模块和LoRa模块；所述的微控单元记录水表管理平台发送的ACK次数；所述的NB-IoT模块用于计量双模物联网水表的NB信号功率，并发送每天的信号功率平均值给微控单元；所述的微控单元计算设定天数内的NB信号功率平均值，并根据ACK次数和设定天数内信号功率的平均值，通过电源开关控制NB-IoT模块和LoRa模块的开通和关闭。
本发明的双模物联网水表能够支持两种无线网络，一种是基于NB-IoT公网，另一种是基于LoRa(Long Range Radio，远距离无线电，是一种低功耗局域网无线标准，在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。)的私有网络，并结合微控单元MCU强大的运算能力，采用智能算法，根据物联网水表安装的网络环境，智能地选择当前可用的网络进行数据传输。即使在无NB信号覆盖或NB覆盖信号较弱的环境里，物联网水表的数据也能正常上传。
附图说明
图1为本发明的双模物联网水表的电路结构框架示意图；
图2为本发明的双模物联网水表的控制方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本发明的双模物联网水表，如图1所示，包括微控单元MCU、电源开关、NB-IoT模块和LoRa模块。其中：微控单元MCU记录水表管理平台发送的ACK次数，NB-IoT模块用于计量双模物联网水表的NB信号功率(signal power)，并发送每天的信号功率平均值给微控单元MCU。NB信号指窄带物联网的网络信号。微控单元MCU计算出设定天数(比如5天之内)内的NB信号功率平均值，并根据ACK次数和设定天数内信号功率的平均值，通过电源开关控制NB-IoT模块和LoRa模块的开通和关闭。
ACK的全称为Acknowledge character，即确认字符，表示接收到的字符无错误。在本发明中，水表管理平台对每个水表上报的报文进行检查，若未发现错误，便向水表发出确认回答ACK，表明报文已被正确接收，并准备好接收下一份报文。微控单元MCU记录水表管理平台发送的ACK次数，水表每接收一次ACK，ACK次数就加一。
本发明的双模物联网水表的工作原理如下：电压检测单元检测水表的工作电压，当电压低于设定值时，发送欠压报警给水表管理平台。脉冲计量单元为水表的功能单元，计量用水量的大小。NB-IoT模块和LoRa模块分别工作在不同的网络模式下，将脉冲计量单元计量得到的数据报文发送给水表管理平台。NB-IoT模块计量每天的NB信号功率平均值，并以天为单位发送给MCU。MCU计算5天内的NB信号功率平均值，如果5天内的NB信号功率平均值≥-120dBm，认为NB信号覆盖能力较强。此时打开NB上报通道，切换为单模工作模式，通过NB-IoT模块上传报文给水表管理平台。同时，MCU通过电源开关切断LoRa模块的电源，关闭LoRa模块，关闭NB上报通道。如果5天内的NB信号功率平均值＜-120dBm，即认为NB信号覆盖能力较弱，即激活双模工作模式。当NB超过5天无法和基站建立连接时(5天内水表收到的ACK次数为0)，激活LoRa上报通道，由LoRa模块上传报文给水表管理平台。同时，MCU通过电源开关切断NB-IoT模块的电源，关闭NB上报通道。在NB上报通道的单模工作模式下，每天在固定的一小段时间内打开LoRa通道(例如：只在每天的23：00到23：30打开LoRa通道)，并切换为公共信道侦听模式，来接收临近表的中继请求，侦听时间间隔可以设定为2S一次。
本发明的实施例中，5天和-120dBm为设定值，设定值可根据实际情况进行调整。设定值的大小不应作为对本发明保护范围的限制。
本发明的双模物联网水表的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、双模物联网水表的NB-IoT模块检测所处环境的NB信号功率，并发送每天的NB信号功率平均值给双模物联网水表的微控单元。
双模物联网水表出厂未安装到现场时：AI智能算法会根据水表的计量情况判断当前水表是否已安装。具体判断逻辑是：设定10分钟区间，在此区间里当水表的走水增量Δt≥10L时，启动二次区间增量测量，当二次区间增量满足走水增量Δt≥10L时，水表退出运输和仓储模式，进入正常的工作模式。此过程不可逆。当Δt≤10L时，持续工作在运输和仓储模式，并持续循环的监控Δt计量增量状态。
当水表工作在运输和仓储模式时，水表MCU关闭双模自动切换功能，切断LoRa的电源，只打开NB-IOT使其正常工作和上报数据，以降低电池能量的消耗。
步骤S2、微控单元计算设定天数内的NB信号功率平均值，当设定天数内的NB信号功率平均值≥功率阈值时，切换为单模工作模式，打开NB上报通道，通过NB上报通道上传报文给水表管理平台。否则，激活双模工作模式，转至步骤S3。
单模工作模式或双模工作模块，是通过MCU来控制的。MCU通过电源开关开关来控制NB-IoT模块和LoRa模块的电源电压的开通和关断。单模工作模式下，只控制NB-IoT模块和LoRa模块其中一个开通，另一个关断。双模工作模式下，控制NB-IoT模块和LoRa模块都开通。本发明的双模物联网水表，具备完全切断NB-IoT模块和LoRa模块两种网络电源的能力，满足整表设备8年寿命的要求。
功率阈值可根据实际情况进行设定，本实施例中设定为-120dBm。
当双模物联网水表工作在NB上报通道的单模工作模式下时，每天在固定的一小段时间内打开LoRa上报通道(固定的一小段时间根据需要进行设定，例如设定为：只在每天的23：00到23：30打开LoRa通道)，并切换为公共信道侦听模式，来接收临近的其他双模物联网水表的中继请求，侦听时间间隔可以设定为2S一次。
步骤S3、微控单元记录水表管理平台发送的ACK次数，当设定天数内ACK次数为0时，激活LoRa上报通道，通过LoRa上报通道上传报文给水表管理平台，同时关闭NB上报通道。
