CN114518730A - LoRaWAN的区域参数化 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种具有至少一个具有至少两种不同的操作模式的无线电通信装置(3)的现场设备(1)，其中所述不同的操作模式能够根据所述现场设备(1)的操作位置而被激活，其特征在于，所述现场设备(1)具有至少一个位置确定装置(5)，其中所述现场设备(1)被配置成根据位置数据确定所述无线电通信装置(3)的操作模式并且根据预定条件进行选择。

Description

LoRaWAN的区域参数化

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的现场设备、根据权利要求10所述的扩展模块以及根据权利要求11所述的上述设备的操作方法。

背景技术

已知的自动化技术、尤其是过程自动化或工厂和/或物流自动化的现场设备配备并运行有各种无线电技术。

术语自动化技术被理解为技术的一个子领域，包括在没有人为参与的情况下机器和系统操作的所有措施。相关过程自动化的一个目标是使化工、食品、制药、原油、造纸、水泥、航运和采矿领域中工厂的各个组成部分之间的相互作用自动化。为此，可以使用各种传感器，它们适应过程工业的特定要求，特别是机械稳定性、对污染的不敏感性、极端温度和极端压力。这些传感器的测量值通常被传输到控制室，在控制室中可以监控过程参数，例如填充物位(fill level)、限制物位、流量、压力或密度等，并且可以手动或自动更改整个工厂系统的设置。

自动化技术的一个子领域涉及物流自动化。在距离和角度传感器的帮助下，在物流自动化领域中建筑物内或单个物流系统内的过程实现自动化。例如，典型应用包括机场行李和货物处理领域、交通监控领域(收费系统)、贸易、包裹配送或楼宇安全领域(访问控制)的物流自动化系统。上面列出的示例的共同点是，在相应的应用侧需要检测物体的有无以及对物体的大小和位置的精确测量。

为此，可以使用基于借助激光器、LED、2D相机或3D相机的光学测量方法的传感器，这些传感器根据飞行时间(ToF)原理检测距离。

自动化技术的另一个领域涉及工厂/制造自动化。其应用广泛应用于汽车制造、食品生产、制药行业或通常的包装领域等众多行业。工厂自动化的目标是通过机器、生产线和/或机器人自动化生产商品，即允许它们在没有人为参与的情况下运行。此处使用的传感器以及在检测物体位置和大小时对测量精度的具体要求可与前面物流自动化示例中的传感器差不多。因此，基于光学测量方法的传感器通常也被大规模用于工厂自动化领域。

迄今为止，在物流自动化领域以及工厂自动化和安全技术领域，光学传感器占据主导地位。这些是快速(>＝10次测量/秒的快速填充过程)且具有成本效益的，并且可以根据可以相对容易地聚焦的光辐射可靠地确定物体的位置和/或到物体的距离，这是测量的基础。

在过程自动化技术中，经常使用用于记录和/或影响过程变量的现场设备。这种现场设备的示例是带有传感器的填充物位计、限制物位计和压力计，其检测填充物位、限制物位或压力的相应过程变量。通常，这种现场设备连接到上级单元，例如引导系统或控制单元。这些上级单元用于过程控制、过程可视化和/或过程监控。

术语“现场设备”在这里用于包含与生产过程直接相关的各种技术装置。“现场”是指控制室以外的区域。因此，现场设备尤其可以是执行器、传感器、数据收集器(数据记录器)和换能器

特别地，有线操作的自动化设备被广泛使用，它们可以根据需要通过近场接口(蓝牙、Zigbee或其他)无线连接到便携式控制单元，例如智能手机。特别地，这可以简化设备调试或维护期间的过程。此外，现有技术中存在多个自动化设备，它们使用无线接口将测量值或控制信号连续传输到第二自动化组成部分。其中一个重要方面是使用无线电技术，该技术可以在高范围同时以尽可能少的能量运行。基于这些技术，可以在自动化设备中实现无线通信系统，其可以从各自的总线系统中获取有限的能量。

