EP1244083A1 - Verfahren zum Erfassen von Verbrauchsdaten - Google Patents

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EP1244083A1
EP1244083A1 EP01810287A EP01810287A EP1244083A1 EP 1244083 A1 EP1244083 A1 EP 1244083A1 EP 01810287 A EP01810287 A EP 01810287A EP 01810287 A EP01810287 A EP 01810287A EP 1244083 A1 EP1244083 A1 EP 1244083A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radio
modules
module
data
level
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01810287A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Urs Augsburger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Metrix Systems AG
Original Assignee
Metrix Systems AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Metrix Systems AG filed Critical Metrix Systems AG
Priority to EP01810287A priority Critical patent/EP1244083A1/de
Publication of EP1244083A1 publication Critical patent/EP1244083A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G08C17/02—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link using a radio link

Definitions

  • the present invention relates to a method for Acquisition of data, especially measurement data such as Consumption data, according to the preamble of claim 1.
  • a such a method is known from DE-A-199 11 657.
  • a wireless data transmission is just in the Building services, e.g. when recording heat consumption, then of particular interest if existing installations are moved or need to be retrofitted by any wiring eliminated.
  • the aim of the invention is the transmission and reception times and thus the energy requirement and the occupancy of the available To keep the frequency band as low as possible. That goal will achieved according to the characterizing part of claim 1.
  • the Sending and receiving times of the individual radio modules can be kept very short by the short time one for sending the collected data immediately short reception follows during which the Confirmation of receipt is given, which if necessary only can consist of a synchronization command. With that is in short time and with correspondingly low energy consumption clarified that the job is done and that Radio module until the next data transmission due date does not have to be ready to send or receive.
  • advantageous Refinements of the method according to the invention result from the following description, the drawings and the Claims.
  • radio module 1 shows the base station 1, also called ComServer in the following, which is directly or indirectly connected to a number of radio modules 2 by radio. All radio modules are preferably constructed identically, ie they have a transmitter and a receiver, memory for storing collected data and also either a measuring device for recording data or a connection via a suitable interface with a measuring device, for example an existing one, installed meter. As shown in FIG. 1, the radio modules are hierarchically arranged in those that have a direct connection to the base station 1 and are assigned to a level 0 (2 0 ), radio modules 2 1 to a level 1, which have one or more radio modules of level 1 are connected and radio modules 2 2 of a stage 2. This is to indicate that the base station 1 has only a connection with some of the radio modules assigned to it or subordinate to it, and that the relay function of intermediate modules 2 0 and 2 1 required.
  • FIG. 1 clearly shows the hierarchical structure of the system, but not an optimal structure, because in levels 0 and 1 each carries a single radio module the load of Relay function for all subordinate radio modules.
  • Fig. 2 indicates that communication between the individual radio modules and the base station over several Paths can be made, a distinction being made between in bold lines denote primary communication paths and secondary or denoted in thin lines alternative communication paths. It means that one each during commissioning Communication path is determined, via which in operation the data are transmitted. Will this be primary Communication path interrupted during operation to Example because a tenant changes the furniture changes the system automatically switches to an alternative Communication path. The alternative communication paths are searched for when installing the system and bookmarked. The system can also be used at any time Look for alternative communication paths, as explained earlier becomes.
  • the system is largely commissioned automatically.
  • Each radio module 2 is installed before ComServer 1 logged on. Every radio module receives automatically an identification address and one Initial send time assigned by the ComServer. Either Identification address and initial send time come in entire system only once. After logging in on ComServer the radio module is in initialization mode. In this mode the module transmits every time A message with when his initial sending time is reached his identification address.
  • the fully automatic Commissioning is now described in more detail.
  • Each module that is in the initial state sends its identification (address that was assigned when logging on to the ComServer) at its initial send time. If the server has received the module's telegram, it gives it the subaddress 0 and a time of transmission. The radio module now changes to the operating state. In the operating state, the radio module contacts the ComServer each time the transmission time is reached. Remarks: The server knows all modules of level 0 after one day. This procedure can already be carried out during the installation.
  • the server addresses the level 0 modules and indicates the initial send times of missing radio modules. At these times, the modules of level 0 should listen. Then a day passes. Each level 0 module listens at the specified times and registers each module from which the identification can be received. Each level 0 module tells the ComServer from which other modules the identification could be received; this takes place the next time the transmission time is reached.
  • the ComServer now determines the communication paths and instructs the level 0 modules, which are to be used as a relay station, to put the level 1 modules into operation.
  • the ComServer instructs the level 0 modules to put the level 1 modules into operation: The level 0 module waits for the initial end of the level 1 module to be put into operation. This reports at the time of initialization.
  • the module of level 0 answers and announces the new subaddress and the reception time window for the module of level 1. If the module of level 0 has received the receipt of the level 1 module, this can be communicated to the ComServer the next day. Comment: The server knows all level 1 modules after two days.
  • the ComServer must ask the level 1 modules whether they can receive a telegram at the initial send time of a missing module. For this purpose, inquiries are sent to the level 1 modules. The command is passed from level 0 modules to level 1 modules. These listen to a telegram in the specified time window. One day is needed for this. Two days pass before the results return to the ComServer. Another day is required to provide the level 2 modules with a subaddress and reception time window. Confirmation of successful commissioning is due after a further 2 days. Note: The server knows all level 2 modules after six days.
