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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur periodischen Funkübertragung
der Messdaten einer Mehrzahl von Messgeräten auf einen gemeinsamen Empfänger nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ziel
und Zweck der erfindungsgemäßen Funkübertragung
ist die Übermittlung
von Sensordaten einzelner Messgeräte über Funk an einen zentralen
Datensammler, damit die einzelnen Messwerte zeitlich versetzt und
zentral gesammelt sowie elektronisch ausgelesen werden können. Eine
Funkübertragung
eignet sich hierfür
besonders, weil das System damit keinerlei Verkabelung benötigt.
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Das
besondere Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass die Verbrauchsdaten von Wärmemengenzählern, Wasserzählern sowie
Heizkostenverteilern in einem zentralen Datensammler zur Verfügung gestellt
werden sollen. Somit wird das System hauptsächlich im Hausbereich eingesetzt.
Dabei erfolgt die Messdatenübertragung
beispielsweise 1 mal pro Monat. Beispielsweise können mit dem System die Messdaten von
beispielsweise 1.000 Messgeräten
betrieben werden, wobei die Systemlebezeit auf 10 Jahre ausgelegt
ist.
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Bei
der bisherigen Verbrauchsdatenerfassung im vorbeschriebenen Hausbereich
kann die Übertragung
der Messdaten durch die Messgeräte beispielsweise
alle 2 Stunden erfolgen. Kennzeichnend hierfür ist jedoch, dass sowohl die Übertragungsfrequenz
als auch der Zeitpunkt der Übertragung
im Laufe der Zeit driftet. Der Empfänger zum Empfang der Messdaten
befindet sich im Dauerbetrieb. Die gesamte Frequenz wird gescannt.
Aufgrund des Dauerbetriebs ist nachteiligerweise eine hohe Stromaufnahme
erforderlich. Dies macht es notwendig, den Empfänger mit einem Netzanschluss zu
versehen, was aufwendig und damit teuer ist. Auch das vorbeschriebene
Scannen der Frequenzen ist aufwendig und damit teuer.
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Die
gattungsgemäße
DE 42 35 187 A1 zeigt eine
Einrichtung zum Ablesen der Verbrauchswerte von in einem Gebäude anfallenden
Verbrauchsmengen, beispielsweise der Wärmeverbrauchsmengen von Heizkörpern, der
eingangs angegebenen Art. Zur Automatisierung der Ablesetätigkeit
ist eine Funk-Übertragung
der ermittelten Verbrauchswerte von den Verbrauchswert-Erfassungseinrichtungen
zu einer lokalen Empfangseinrichtung des Gebäudes vorgesehen, von der aus
die Ablesung durch Übermittlung
an ein Ablesegerät
oder Weiterleitung an eine zentrale Verarbeitungseinrichtung erfolgt.
Damit die Funk-Übertragung
mit einem geringen Energievorrat der durch eine Batterie gespeisten
Verbrauchswert-Erfassungseinrichtungen über Betriebszeiten von Jahren
erfolgen kann, wird die Funk-Übertragung
unidirektional in einem durch jede Verbrauchswert-Erfassungseinrichtung
autonom gesetzten schmalen Zeitfenster jeweils zum Stichtag eines
gewünschten
Ablesezeitraums ausgeführt.
Dabei kann die lokale Empfangseinrichtung eine Zeitgebereinrichtung
aufweisen, von der sie nur während der
Dauer eines dem vorbestimmten Zeitfenster der Sendeeinrichtung angepaßten Zeitfensters
in ihren Empfangsbetrieb geschaltet wird. Hierdurch wird es möglich, auch
die lokale Empfangseinrichtung lediglich durch eine interne, autonome
Stromquelle, also eine Batterie, mit Energie zu versorgen, weil
die aus einer derartigen Energiequelle verfügbare elektrische Leistung
ausreicht, den Empfangsbetrieb während der
im Verhältnis
zur Gesamtbetriebszeit sehr kurzen Zeitdauer aufrechtzuerhalten.