在节能无线电通信技术的基础上，通过集成在设备中的能量存储单元(例如电池)主要或完全满足其能量需求的自主系统现在也是可以的。这种系统的特征在于它们经常用于移动应用中，例如在物流应用中以传感器的形式，从而以特定时间间隔改变它们各自的操作位置。

本申请还涉及自主测量装置，特别是自主填充物位或限制物位传感器。自主填充物位或限制物位传感器优选地配置为雷达传感器，并且为了确保传感器的自主性，除了用于采集测量数据的测量传感器之外，还具有用于优选地无线传输记录的测量数据或测量值的传输装置和单独的能量供应源。

传输装置可以优选地是用于窄带无线电技术(LoRa、Sigfox、LTE-M、NB-IOT)的无线电模块，其将测量数据或测量值传输到云，即万维网(World Wide Web)中的服务器。能量供应源优选设计为电池或蓄电池并且可以另外包括能量收集模块。

此类现场设备的典型应用场景尤其包括移动容器上的库存管理或测量任务。

迄今为止，上述类型的已知现场设备已经能够传输测量值，使得上级单元基于所确定的测量值触发预定动作。例如，基于填充物位计的测量值，如果超过限制值，则可以关闭进料口或打开排放口。

自主现场设备的特征在于组装特别简单，无需连接通信线或电源线，因此提供了特别灵活的布置可能性，即特别是它们在过程环境中的安装。根据本申请的自主现场设备优选地包括至少一个用于检测过程变量的传感器以及传感器电子设备、无线电模块和能量供应源。

由这些现场设备确定的测量值通常使用窄带无线电技术(LoRa、Sigfox、NB-IOT)传输到云，即万维网中的服务器。此类现场设备的典型应用场景包括诸如洪水预报、库存管理或其他远程分布式测量任务等领域。

此外，还存在主要为有线自动化设备设计的扩展模块，并且其用于设备的专门设计的扩展接口，以便通过无线通信选项对其进行扩展。可以假设，这些扩展模块包含多种无线通信技术。

此外，可以假设这种扩展模块仅在例如在审计范围内与一个设备相关联地临时运行，然后安装在另一自动化设备中。这也改变了此类扩展模块的操作位置，即使它们临时与自动化设备(例如传感器)有线连接运行。

多年来，自动化设备的无线通信方式变得越来越重要。在最初的几年里，主要使用配备了足够能量供应源的适当装备的设备，以便通过GSM移动无线电连接传输测量值。较新的方法倾向于通过近场接口(例如蓝牙)连接传感器，以简化便携式设备(例如智能手机)的操作。来自窄带无线电技术(例如LoRa、Sigfox、NB-IoT、CAT-M)类别的全新方法最近使得以最少的能量将测量值长距离传输到基站成为可能，这使得可以使用完全自主操作的传感器。

特别是对于LoRa，而且对于其他无线电标准，对于此类无线电接口的批准和操作有特定于国家/地区的规范，即取决于使用相应无线电通信装置(以下也称为“无线电接口”)操作现场设备的国家/地区，必须考虑不同的规范。迄今为止，在现场设备的调试期间已经为永久安装的现场设备请求了相关的国家/地区信息，并根据用户输入将其存储在现场设备的存储器中。随后，现场设备根据用户输入的信息进行操作。

一方面，该程序的缺点是它可能导致错误输入，而另一方面，它与现场设备的当前技术发展不兼容，如上所述，现场设备越来越多地被自主和移动使用。

发明内容

因此，本发明的问题是提供一种现场设备和用于现场设备的扩展模块，其减少错误输入并且还与自主和移动现场设备兼容。此外，本发明的一个问题是指定一种这种现场设备和这种扩展模块的操作方法以及一种实现该方法的计算机程序代码。

这些问题通过具有权利要求1的特征的现场设备、具有权利要求7的特征的用于现场设备的扩展模块、具有权利要求8的特征的可移动容器、具有权利要求9的特征的方法以及根据权利要求13所述的用于实现所述方法的计算机程序代码解决。