  • the radio system can be supplemented with additional modules at any time become. To do this, the modules only have to be registered on the ComServer commissioning takes place exactly the same as this is described in the paragraph "Fully automatic commissioning" is.
  • the network structure, the reception time windows and the initial transmission times of the individual modules are stored in the ComServer. So that a connection to the radio modules can be established when the ComServer is replaced, at least the initial transmission times of the modules must be saved on a non-volatile storage medium. If the ComServer is replaced, the storage medium is removed from the old ComServer and used in the new one. The radio module of the old ComServer must also be used in the new one, otherwise the synchronization between the ComServer and the level 0 modules will be lost. If the radio module of the ComServer also has to be replaced, the synchronization with the modules of level 0 is also lost. In this case, the ComServer must be ready to receive until it receives the message from a module. Thanks to the data stored in the storage medium, the timer of the ComServer can then be synchronized.
  • a module After a module has sent a telegram, it switches ready to receive a response from the Receive ComServers. Since the ComServer the time of transmission knows each radio module, it can determine the deviation, with which the module sent the telegram. This Deviation will be the level 0 module as part of the answer sent back. The level 0 module can now use its timer correct according to the deviation.
  • level 1 or level 2 module The synchronization of a level 1 or level 2 module is the same as a level 0 module, except that instead of the ComServer a relay station (level 0 resp. Level 1 module) occurs.
  • the meter data is read out via the interface according to ISO 7816 (smart card).
  • the data is stored in the radio module cached and at agreed times, e.g. transmitted to the ComServer once a week.
  • the data are read out regularly at defined times. It but there is also the possibility that by a command an additional reading is triggered on the ComServer.
  • the frequency of the quartz can be measured precisely during production (final test). A deviation from the target frequency can now be approximately compensated during operation, since the actual frequency is known.
  • the current consumption of the Receiver relatively large. To be as long as possible To be able to realize the battery life would have to be the reception readiness should be set as short as possible. So that the inaccuracies due to the temperature-related Drifts of the quartz frequency can be reliably absorbed the receiver must be open for as long as possible So there has to be a compromise between energy needs and Compensation ability can be found.
  • the quartz temperature of the transmitter module deviates more from the calibration temperature than that of the receiver module.
  • the frequency of the quartz is therefore lower, the timer of the transmitter lags behind the timer of the receiver.
  • the quartz temperature of the transmitter module deviates less from the calibration temperature than that of the receiver module.
  • the transmitter's timer precedes the receiver's timer.
  • the duration of the reception window must not be shorter than that prescribed transmission pause can be selected. In order to it is ensured that at least one attempt Establish connection within a reception window takes place, the interval of the connection establishment be shorter than the reception window. To determine the minimum duration of the reception window, the time must still are added, which is required for communication. Assuming that for the telegram (including switching on of the transmitter) 30ms are required, the Willingness to receive last at least 750ms. If another Small reserve should be provided, the duration of the Willingness to receive is about 800 to 900ms long. Accordingly, the interval of connection establishment between approx. 760 and 860ms long. Now become the well-known Values used in the graphic Fig. 3, the 4 derive:
  • a module cannot establish a connection for any reason, it cannot be synchronized. So that the connection can be established in the next allocated time range, the number of attempts to establish a connection must be increased. The number of these attempts is therefore a function of the time that has elapsed since the last successful synchronization. The number of attempts is increased by 4 for each day on which synchronization was not possible. The attempts to establish a connection are distributed symmetrically in time around the time T 0 .
  • the time window in which a connection is established can, grows by 4 times 760ms every day, i.e. by 3.04s. this time window (from the second day) increases by approx 10% stronger than this for the assumed values for the Deviation of the quartz frequency would actually be necessary.
  • the connection is always established by a "UpStream telegram". Communication is always from initiated at a subordinate level. Would Communication started with a "DownStream telegram", the number of modules of the lower level would have to be due to the Restriction of the duty cycle can be severely restricted. In addition, during commissioning and operation, the same procedures are used.
  • the module of higher level After the module of higher level has received the telegram, answers it with an instruction to the module that communicates initiated. The answer includes next to the Command (s) also the synchronization data to align the Module timer.
  • the timer of a radio module is on the Timer of the module of the higher level synchronized. Since this transmission time of this answer is very short, a radio module has a very large number of subordinate ones "Operate" modules. This is especially true for the ComServer significant.
  • the maximum system size can be determined.
  • Each module is assigned its own time range in which it contacts the higher-level module.
  • the duration this time period is chosen so that there are two Do not overlap time periods even if an or multiple modules on multiple consecutive days are not can be synchronized:
  • the level 0 modules are in direct contact with the ComServer. Since the duty cycle is also restricted for the ComServer applies, the number of level 0 modules is determined by the length of the DownStream telegrams from the ComServer to the level 0 modules certainly.