Die dadurch ermöglichte
autonome Energieversorgung der lokalen Empfangseinrichtung erlaubt
deren Anordnung an jeder beliebigen, geeigneten Stelle des Gebäudes ohne
die Notwendigkeit eines Netzanschlusses. Außerdem werden durch diese autonome
Energieversorgung Fehler durch Netzausfälle oder durch Manipulationen
an einer äußeren Energieversorgung
vermieden. Da bei den Zeitgebern über einen Betriebszeitraum
von Jahren die Gangungenauigkeit in der Größenordnung von Stunden liegt
und da die Sendezeit jeder Verbrauchswert-Erfassungseinrichtung für eine einwandfreie
Ablesung in das Zeitfenster der betreffenden lokalen Empfangseinrichtung
fallen muß, ist
daher eine hinreichend geräumige
Bemessung zumindest des Zeitfensters der Empfangseinrichtung erforderlich. – Die notwendige
Länge des
Zeitfensters wird zwar dadurch herabgesetzt, daß die lokale Empfangseinrichtung
1 eine die zeitliche Lage ihres Zeitfensters jeweils in Abhängigkeit
von der zeitlichen Lage einer vorausgegangenen Verbrauchswert-Übertragung
anpassende Einrichtung aufweist, dennoch wird aufgrund der Zeitdriften
sehr viel Energie benötigt.
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Die
DE 100 24 544 A1 zeigt
eine Anordnung zur Fernablesung eines Verbrauchszählers. Dabei
ist eine mit dem Verbrauchszähler
gekoppelte Datenerfassungseinrichtung vorgesehen, die von diesem
erhaltenen Verbrauchsdaten eine Absolutzeitgröße zuordnet und daraus Übertragungsdaten
erzeugt, welche einander zugeordnete Zeitdaten und Verbrauchsdaten
aufweisen. Die Übertragungsdaten werden über eine
Fernübertragungsstrecke
zu einer Datenbearbeitungseinrichtung gesendet, welche die Verbrauchsdaten
abhängig
von den Zeitdaten erfaßt und
auswertet.
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Die
DE 199 22 603 A1 zeigt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fernablesen eines Verbrauchszählers. Dieser
ist mit einem Fernablesemodul versehen, welches elektronisch den
Verbrauch erfaßt
und über
eine Datenfernübertragungsstrecke an
eine Datenaufnahmeeinrichtung weiterleitet.
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Die
DE 299 22 172 U1 zeigt
ein Fernablesemodul für
das Ablesen von mechanischen Zählwerken
wie Strom, Gaszähler
und Wasseruhren. Dabei erfolgt ein gleichzeitiges Abfragen des Zählerstandes über einen
am Zählerwerkgehäuse angebrachten Scanner
oder einer Photolinse. Das Abfragen des Zählerstandes erfolgt von der
Hauptverwaltung des jeweiligen Energieanbieters über ein Fernablesemodul, welches
auf Abfrage zur Datenerfassung und Weiterleitung per Telefonfestnetz
und/oder über Funkwellen
im Hause des Energienehmers installiert ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zur periodischen
Funkübertragung
der Meßdaten
einer Mehrzahl von Meßgeräten auf
einen gemeinsamen Empfänger
der eingangs angegebenen Art auf energiesparende Weise die Zeitdriften
zwischen den Meßgeräten und
dem Empfänger
auszugleichen.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Die
Vorteile, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden sind,
sowie vorteilhafte Weiterbildungen hiervon werden unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen nachfolgend erläutert:
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1 eine
schematische Ansicht der Funkübertragung
der Messdaten einer Vielzahl von Messgeräten MG im Hausbereich auf gemeinsame
Datensammler sowie von dort aus auf einen gemeinsamen Master-Datensammler;
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2a einen
schematischen Zeitablauf der Verfahrensdurchführung;
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2b ein
vergrößerter Detailausschnitt
aus dem Schaubild in 2a im Bereich des gestrichelten
Ovals.