根据本发明的现场设备具有至少一个具有至少两种不同的操作模式的无线电通信装置，其中所述不同的操作模式能够根据所述现场设备的操作地点而被激活。所述现场设备的特征在于其包括至少一个位置确定装置，其中所述场设备被配置成根据由所述位置确定装置确定的位置确定数据确定所述无线电通信装置的操作模式并且根据预定条件进行选择。

因此，可以根据现场设备的位置自动设置所述无线电通信装置的操作模式。例如，对于LoRa以及其他无线电标准，可以自动使用特定于国家/地区的所谓的信道规划，其中限定了无线电通信装置必须或可以使用的信道(频率和带宽)。对于各种无线电标准，对于此类无线电通信装置的批准和操作也存在特定于国家/地区的要求，即根据使用相应无线电通信装置操作现场设备的国家/地区，必须满足不同的要求。

利用根据本发明的位置确定装置，可以自动切换这些先决条件并因此创建通用的现场设备。

不再需要生产和存储大量不同的现场设备，因为单个通用的现场设备可以满足所有要求。同时，自动执行当地或区域规范，从而不仅为制造商而且为现场设备的操作员创造附加值。一方面，客户在订购现场设备时无需关注某个国家/地区的变量，另一方面，在调试现场设备时也不会在这方面犯任何错误。此外，可以在预定区域(例如，边界区域或特定无线电标准的限制区域)中实现无线电通信。

根据本申请，所述无线电通信装置的操作模式优选包括至少一个信道选择和/或使用的频带和/或传输功率的设置和/或无线电协议的设置和/或天线的选择和/或传输的用户数据的数量和/或附加数据(例如，附加测量值或诊断数据)的传输。

可以通过相应地调整操作模式来考虑当地条件和/或法规。例如，在使用WLAN时，所述信道选择以及允许的最大传输功率可以根据相应的国家法规进行调整。例如，根据标准IEEE 802.11g和n，2.4GHz频段的最大传输功率限制为100mW，而在美国，可以允许的最大传输功率为1W。类似地，允许或推荐的信道因地区而异。

对于LoRa网络的无线电通信设备，频率被分解为10个不同的“信道规划”，例如，AS923、EU868、EU433、US915。

其他区域参数因区域而异，例如信道数量、占空比、最大有效载荷和传输功率。根据各自的频带，需要不同的无线电模块和/或天线。

信道规划EU 868和US 915的参数以下作为示例示出：

以示例方式示出的信道规划除了使用的频带(信道频率)之外，例如在可用信道数量(信道数量)、信道带宽(Channel BW Up/Dn＝发送/接收带宽)、传输功率(TX Power Dn/Up)和可用数据速率(数据速率)方面也是不同的。

现场设备特别是移动现场设备，即特别是未在本地安装或操作的现场设备。本申请含义内的移动现场设备是在不同位置移动使用的现场设备或连接到移动载体(例如移动容器)的现场设备。例如，移动容器是所谓的IBC(中型散装容器：Intermediate BulkContainers)或其他可运输容器(例如车载筒仓等)。在本申请的含义内可运输被认为是通过诸如叉车、卡车和类似的可运输容器等普通装置实现的。

例如，所述位置确定装置可以被配置为卫星支持的位置确定装置。通常，位置确定装置的这种实施例可以确定世界范围内的绝对地理位置并且将其用于无线电通信装置的操作模式的选择。作为示例，这里指出GPS、GLONASS和GALILEO作为可能的位置确定装置。

附加地或替代地，所述位置确定装置可以被适当地配置成评估由无线网络提供的位置数据。例如，此类数据可以是WLAN信号在单个位置相关组合中的可用性和定位。这些信号来自商业热点、公司网络或私人家庭网络。因此，这些网络(路由器)的位置的知识允许计算位置。通过这种方式，位置确定也可以在卫星信号不可用的位置(例如，在建筑物中)进行。