  • the ComServer has 474 level 0 modules 182ms available for each DownStream telegram. In These 182ms can both synchronization signals as well Commands are transmitted. Because in the direction of the ComServer no consumption data are transmitted to the radio modules, broadcast time is no longer required. This should be for this Function should be sufficient.
  • a radio module Since the data that has to be passed from a module of level 1 or 2 via at least one relay station, it can take up to two days before the data arrives at the ComServer. Therefore, a radio module should only be assigned to level 1 or 2 if it is outside the range of the ComServer.
  • the modules of levels 1 and 2 use different radio modules as relay stations. Since the storage capacity and computing power of the radio modules is limited, the number of "sub-modules" that a single radio module can have must be limited.
  • Offer one level 1 or 2 radio module several Communication paths to the ComServer are the primary Select communication paths so that each relay station receives as few sub-modules as possible.
  • the radio module sends out its identification address each time the initial transmission time is reached.
  • the telegram with the identification address including CRC, interleaving etc. is 16 bytes long.
  • the identification address takes 26.7ms to be sent.
  • the radio module must establish the connection as described above. Every day on which no connection can be established, the initial send time and the receive window of potential communication partners can drift apart. The time window in which communication can take place increases every day according to the chapter "Tolerances of the quartz frequency" 1.35 s for a total of 2.7s. So that the radio module can be registered even after several days, it must increase the number of telegrams sent every day.
  • Each module may not transmit its transmitter for longer than 3.6 s turn on within an hour. If the Frequency band during 30 ms per UpSream telegram may be in a maximum of 120 telegrams can be sent per hour. This enough for one radio module for 30 days in the initial state to be able to operate. The 120 telegrams are in Intervals of at least 720 ms sent. All Telegrams can therefore be sent from a radio module within it allocated time range. Should be more than 30 days in the initial state can be bridged (e.g. because a relay station has failed and none offers alternative communication path), the module additional reception windows at the higher level allocated or the reception window extended so that the module in the initial state the time between two Transmissions of the telegram can extend. But it has to care is taken that the allotted Do not overlap time periods of two modules.
  • FIG. 2 only shows the example shows the available connection options.
  • Fig. 2 also does not show that one can Possibility of designing the network so that the Relay station serving radio modules about the same number of via modules communicating with them, so all modules have similar loads and are therefore roughly the same Have operating time without changing the battery.
  • the radio network can also be expanded in the sense that the base station via radio with a parent Data processing center is connected. It can do that local radio network shown here and described above 1, 2 that for example for recording the heating energy or - A similar, more powerful radio network serves costs be parent, which is also an existing one Modbilfunknetz can act.

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Abstract

Eine Funk-Basisstation (1) steht direkt oder indirekt über Relais-Funkmodulen (20, 21) in Verbindung mit allen Funkmodulen (20, 21, 22) des Systems. Jedem Funkmodul ist ein Zeitpunkt zugeteilt, in dem er Daten, z.B. betreffend Energieverbrauch, senden soll. Nach erfolgter Sendung empfängt jedes Funkmodul eine Bestätigung mit Synchronisationsbefehl. Es wird damit eine geringe Belegung des Frequenzbandes und ein geringer Energiebedarf erzielt. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Daten, insbesondere Messdaten wie Verbrauchsdaten, gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Verfahren ist bekannt aus der DE-A-199 11 657. Ein wesentliches Problem bei der Datenerfassung besteht häufig darin, dass die einzelnen Funkmodule zur Übertragung der gesammelten Daten an die als Sammelstelle wirkende Basis-Station batteriebetrieben sind und daher mit der verfügbaren Energie sehr haushälterisch umgegangen werden muss. Die drahtlose Übertragung der Daten ist gerade in der Haustechnik, z.B. bei der Erfassung des Wärmekonsums, dann von besonderem Interesse, wenn bestehende Installationen um- oder nachgerüstet werden müssen, indem jede Verdrahtung wegfällt.
Ziel der Erfindung ist es, die Sende- und Empfangszeiten und damit den Energiebedarf und die Belegung des verfügbaren Frequenzbandes möglichst gering zu halten. Dieses Ziel wird gemäss kennzeichnendem Teil des Anspruchs 1 erreicht. Die Sende- und Empfangszeiten der einzelnen Funkmodule können hierbei sehr kurz gehalten werden, indem auf die kurze Zeit zum Senden der gesammelten Daten unmittelbar eine ebenfalls kurze Empfangsbereitschaft folgt, während welcher die Bestätigung des Empfangs erfolgt, welche gegebenenfalls nur aus einem Synchronisationsbefehl bestehen kann. Damit ist in kurzer Zeit und mit entsprechend geringem Energieaufwand klargestellt, dass der Auftrag erledigt ist und das Funkmodul bis zur nächsten Fälligkeit der Datenübertragung weder sende- noch empfangsbereit sein muss. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1
die grundlegende Organisation eines Datensammelsystems,
Fig. 2
ein praktisches Beispiel eines derartigen Systems, und die
Fig. 3 und 4
Diagramme zur Erläuterung von Bedingungen zur Sicherstellung der Datenübertragung.