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Die
Grundidee des erfindungsgemäßen Messdatenübertragungsverfahrens
besteht darin, den für
sämtliche
Messgeräte
gemeinsamen Empfänger
nicht im Dauerbetrieb zu betreiben, sondern den Empfänger nur
in bestimmten Zeitintervallen in Empfangsbereitschaft zu versetzen,
in denen dann von den Messgeräten
ausgesendete Messdaten empfangen werden sollen bzw. können. Hierzu
ist es erforderlich, die beiden Zeitfenster zu synchronisieren.
Bezüglich
des Systemaufbaus erfolgt eine unidirektionale Funkübertragung
zwischen den Messgeräten
und den Datensammlern (Empfänger).
Die Weiterleitung der Messdaten der Messgeräte erfolgt auf bidirektionaler
Basis zwischen den Datensammlern bis zu einem Master-Datensammler.
Ein System kann bis zu 1.000 Messgeräte, 9 Datensammler sowie 1
Master-Datensammler beinhalten. Das Minimalsystem ist bis zu 100
Messgeräte
und 1 Datensammler ausgelegt. Eine Erweiterung auf 8.000 Messgeräte ist denkbar
und möglich.
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Die
Funkübertragung
basiert auf dem Protokoll, welches durch die CEN TC294 definiert
wurde. Es wird dabei der Frequenzbereich 868 bis 870 MHz benutzt.
Für die
Datenübertragung
von den Messgeräten
zum Datensammler ist das Frequenzband mit 1% Duty-Cycle vorgesehen.
Zur Übertragung
zwischen den Datensammlern wird das Frequenzband mit 10% Duty-Cycle
genutzt. Die Datensammler sind dabei in der Lage, auf allen 4 zugelassenen
Frequenzen im bidirektionalen Betrieb zu arbeiten, so dass damit
ein Realtime-Betrieb möglich
ist.
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Aufgrund
des Batteriebetriebs geht der Empfänger nur zu bestimmten sowie
kurzen Zeitpunkten auf Empfang. Ebenfalls ist die Energie des Senders, nämlich der
Messgeräte
begrenzt. Die Sendedauer ist dabei durch die Duty-Cycle-Regelung
begrenzt. Das Messgerät
wird dabei nur mit einem Sender ausgestattet, da ein Transceiver
zu kostenintensiv ist. Dementsprechend ist die Kommunikation zwischen den
Messgeräten
und dem Datensammler unidirektional.
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Die
Daten, welche von den Messgeräten
zu den Datensammlern gesendet wurden, werden zwischen den Datensammlern
ausgetauscht. Hierbei wandern die Daten zum Master-Datensammler durch.
Damit dies funktioniert, führt
der Master-Datensammler beim Initialisieren eine Netzwerksuche durch,
welche die einzelnen Datensammler (die dem Master-Datensammler zuvor
mitgeteilt wurden) sucht. Der Netzwerkaufbau, der den Weg des Datenflusses
definiert, wird dann den einzelnen Datensammlern vom Master-Datensammler
aus mitgeteilt. Hierbei werden auch Alternativpfade berücksichtigt. Dies
bedeutet in letzter Konsequenz, dass ein Messgerät von dem Datensammler N auch
von den Datensammlern N-1 oder N+1 übernommen werden kann, wenn
der Datensammler N nichts empfängt.
Außer dem
vorbeschriebenen Backbone in Linienstruktur können Topologien in stern-,
kamm- oder baumförmiger Struktur
oder einer Mischung aus allen aufgebaut werden.
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Jedes
Funktelegramm besteht aus einem Synchronisationstelegramm und einem
Datentelegramm. Diese Telegramme sind für jede Datenübertragung
identisch aufgebaut. Lediglich das Datentelegramm kann von unterschiedlicher
Länge sei,
was im Telegramm hinterlegt ist. Es können somit unterschiedlichste
Daten von verschiedenen Sendern empfangen werden.
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Zur
optimalen Energieausnutzung muss der Empfänger wissen, wann der Sender
sendet. Hierbei ist zu beachten, dass der Empfänger und der Sender aufgrund
der Quarzdrift der Hardware nur eine begrenzt genaue Zeitbasis besitzen.