合适的信号例如可以是移动无线电、WLAN、LoRa、Sigfox、NB-IOT或NFC信号，它们例如通过填充物位计的无线电通信单元接收。

可以直接地或间接地确定位置。这意味着位置确定直接地在现场设备中进行或间接地通过可用的无线电通信网络以及例如通过后者联系的服务进行。对于间接位置确定，指示现场设备的一个位置的位置信号被传输到服务，该服务例如在互联网(internet)上的服务器上运行。这确定了位置并将其传输回现场设备。附加地或替代地，该服务可以确定无线电通信网络的可用性并将它们传输到现场设备，使得现场设备可以选择可能更合适的无线电通信装置用于进一步通信。

为了节省用于确定位置的能量，现场设备可以被配置成检测现场设备的运动。以这种方式，可以仅在重新启动现场设备时和在检测到运动之后(即，如果现场设备的位置已经改变)执行位置确定，否则仍然使用上次选择的操作模式。这避免了不必要的位置确定和相关的能量消耗。

因此可以确定现场设备是在某个位置静止还是在运动。为此，现场设备可以具有一个或多个直接指示现场设备运动的传感器，例如基于声学、光学和/或雷达的多普勒传感器、加速度传感器、振动传感器和/或地磁场传感器。

所述现场设备优选被配置为自主现场设备并且因此可以在移动时特别容易地使用。

自主现场设备，特别是自主传感器，通过使用一种或多种上述无线电标准获得额外的应用可能性。该自主传感器产品系列(即现场设备)的特征在于安装特别简单，无需通信或供电电缆。由这些现场设备确定的测量值通常使用窄带无线电技术(LoRa、Sigfox、NB-IOT)传输到云，即万维网中的服务器。此类现场设备的典型应用场景包括诸如洪水预报、雨水溢流池监测、库存管理、移动容器上或与其相关的测量任务或其他远程分布式测量任务等领域。

本发明还涉及一种用于现场设备的扩展模块，其中所述扩展模块具有至少一个具有至少两种不同的操作模式的无线电通信装置，其中所述不同的操作模式取决于所述现场设备的操作位置，并且其特征在于，所述扩展模块具有至少一个位置确定装置，其中所述扩展模块被配置成根据位置数据确定所述无线电通信装置的操作模式并且根据预定条件进行选择。

以这种方式，上述现场设备的优点也可用于现有设备。现有设备可以配备相应的扩展模块，从而可以改进根据本发明的功能。

可以有利地使用根据本发明的扩展模块，特别是在模块化设计的现场设备的情况下。

模块化设计的现场设备由模块化现场设备概念组装而成。在模块化现场设备概念中，可以选择多个可组合的传感器、外壳、电子单元和操作和/或显示单元，并且可以构建相应的现场设备。例如，VEGA格里沙贝两合公司提供了这种模块化现场设备概念。通常可以组合以下组件：传感器、提供测量值处理的相应电子模块和控制接口，必要时还使用现场总线，以及各种显示和/或操作单元。传感器、电子模块以及显示和/或操作单元相互适配并适配各种可用的外壳。

上述扩展模块被集成到这样的模块化现场设备概念中并且因此开辟了用上述功能装备以这种方式形成的现场设备，特别是还有现有的现场设备的可能性。

本发明的另一方面涉及一种具有根据以上描述设计的现场设备的可运输容器。移动容器可以特别好地配备移动的和优选自主的现场设备。

在这种情况下，自主现场设备不需要连接线并且通常可以与公共可用的基础设施一起运行是一个优势。特别地，上述窄带无线电技术往往是大规模公开可用的，因此没有额外的私人基础设施的运营和维护成本。因此，移动容器，例如所谓的IBC(中型散装容器)已经可以在出厂时配备移动现场设备，特别是自主填充物位计，然后必须仅将其集成到相应用户的库存管理系统中，以便监控例如容器的位置和填充物位。

特别地，在自主现场设备的情况下，建议将它们直接集成到容器中。例如，具有无线电通信单元的相应现场设备可以集成到移动容器中，例如IBC(中型散装容器)中，例如在IBC的生产过程中注入塑料中或以其他方式集成。或者，现场设备可以集成到IBC的盖子中，因此也可以用传统的IBC改装。