Fig. 1 zeigt die Basis-Station 1, im Folgenden auch ComServer genannt, die über Funk mit einer Anzahl von Funkmodulen 2 direkt oder indirekt in Verbindung steht. Vorzugsweise sind alle Funkmodule gleich aufgebaut, d.h., sie verfügen über einen Sender und einen Empfänger, Speicher zum Speichern gesammelter Daten und auch entweder eine Messvorrichtung zum Erfassen von Daten oder aber eine Verbindung über eine geeignete Schnittstelle mit einem Messgerät, z.B. einem schon bestehenden, installierten Messgerät. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Funkmodule hierarchisch geordnet in solche die direkte Verbindung haben mit der Basis-Station 1 und einer Stufe 0 zugeordnet sind (20), Funkmodule 21 einer Stufe 1, welche mit einem oder mehreren Funkmodulen der Stufe 1 verbunden sind und Funkmodule 22 einer Stufe 2. Damit soll angedeutet sein, dass die Basisstation 1 nur mit einigen der ihr zu- bzw. untergeordneten Funkmodule Verbindung hat, und dass es für die Verbindung mit allen vorhandenen Funkmodulen der Relaisfunktion zwischengeschalteter Module 20 und 21 bedarf.
Fig. 1 zeigt deutlich den hierarchischen Aufbau des Systems, nicht aber einen optimalen Aufbau, denn in den Stufen 0 und 1 trägt jeweils ein einziges Funkmodul die Last der Relaisfunktion für alle untergeordneten Funkmodule. In Fig. 2 ist angedeutet, dass die Kommunikation zwischen den einzelnen Funkmodulen und der Basis-Station über mehrere Pfade erfolgen kann, wobei unterschieden wird zwischen in dicken Strichen bezeichneten primären Kommunikationspfaden und in dünnen Strichen bezeichneten sekundären oder alternativen Kommunikationspfaden. Das bedeutet, dass während der Inbetriebnahme je ein primärer Kommunikationspfad festgelegt wird, über welchen im Betrieb die Daten übermittelt werden. Wird dieser primäre Kommunikationspfad während des Betriebs unterbrochen, zum Beispiel weil ein Mieter die Möblierung verändert, wechselt das System automatisch auf einen alternativen Kommunikationspfad. Die alternativen Kommunikationspfade werden bei der Installation des Systems gesucht und vorgemerkt. Das System kann aber auch jederzeit nach alternativen Kommunikationspfaden suchen, wie noch erläutert wird.
Die Inbetriebnahme des Systems erfolgt weitgehend automatisch. Jedes Funkmodul 2 wird vor der Montage beim ComServer 1 angemeldet. Jedes Funkmodul erhält dabei automatisch eine Identifikationsadresse und einen Initialsendezeitpunkt vom ComServer zugewiesen. Sowohl Identifikationsadresse und Initialsendezeitpunkt kommen im gesamten System nur einmal vor. Nach dem Anmelden am ComServer befindet sich das Funkmodul im Initialisierungs-Mode. In diesem Mode sendet das Modul jedesmal beim Erreichen seines Initalsendezeitpunktes eine Nachricht mit seiner Identifikationsadresse aus. Die vollautomatische Inbetriebnahme wird nun eingehender beschrieben.
1. Inbetriebnahme-Schritt (alle Module der Stufe 0 werden bestimmt)
Jedes Modul, das sich im Initial-Zustand befindet, sendet zu seinem Initialsendezeitpunkt seine Identifikation (Adresse, welche beim Anmelden am ComServer zugeteilt wurde). Hat der Server das Telegramm des Moduls erhalten, erteilt er ihm die SubAdresse 0 und ein Sendezeitpunkt. Das Funkmodul wechselt nun in den Betriebszustand. Im Betriebszustand nimmt das Funkmodul jeweils bei Erreichen des Sendezeitpunktes Kontakt mit dem ComServer auf.
Bemerkungen: Der Server kennt nach einem Tag alle Module der Stufe 0. Diese Prozedur kann bereits während der Installation vorgenommen werden.
2. Inbetriebnahme-Schritt (alle Module der Stufe 1 werden bestimmt)
Der Server spricht die Module der Stufe 0 an und gibt ihnen die Initialsendezeitpunkte von vermissten Funkmodulen an. Zu diesen Zeitpunkten sollen die Module der Stufe 0 horchen. Dann vergeht ein Tag. Jedes Modul der Stufe 0 horcht zu den angegebenen Zeitpunkten und registriert jedes Modul, von dem die Identifikation empfangen werden kann.
Jedes Stufe0-Modul teilt dem ComServer mit, von welchen anderen Modulen die Identifikation empfangen werden konnte; dies erfolgt beim nächsten Erreichen des Sendezeitpunktes. Der ComServer bestimmt nun die Kommuikationspfade und weist die Module der Stufe 0 an, welche als Relaisstation eingesetzt werden sollen, die Module der Stufe 1 in Betrieb zu nehmen.
Der ComServer weist Die Module der Stufe 0 an, Module der Stufe 1 in den Betriebszustand zu versetzen:
Das Modul der Stufe 0 wartet auf den Initialsendezeitpunkt des Stufe 1 Moduls, das in Betrieb genommen werden soll. Dieses meldet sich zum Initialsendezeitpunkt. Das Modul der Stufe 0 antwortet und gibt die neue SubAdresse und das Empfangszeitfenster für das Modul der Stufe 1 bekannt. Wenn das Modul der Stufe 0 die Quittung des Stufe 1 Moduls erhalten hat, kann dies am nächsten Tag dem ComServer mitgeteilt werden.