Deswegen wird eine Synchronisation vorgeschlagen. Die Grundidee besteht
darin, dass der Empfänger,
wenn er die Synchronisationsdaten empfängt, in Bereitschaft versetzt wird,
dass nach den Synchronisationsdaten die Messdaten übertragen
werden und empfangen werden sollen. Bei der Übermittlung des Funktelegramms
wird somit zwischen den Synchronisationstelegrammen und dem Datentelegramm
unterschieden. Der Sender sendet beispielsweise 30 Sekunden lang
Synchronisationstelegramme mit einem Pausenverhältnis von 1:4, welche auf den
Zeitpunkt der Sendung des Datentelegramms hinweisen. Als Letztes
wird dann das Datentelegramm selbst gesendet. Dies wiederholte sich
ca. alle 25 Stunden, um so eine Kollision mit den Sendeaktivitäten anderer Messgeräte zu vermeiden.
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Das
Synchronisationstelegramm wird nicht nur ein einziges Mal gesendet
(in diesem Fall müsste das
Zeitfenster im Empfänger
aufgrund der Drift entsprechend groß sein), sondern das Synchronisationstelegramm
wird mehrfach als Paket gesendet, wobei zwischen diesen Sendeaktivitäten eine
Pause eingelegt wird, in welcher der Sender nicht in Betrieb ist.
Dadurch wird entsprechend Energie eingespart. Die gepulsten Synchronisationstelegramme über den gesamten,
erwarteten Zeitraum sowie ein kurzer Empfangsschlitz in der Empfangsbereitschaft
des Empfängers
gewährleisten
eine geringe Energieaufnahme im Empfänger.
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Um
zu gewährleisten,
dass die gepulsten Synchronisationstelegramme auch von dem Empfänger in
dem kurzen Empfangsschlitz empfangen werden, wird der Empfänger für ein Zeitfenster
in Empfangsbereitschaft versetzt, welches zumindest eine Periode
der gepulsten Synchronisationsdaten der Meßgeräte beträgt. Die Grundidee ist, dass
der Empfänger
nur ein Synchronisationstelegramm zu empfangen braucht, um den genauen
Zeitpunkt des Datentelegramms zu erfahren. Hierzu wird der Empfänger zum
erwarteten Zeitpunkt im Minimum für die Dauer der doppelten Länge des
Synchronisationstelegramms plus der Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Synchronisationstelegrammen geöffnet
(siehe auch 2b). Aufgrund dieser überlappenden
Empfangsphase wird gewährleistet,
dass der Empfänger
ein Synchronisationstelegramm empfängt, auch wenn das Sendesignal
zeitlich versetzt kommt. Bis zu dem Zeitpunkt dieses Ereignisses kann
der Empfänger
in einem energiesparenden Wartemodus bleiben.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
2 schlägt
vor, dass die Synchronisationsdaten Kenndaten des jeweiligen Messgerätes beinhalten,
so dass aufgrund der Synchronisationsdaten identifizierbar ist,
um welches Messgerät
es sich gerade handelt.
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Gemäß der Weiterbildung
in Anspruch 3 kann sich der Empfänger
außerdem
nun rechnerisch auf die Mitte des nächsten Sendefensters einstellen, da
dies durch die Gerätenummer
des Senders eindeutig bestimmt ist. Dadurch wird eine Zeitdrift-Kompensation
geschaffen.
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Eine
weitere, bevorzugte Weiterbildung schlägt Anspruch 4 vor. Wird nämlich kein
Synchronisationstelegramm erkannt, so kann sich der Empfänger aus
dem letzten Telegramm den Zeitpunkt für das nächste Sendefenster errechnen.
Dann muss aber aufgrund der eingetretenen Driften das Zeitfenster
im Mittel doppelt so lang aufgehalten werden. Wird dort wieder kein
Synchronisationstelegramm empfangen, wird das Zeitfenster viermal
so groß etc.
Die Wahrscheinlichkeit eines derartigen Effekts wird als Nebeneffekt
einer Maßnahme
zur Kollisionsvermeidung stark vermindert.
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Um
die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger einzuleiten, muss eine
Initialisierungsphase, d. h. ein Start der Synchronisation stattfinden.