根据本发明的现场设备或具有根据上面描述的扩展模块的现场设备的操作方法至少具有以下步骤：

-确定位置和/或指示位置的位置信号，

-确定适用于所述位置的操作模式，

-设置所述操作模式，

-使所述无线电通信装置以所述设置的操作模式操作。

优选地在接通或激活所述现场设备之后执行所述方法。这确保了当现场设备第一次接通时，即第一次投入运行时，确定位置。此外，现场设备还可以在每次激活期间，即在当前情况下，在现场设备从省电、睡眠或待机模式到活动或测量模式的每次转换时，进行位置确定。

在确定位置和/或指示位置的位置信号之后，确定并设置对相应位置有效的操作模式。

例如，可以从现场设备或扩展模块的存储器中获得用于某些地理位置的操作模式列表。该列表也可以从云中检索。

为了确定位置，例如可以使用通过卫星网络确定的位置信号。可能的卫星网络作为上面的示例指出。

附加地或替代地，可以使用来自可用无线电通信网络的信息来确定位置。

如果检测到现场设备的运动并且仅在检测到运动之后在接通后或激活时才确定位置，并且如果否则进一步使用无线电通信装置的先前使用的操作模式，那么可以实现所需能量的显着减少。

根据本发明，一种由处理器执行的计算机程序代码也使现场设备执行上述方法。

所提出的现场设备的优选实施例、特征和特性对应于所提出的方法的那些优选实施例、特征和特性，反之亦然。

本发明的有利配置和变体从从属权利要求和以下描述中得出。

在从属权利要求中单独列出的特征可以以任何技术上合理的方式相互组合，以及与在以下描述中更详细说明的特征组合，并且可以构成本发明的其他有利变型。

附图说明

以下参考附图基于设计示例进一步详细说明本发明。

图1示出了根据本申请的现场设备的示意图。

图2示出了根据图1的现场设备的操作的示例性工作流程。

图3示出了具有作为示例绘出的LoRa网络区域的世界地图。

具体实施方式

在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记表示具有相同功能的相同或相应的部件。

图1示出了根据本申请的现场设备1的示意图。

现场设备1仅在图1中示意性地示出并且主要包括用于确定测量值(例如填充物位)的传感器7、控制和评估单元11以及无线电通信装置3，无线电通信装置3设计成用于将测量值和任何其他数据传输到上级单元。在本示例性实施例中，无线电通信装置3被配置为LoRa无线电模块并且连接到适用于不同频带的宽带天线9。

此外，现场设备1具有配置为GPS接收器的位置确定装置5，其连接到控制和评估单元11与无线电通信装置3。位置确定装置5被设计成根据控制和评估单元11的请求确定现场设备1的地理位置并提供位置信息。

基于所提供的位置信息，控制和评估单元11通过存储在控制和评估单元11的存储器13中的信道规划(Channel Plan)根据地理位置的分配和在地理位置上允许和规定的要使用的信道(频率和带宽)数量、占空比、最大有效载荷和传输功率的组合来确定无线电通信装置3的操作模式。针对不同频率相应地调整宽带天线9的激活。

图2示出了示例性工作流程，因为它可以用于操作如图1所示的现场设备1。仅描述了与无线电通信装置3的位置确定和位置相关的设置相关的步骤。借助传感器7确定测量值、处理测量值以及它们通过无线电通信装置3传输到上级单元(例如控制室或数据云中的服务器)与现有技术中已知的方法没有区别。出于节能的原因，可以根据需要或在定时器控制的基础上执行各个过程步骤。例如，只有在实际要经由无线电通信装置3进行通信和/或现场设备1已经预先移动，即现场设备1的位置可能已经改变时，才需要当前位置确定。

在图2所示的简化方法中，位置确定在第一步骤201中进行。

在第二步骤202中，确定现场设备1的位置相对于上次确定的位置是否已经改变，以及新位置是否划拨到新区域，即无线电通信装置3必须以另一种操作模式(例如信道)操作的区域。