Bemerkung:
Der Server kennt nach zwei Tagen alle Module der Stufe 1.
3. Inbetriebnahme-Schritt (alle Module der Stufe 2 werden bestimmt)
Der ComServer muss die Module der Stufe 1 anfragen, ob sie zu einem Initialsendezeitpunkt eines vermissten Moduls ein Telegramm empfangen können. Dazu werden Anfragen an die Module der Stufe 1 versandt. Der Befehl wird von Modulen der Stufe 0 an die Module der Stufe 1 weitergereicht. Diese horchen im angegebenen Zeitfenster auf ein Telegramm. Dazu wird ein Tag benötigt. Zwei Tage vergehen, bis die Resultate zum ComServer zurückkehren. Ein weiterer Tag wird benötigt, um die Module der Stufe 2 mit SubAdresse und Empfangszeitfenster zu versehen. Die Rückmeldung der erfolgreichen Inbetriebnahme ist nach weiteren 2 Tagen fällig.
Bemerkung: Der Server kennt nach sechs Tagen alle Module der Stufe 2.
Dauer der Inbetriebnahme
Die Zeitangaben zu den oben beschriebenen Inbetriebnahme Stufen sind gültig, wenn für jedes Modul innerhalb 24 Stunden nur ein Sendezeitpunkt vergeben wird. Die Inbetriebnahme eines Funksystems kann also bis zu 9 Tage dauern. Diese Prozedur kann aber beschleunigt werden, indem für die Inbetriebnahme jedem Modul mehrere Sendezeitpunkte zugeteilt werden. Dabei muss allerdings darauf geachtet werden, dass der Dutycycle jedes einzelnen Moduls nicht grösser als 0.1% wird.
Das Funksystem kann jederzeit um weitere Module ergänzt werden. Dazu müssen die Module nur am ComServer angemeldet werden, die Inbetriebnahme erfolgt danach genau gleich wie dies im Absatz "Vollautomatische Inbetriebnahme" beschrieben ist.
Entfernen von Funkmodulen
Zum Entfernen eines Moduls muss dieses bloss am ComServer abgemeldet werden. Das kann durch eine Eingabe über die Tastatur am ComServer erfolgen. Die Abmeldung kann auch "automatisch" durchgeführt werden, indem das abzumeldende Modul in das Chipkarten Interface des ComServers gesteckt und am ComServer "Abmelden" eingegeben wird.
Wenn es sich bei dem abgemeldeten Modul um ein als Relaisstation verwendetes Modul handelt, verlieren gewisse Module der nachfolgenden Stufe(n) den Kontakt zum ComServer. Diese Module wechseln automatisch in den Initialzustand und können somit erneut in Betrieb genommen werden. Das Vorgehen ist dabei identisch zu der ersten Inbetriebnahme der Module.
Ersetzen des ComServers
Die Netzwerkstruktur, die Empfangszeitfenster und Initialsendezeitpunkte der einzelnen Module sind im ComServer gespeichert. Damit bei einem Auswechseln des ComServers wieder eine Verbindung zu den Funkmodulen hergestellt werden kann, müssen zumindest die Initialsendezeitpunkte der Module auf einem nicht flüchtigen Speichermedium gesichert sein.
Bei einem Ersatz des ComServers wird das Speichermedium aus dem alten ComServer entfernt und im neuen eingesetzt.
Ebenso muss das Funkmodul des alten ComServers in den neuen eingesetzt werden, da sonst die Synchronisaion zwischen ComServer und den Stufe 0 Modulen verloren ist. Wenn auch das Funkmodul des ComServers ausgewechselt werden muss, geht auch die Synchronisation mit den Modulen der Stufe 0 verloren. In diesem Fall muss der ComServer solange empfangsbereit sein, bis er die Nachricht eines Modules empfängt. Dank den im Speichermedium abgelegten Daten kann dann der Timer des ComServers synchronisiert werden.
Synchronisation der Funkmodule Synchronisation der Stufe 0 Module bei der Inbetriebnahme und im Betrieb:
Nachdem ein Modul ein Telegramm ausgesendet hat, schaltet es sich für ein paar ms empfangsbereit um eine Antwort des ComServers zu Empfangen. Da der ComServer den Sendezeitpunkt jedes Funkmoduls kennt, kann er die Abweichung bestimmen, mit der das Modul das Telegramm ausgesendet hat. Diese Abweichung wird dem Stufe 0 Modul als Teil der Antwort zurückgeschickt. Das Stufe 0 Modul kann nun seinen Timer entsprechend der Abweichung korrigieren.
Synchronisation der Stufe 1 und Stufe 2 Module bei der Inbetriebnahme und im Betrieb:
Die Synchronisation eines Stufe 1 oder Stufe 2 Moduls erfolgt gleich wie die eines Stufe 0 Moduls, nur dass anstelle des ComServers eine Relaisstation (Stufe 0 resp. Stufe 1 Modul) tritt.