Diese wird typischerweise nach der Installation gestartet. Gemäß der Weiterbildung
hierfür
in Anspruch 5 ist der Empfänger
für eine
längere
Zeit beispielsweise alle 30 sec im Minimum für die Dauer der doppelten Länge des
Synchronisationstelegramms plus der Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationstelegrammen
geöffnet.
Es können dabei
drei Initialisierungsmethoden unterschieden werden. Eine vollautomatische
Initialisierungsmethode sieht vor, dass die Sender beim Installieren
eine spezielle Kennung mitsenden, welche vom Empfänger erkannt
wird. Die Initialisierung dauert eine definierte Zeit. Die Sender
senden beim Installieren für eine
bestimmte Zeit häufiger.
Eine halbautomatische Initialisierungsmethode sieht vor, dass die
zu erwartende Gerätezahl übergeben
wird. Ansonsten erfolgt der Vorgang wie bei dem zuvor beschriebene
vollautomatische Vorgang. Dadurch kann die Initialisierungsdauer
begrenzt werden. Eine manuelle Initialisierungsmethode sieht schließlich vor,
dass dem Empfänger
die zu empfangenden Geräte
mitgeteilt werden. Die Initialisierung beginnt nach dem Installieren
des Empfängers.
Sie dauert so lange, bis alle Geräte erkannt wurden oder bis
zum Ablauf eines Timeouts.
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Ein
zentrales Problem bei der Übertragung von
Messdaten von mehreren Messgeräten
auf einen gemeinsamen Empfänger
ist die Kollisionsvermeidung sowie die Übertragungssicher heit. Damit eine
einwandfreie Funktion des Gesamtsystems überhaupt möglich wird, ist es notwendig,
die Übertragungssicherheit
zu optimieren. Dementsprechend sollten verschiedene Maßnahmen
hierzu getroffen werden. Generell ist die natürliche Drift, welche aufgrund
der Ungenauigkeit von Taktgeneratoren entsteht, ein „natürliches" Merkmal zur Kollisionsvermeidung.
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Eine
konkrete Maßnahme
sieht die Weiterbildung gemäß Anspruch
6 vor. Die Grundidee mit den unterschiedlichen Senderstartzeitpunkten
liegt in dem Bestreben zu vermeiden, dass eine Vielzahl der Messgeräte sich
gegenseitig auslöschen.
Dies kann reduziert werden, indem der Sender seine Sendeperiode
mit Beginn der Inbetriebnahme (Fertigungszeitpunkt oder Installation)
beginnt.
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Eine
weitere Möglichkeit
sieht die Weiterbildung gemäß Anspruch
7 vor. Da zwei Sender auf ein und demselben Sendefenster liegen
können,
wird auf den Sendezyklus ein von der Gerätenummer abgeleiteter Offset
addiert, welcher im Bereich von +/– 25 min liegen kann. Damit
driftet der Sendezeitpunkt von jedem Messgerät unterschiedlich hinsichtlich
ihrer Sendeperioden. Ein weiterer Aspekt ist folgender: Die Synchronisationstelegramme
können
im Verhältnis
1 : 4 (Sendesignale : Pause) gesendet werden. In diese Pause passen
drei weitere (fremde) Synchronisationstelegramme. Dies wird genutzt,
indem in Abhängigkeit
einer Zufallszahl der Sendebeginn des Synchronisationstelegramms
innerhalb des Sendefensters variiert wird. Dies gewährleistet
den Empfang des Synchronisationstelegramms, auch wenn mehrere Sender
(je nach Wahrscheinlichkeit) exakt zum selben Zeitpunkt senden.
Eine Kollision beim Datentelegramm lässt sich damit nicht verhindern, aber
der Empfänger
kann zumindest den neuen Sendezeitpunkt berechnen und damit das
nächste
Empfangsfenster so klein wie möglich
halten.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
8 schließlich
schafft eine weitere Möglichkeit
der Kollisionsvermeidung. Beispielsweise sendet der Sender alle
25 Stunden. Hiermit wandert der Sendezeitpunkt quasi einmal pro
Monat rund um die Uhr. Damit geht man fremden, zyklisch sendenden
Quellen aus dem Weg.