激活LoRa上报通道，即微控单元通过控制电源开关给LoRa模块供电，使LoRa模块工作。关闭NB上报通道，及微控单元通过控制电源开关关断NB-IoT模块的电源，使NB-IoT模块不工作。设定天数可以根据实际需要进行设定，本实施例中设定为5天，5天内微控单元收到的ACK次数为0，表示该水表通过NB上报通道已经5天无法和基站建立连接。
具体地，在本发明的优选实施例中，激活LoRa上报通道，通过LoRa上报通道上传报文给水表管理平台具体包括：
步骤S301、当处于无NB信号环境中的水表激活LoRa上报通道后，会在每天的固定工作时段里(比如23：00到23：30)，用公共上行信道发射带唤醒导言的请求连接命令帧。这里的固定工作时段也是根据实际需要进行设定的，该固定工作时段与工作在NB上报通道的单模工作模式下的水表打开LoRa上报通道的时间段相同。
步骤S302、当在NB信号覆盖环境里的其他水表接收到此请求连接命令帧后,会根据自身的IMEI(International Mobile Equipment Identity，国际移动设备识别码)排序，用公共下行信道返回ACK(此时可能有多只其他水表返回ACK给发送请求连接命令帧的水表),同时告知下次通信的信道号、本设备的IMEI和双向通信的上下行信号强度。
步骤S303、发送请求连接命令帧的水表由于功耗的原因，只接受前5条ACK，之后关闭接收状态。收到前5条ACK后，会根据ACK携带的双向通信上下行信号强度来选择信号最优的那个水表为中继设备。5条为设定值，可根据实际需要修改该数值。选择信号最优的中继设备的标准为上行信号功率≥-95dBm，如果上行信号≥-95dBm的其他水表不止一个，则选择上行信号功率最大的那一个。
步骤S304、之后用公共上行信道发射数据帧到中继表，并通过中继表上报数据到水表管理平台。此时的中继表在收到上报数据后即切换到约定的信道作为常用侦听信道，此信道5天内如果没有收到中继数据即切换到公共侦听信道，恢复到默认状态。常用侦听信道只接收一只LoRa通道上来的数据，具备小型中继器的功能。为了均衡中继表的功耗，中继表只可以中继一只LoRa通道上来的数据，以此来均衡物联网系统中所有双模物联网水表的使用寿命。
本发明的双模物联网水表，采用AI智能算法,根据网络信号的覆盖情况和信号强度，智能的选择当前可用的网络进行数据传输。在LoRa网络模式和NB-IOT网络模式混合工作环境中，能够满足平台下发数据到表端，表端上报数据到平台的功能要求。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.双模物联网水表的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、双模物联网水表的NB-IoT模块检测NB信号功率，并发送每天的NB信号功率平均值给双模物联网水表的微控单元；
步骤S2、微控单元计算设定天数内的NB信号功率平均值，当设定天数内的NB信号功率平均值≥功率阈值时，打开NB上报通道，通过NB上报通道上传报文给水表管理平台；否则，激活双模工作模式，转至步骤S3；
步骤S3、微控单元记录水表管理平台发送的ACK次数，当设定天数内ACK次数为0时，激活LoRa上报通道，通过LoRa上报通道上传报文给水表管理平台，同时关闭NB上报通道。
2.根据权利要求1所述的双模物联网水表的控制方法，其特征在于，当双模物联网水表工作在NB上报通道的单模工作模式下时，每天在设定的时间段内打开LoRa上报通道，接收临近的其他双模物联网水表的中继请求。
3.根据权利要求1所述的双模物联网水表的控制方法，其特征在于，所述的激活LoRa上报通道，通过LoRa上报通道上传报文给水表管理平台具体包括：
步骤S301、当双模物联网水表激活LoRa上报通道后，每天在设定的时段里，用公共上行信道发射带唤醒导言的请求连接命令帧；
步骤S302、当处于NB信号覆盖环境里的其他水表接收到所述请求连接命令帧后,返回ACK给发送请求连接命令帧的水表,同时携带下次通信的信道号、自身的IMEI和双向通信的上下行信号强度；
步骤S303、发送请求连接命令帧的水表接受前n条ACK后关闭接收状态，并会根据ACK携带的双向通信上下行信号强度来选择信号最优的水表作为中继表；
步骤S304、发送请求连接命令帧的水表用公共上行信道发送数据帧到其选择的中继表，并通过所述中继表上报数据到水表管理平台。
4.根据权利要求1所述的双模物联网水表的控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中设定天数为5天。
5.根据权利要求1所述的双模物联网水表的控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中功率阈值为-120dBm。
6.根据权利要求3所述的双模物联网水表的控制方法，其特征在于，选择信号最优的水表作为中继表的标准为：ACK携带的上行信号功率≥-95dBm。
7.根据权利要求3所述的双模物联网水表的控制方法，其特征在于，如果上行信号≥-95dBm的水表不止一个，则选择上行信号功率最大的一个作为中继表。
8.双模物联网水表，其特征在于，包括微控单元、电源开关、NB-IoT模块和LoRa模块；所述的微控单元记录水表管理平台发送的ACK次数；所述的NB-IoT模块用于计量双模物联网水表的NB信号功率，并发送每天的信号功率平均值给微控单元；所述的微控单元计算设定天数内的NB信号功率平均值，并根据ACK次数和设定天数内信号功率的平均值，通过电源开关控制NB-IoT模块和LoRa模块的开通和关闭。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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