Auslesen der Zählerdaten
Die Auslesung der Zählerdaten erfolgt über die Schnittstelle nach ISO 7816 (Smartcard). Die Daten werden im Funkmodul zwischengespeichert und zu vereinbarten Zeitpunkten, z.B. einmal in der Woche, zum ComServer übertragen.. Die Daten werden regelmässig zu definierten Zeitpunkten ausgelesen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass durch einen Befehl des ComServers eine zusätzliche Auslesung ausgelöst wird.
Es folgen nun weitere Angaben und Erwägungen zu Arbeitsweise des Systems.
Toleranzen der Quarzfrequenz
Während der Produktion (Endtest) kann die Frequenz des Quarzes exakt gemessen werden. Eine Abweichung von der Sollfrequenz kann nun, da die Istfrequenz bekannt ist, im Betrieb annähernd kompensiert werden.
Die Beziehung zwischen Frequenz und Temperatur folgt der quadratischen Funktion: Δƒ/ƒ=-k·(T-T0)2 [ppm] wobei für T0 die Temperatur eingesetzt wird, bei der sich der Scheitelpunkt der Funktion befindet.
Wegen des quadratischen Verlaufes der Funktion nimmt die Frequenz immer ab, wenn die Temperatur von T0 abweicht.
Bei einer Abweichung um 50 Grad von T0, also z.B.: bei etwa 75 Grad ist mit einer Frequenzabweichung um 95ppm zu rechnen. Diese 95ppm Abweichung bewirken eine Abweichung eines Modul-Timers von 8.21s/Tag, wenn man noch die Streuung innerhalb der Serie berücksichtigt (etwa 10%) sogar etwa 9.0s/Tag.
Unter der Annahme dass etwa 85% des temperaturbedingten Drifts durch eine Temperaturmessung kompensiert werden können, reduziert sich die maximale Abweichung eines Modul-Timers auf ca. 1.35s/Tag.
Empfangsfenster und Sendezyklen
Während der Empfangsbereitschaft ist die Stromaufnahme des Empfängers relativ gross. Um eine möglichst lange Lebensdauer der Batterie realisieren zu können, müsste also die Empfangsbereitschaft möglichst kurz eingestellt werden. Damit die Ungenauigkeiten wegen des temperaturbedingten Drifts der Quarzfrequenz zuverlässig aufgefangen werden können, muss der Empfänger möglichst lange geöffnet sein Es muss also ein Kompromiss zwischen Energiebedarf und Kompensationsvermögen gefunden werden.
Neben verfügbarer Batteriekapazität und Drift der Quarzfrequenz sind einige weitere Punkte bei der Bestimmung der Empfangsfenster zu beachten. Insgesamt haben die folgenden Faktoren Einfluss auf die Dauer der Empfangsbereitschaft:
  • Nutzbare Kapazität der Batterie
  • Drift und Toleranz des Quarzes, resp. Genauigkeit der Temperaturkompensation.
  • Vorschrift bezüglich Dutycycle und "Sendepausen"
  • Anzahl der Module in einem System
  • Dauer die ein Modul im "Funkschatten" sein können muss, ohne "endgültig den Kontakt zu verlieren"
    • Wegen der Abhängigkeit der Quarzfrequenz von der Temperatur können die folgenden zwei Situationen auftreten:
    Die Quarztemperatur des Sender-Moduls weicht stärker von der Eichtemperatur ab als beim Empfänger-Modul. Die Frequenz des Quarzes ist somit tiefer, der Timer des Senders eilt dem Timer des Empfängers nach.
    Die Quarztemperatur des Sender-Moduls weicht weniger stark von der Eichtemperatur ab als beim Empfänger-Modul. Der Timer des Senders eilt dem Timer des Empfängers vor.
    Wenn man die beiden Situationen in der Grafik Fig. 3 gemeinsam darstellt, werden die Anforderungen an Sender und Empfänger deutlich sichtbar:
    Die folgenden Bedingungen müssen für eine zuverlässig funktionierende Kommunikation erfüllt sein:
    • tTI < tRR
    • tTS > (ΔtCIk - tRR/2)
    • tTE - t0 > (ΔtCIk - tRR/2)
    Die Dauer des Empfangsfensters darf nicht kürzer als die vorgeschriebene Sendepause gewählt werden. Damit sichergestellt ist, dass mindestens ein Versuch eine Verbindung herzustellen innerhalb eines Empfangsfensters statt findet, muss das Intervall der Verbindungsaufnahme kürzer sein als das Empfangsfenster. Zur Bestimmung der minimalen Dauer der Empfangsfensters, muss noch die Zeit addiert werden, welche für die Kommunuikation benötigt wird. Unter der Annahme, dass für das Telegramm (inkl. Einschalten des Senders) 30ms benötigt werden, müsste die Empfangsbereitschaft mindestens 750ms dauern. Wenn noch eine kleine Reserve vorgesehen werden soll, wird die Dauer der Empfangsbereitschaft etwa 800 bis 900ms lang. Dementsprechend wird das Intervall der Verbindungsaufnahme zwischen ca. 760 und 860ms lang. Werden nun die bekannten Werte in die Grafik Fig. 3 eingesetzt, lässt sich daraus die Fig. 4 ableiten:
    Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass ein synchronisiertes Funkmodul im schlimmsten Fall 4 mal versuchen muss eine Verbindung herzustellen, wobei bei jedem Versuch das gesamte Telegramm abgesetzt wird. Somit bleiben in diesem Fall 3.48s innerhalb der angebrochenen Stunde für die Datenübertragung übrig.