如果现场设备1的区域没有改变，则无线电通信装置3以先前使用的设置被重新使用，并且该方法在新的使用之前以步骤201重新开始。

如果位置改变使得现场设备1位于新的区域，即在必须以不同的操作模式操作的区域中，则在第三步骤203中设置改变的操作模式并且无线电通信装置3以改变的操作模式操作。

在该方法的替代实施例中，现场设备1的运动例如由加速度传感器监控。为了节省不必要的位置确定的能量，仅当先前检测到现场设备1的移动时才执行根据步骤201的位置确定。

图3示出了具有作为示例绘出的LoRa网络变化区域的世界地图的示例，其中无线电通信单元3的规定操作模式彼此不同。此处给出的世界地图显示了根据LoRa Alliance，Inc.的出版物RP002-1.0.1LoRaWAN区域参数(截至2020年2月20日)的区域参数集的分配，据此在美国将使用参数集US915，在欧洲将使用参数集EU868，并且在印度将使用IN865。

如参考图1所描述的，现场设备可以根据其地理位置自动确定和应用要使用的各个参数集。

下面给出了欧盟(EU 868)和北美(US 915)信道规划之间的一些显着差异。

附图标记列表

1 现场设备

3 无线电通信装置

5 位置确定装置

7 传感器

9 天线

11 控制和评估单元

13 存储器

201-203 方法步骤。

Claims (13)

1.一种现场设备(1)，其具有至少一个具有至少两种不同的操作模式的无线电通信装置(3)，其中所述不同的操作模式能够根据所述现场设备(1)的操作位置而被激活，

其特征在于，

所述现场设备(1)具有至少一个位置确定装置(5)，其中所述现场设备(1)被配置成根据位置数据确定所述无线电通信装置(3)的操作模式并且根据预定条件进行选择。

2.根据权利要求1所述的现场设备(1)，

其特征在于，

所述位置确定装置(5)被配置为卫星支持的位置确定装置(5)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的现场设备(1)，

其特征在于，

所述位置确定装置(5)被设计成评估由无线网络提供的位置数据。

4.根据前述权利要求中任一项所述的现场设备(1)，

其特征在于，

所述操作模式包括信道选择和/或使用的频带和/或传输功率的设置和/或无线电协议的设置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的现场设备(1)，

其特征在于，

所述现场设备(1)被配置成检测所述现场设备(1)的运动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的现场设备(1)，

其特征在于，

所述现场设备(1)被配置为自主现场设备(1)。

7.一种用于现场设备(1)的扩展模块，其中所述扩展模块具有至少一个具有至少两种不同的操作模式的无线电通信装置(3)，其中所述不同的操作模式取决于所述现场设备(1)的操作位置，

其特征在于，

所述扩展模块具有至少一个位置确定装置(5)，其中所述扩展模块被配置成根据位置数据确定所述无线电通信装置(3)的操作模式并且根据预定条件进行选择。

8.一种具有现场设备(1)的可运输容器，

其特征在于，

根据权利要求1至6中任一项所述的现场设备(1)被配置为具有根据权利要求7所述的扩展模块的现场设备(1)。

9.一种根据权利要求1至6中任一项所述的现场设备(1)或根据权利要求8所述的具有扩展模块的现场设备(1)的操作方法，包括以下步骤：

-确定位置和/或指示位置的位置信号，

-确定适用于所述位置的操作模式，

-设置所述操作模式，

-使所述无线电通信装置(3)以所述设置的操作模式操作。

10.根据权利要求9所述的方法，

其特征在于，

确定卫星网络的位置信号以用于所述位置的确定。

11.根据权利要求9和10中任一项所述的方法，

其特征在于，

确定可用无线电通信网络(3)的信息以用于所述位置的确定。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，

其特征在于，

检测所述现场设备(1)的运动并且仅在检测到运动之后在接通或激活时进行位置确定，否则进一步使用所述无线电通信装置(3)的先前使用的操作模式。

13.一种计算机程序代码，其在由处理器执行时使现场设备(1)执行根据权利要求9至12中任一项所述的方法。

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