    Kann ein Modul aus irgend einem Grund keine Verbindung aufbauen, kann es auch nicht synchronisiert werden. Damit die Verbindung im nächsten zugeteilten Zeitbereich aufgebaut werden kann, muss die Anzahl der Versuche eine Verbindung herzustellen erhöht werden. Die Anzahl dieser Versuche ist somit eine Funktion der Zeit, die seit der letzten erfolgreichen Synchronisation verstrichen ist. Für jeden Tag, an dem keine Synchronisation möglich war, wird die Anzahl der Versuche um 4 erhöht. Die Versuche eine Verbindung aufzubauen werden zeitlich symmetrisch um den Zeitpunkt T0 verteilt.
    Das Zeitfenster, in dem eine Verbindung aufgebaut werden kann, wächst mit jedem Tag um 4 mal 760ms, also um 3.04s. somit wächst dieses Zeitfenster (ab dem zweiten Tag) um ca 10% stärker als dies bei den angenommenen Werten für die Abweichung der Quarzfrequenz eigentlich nötig wäre.
    Verbindungsaufbau und Synchronisation
    Die Aufnahme der Verbindung erfolgt immer durch ein "UpStream-Telegramm". Die Kommunikation wird also immer von einem Modul untergeordneter Stufe initiiert. Würde die Kommunikation mit einem "DownStream-Telegramm" begonnen, müsste die Anzahl Module der untergeordneten Stufe wegen der Beschränkung des Dutycycles stark eingeschränkt werden. Zudem können so bei der Inbetriebnahme und im Betrieb die selben Abläufe verwendet werden. Nachdem das Modul der übergeordneten Stufe das Telegramm erhalten hat, antwortet es mit einer Anweisung an das Modul, das die Kommunikation initiiert hat. Die Antwort enthält neben dem (den) Befehl(en) auch die Synchronisationsdaten zum Abgleichen des Modultimers. Somit wird der Timer eines Funkmoduls auf den Timer des Moduls der übergeordneten Stufe synchronisiert. Da diese Übertragungszeit dieser Antwort sehr kurz ist, kann ein Funkmodul eine sehr grosse Anzahl an untergeordneten Modulen "bedienen". Dies ist insbesondere für den ComServer von Bedeutung.
    Systemgrenzen
    Unter der Berücksichtigung der vorderen Kapitel kann die maximale Systemgrösse bestimmt werden.
    Maximale Anzahl Module im System
    Jedem Modul wird ein eigener Zeitbereich zugewiesen, in dem es Kontakt zum übergeordneten Modul aufnimmt. Die Dauer dieser Zeitbereiche ist so gewählt, dass sich zwei Zeitbereiche auch dann nicht überschneiden, wenn ein oder mehrere Module an mehreren aufeinanderfolgenden Tagen nicht synchronisiert werden können:
    Bei einer Telegramm-Übertragungsdauer von 30ms dürfen gemäss Vorschrift innerhalb einer Stunde von einem Modul maximal 120 Telegramme gesendet werden, wobei zwischen zwei Telegrammen 760ms liegen. Daraus ergibt sich ein Zeitbereich von 91.2s, der jedem Modul zugeteilt wird. Insgesamt können innerhalb 24 Stunden 947 unterschiedliche Zeitbereiche gelegt werden. Der Zeitbereich wird erst nach 30 Tagen ohne Synchronisation voll ausgenutzt. Da die Zeitbereiche bei nicht synchronisierten Modulen "wandern", muss zwischen den Zeitbereichen von jeweils zwei Funkmodulen ein nicht benutzter Zeitbereich liegen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass alle Module innerhalb des Systems am 30. Tag nach der letzten Synchronisation wieder eine Verbindung herstellen können. Ein Funksystem kann somit aus einem ComServer und bis zu 474 Funkmodulen bestehen. Die Zeitbereiche zweier Module dürfen sich auch überschneiden. So könnten mehr Funkmodule in einem System vereinigt werden. Wegen der geringen Belegung des Frequenzbandes von maximal 0.1% je Modul ist die Wahrscheinlichkeit relativ gering, dass zwei Module exakt zeitgleich senden. Mit den oben beschrieben Einschränkungen kann aber dieses Risiko ganz ausgeschlossen werden.
    Maximale Anzahl Module der Stufe 0
    Die Stufe 0 Module stehen im direkten Kontakt zum ComServer. Da auch für den ComServer die Beschränkung des Dutycycles gilt, wird die Anzahl der Stufe 0 Module durch die Länge der DownStream-Telegramme vom ComServer zu den Stufe 0 Modulen bestimmt. Bei 474 Modulen der Stufe 0 steht dem ComServer für jedes DownStream-Telegramm 182ms zur Verfügung. In diesen 182ms können sowohl Synchronisationssignale wie auch Befehle übertragen werden. Da in der Richtung vom ComServer zu den Funkmodulen keine Verbrauchsdaten übertragen werden, wird nicht mehr Sendezeit benötigt. Dies sollte für diese Funktion ausreichend sein.
    Maximale Anzahl Module der Stufen 1 und 2
    Da die Daten die von einem Modul der Stufe 1 oder 2 über mindestens eine Relaisstation geleitet werden müssen, kann es bis zu zwei Tage dauern, bis die Daten beim ComServer ankommen. Daher sollte ein Funkmodul nur dann der Stufe 1 oder 2 zugeteilt werden, wenn es sich ausserhalb der Reichweite des ComServers befindet.
    Die Module der Stufen 1 und 2 benutzen andere Funkmodule als Relaisstationen. Da die Speicherkapazität und Rechenleistung der Funkmodule beschränkt ist, muss die Anzahl der "Untermodule" die ein einzelnes Funkmodul haben kann, begrenzt werden.
    Bieten sich einem Funkmodul der Stufen 1 oder 2 mehrere Kommunikationspfade zum ComServer an, sind die primären Kommunikationspfade so zu wählen, dass jede Relaisstation möglichst wenige Untermodule zugeteilt erhält.
    Energiebedarf der einzelnen Module Verbrauch für Kommunikation im Initialzustand
    Im Initialzustand sendet das Funkmodul jedesmal beim Erreichen des Initialsendezeitpunktes seine Identifikationsadresse aus. Das Telegramm mit der Identifikationsadresse ist inkl. CRC, Interleaving usw. 16 Byte lang. Bei einer Übertragungsrate von 4800 Bit/s und 8 Bit je Byte (synchrone Datenübertragung) dauert das Senden der Identifikationsadresse also 26.7ms. Damit gewährleistet ist, dass das Telegramm auch einen Empfänger erreicht, muss das Funkmodul die Verbindung wie oben beschrieben aufnehmen. Mit jedem Tag, an dem keine Verbindung aufgebaut werden kann, können Initialsendezeitpunkt und Empfangsfenster von potentiellen Kommunikationspartner auseinander driften. Das Zeitfenster in dem eine Kommunikation stattfinden kann wächst gemäss Kapitel "Toleranzen der Quarzfrequenz" mit jedem Tag um
    1.35 s also um insgesamt 2.7s. Damit das Funkmodul auch nach mehreren Tagen angemeldet werden kann muss es also an jedem Tag die Anzahl der ausgesendeten Telegramme erhöhen.
    Energiebilanz
    Annahmen zur Bestimmung des Energieverbrauches:
    • Je Funkmodul gibt es nur einen Initialsendezeitpunkt innerhalb 24 Stunden.
    • Am ersten Tag des Initialzustandes werden 4 Telegramme ausgesendet.
    • An jedem weiteren Tag des Initialzustandes werden 4 zusätzliche Telegramme ausgesendet.
    • Nach dem Senden der Identifikationsadresse wird der Empfänger für einige ms eingeschaltet.
    • Bei erfolgreicher Anmeldung wird ein Telegramm von dem übergeordneten Modul empfangen.
    Jedes Modul darf seinen Sender nicht länger als 3.6 s innerhalb einer Stunde einschalten. Bei einer Belegung des Frequenzbandes während 30 ms je UpSream-Telegramm dürfen in einer Stunde maximal 120 Telegramme gesendet werden. Dies reicht um ein Funkmodul während 30 Tagen im Initialzustand betreiben zu können. Die 120 Telegramme werden in Intervallen von mindestens 720 ms ausgesendet. Alle Telegramme können also von einem Funkmodul innerhalb dem ihm zugeteilten Zeitbereich ausgesendet werden. Sollen mehr als 30 Tage im Initialzustand überbrückt werden können (z.B. weil eine Relaisstation ausgefallen ist und sich kein alternativer Kommunikationspfad anbietet), müssen dem Modul der übergeordneten Stufe zusätzliche Empfangsfenster zugeteilt oder die Empfangsfenster so verlängert werden, dass das Modul im Initialzustand die Zeit zwischen zwei Aussendungen des Telegramms verlängern kann. Dabei muss aber darauf geachtet werden, dass sich die zugeteilten Zeitbereiche von zwei Modulen nicht überschneiden.
    Verbrauch für Kommunikation im Betriebszustand (ungünstigste Situation)
    Es sei noch klargestellt, dass Fig. 2 nur die beispielsweise verfügbaren Verbindungsmöglichkeiten aufzeigt. Im konkreten Falle bestehen, wie erwähnt, vorgegebene Pfade über welche die Datenübermittlung läuft, solange keine Störung vorliegt. Erst dann wird die Basisstation aktiv und sucht nach einem Ersatzpfad, und zwar gemäss den oben beschriebenen Schritten. Fig. 2 lässt auch nicht erkennen, dass man nach Möglichkeit das Netz so gestaltet, dass den als Relaisstation dienenden Funkmodulen etwa gleiche Zahlen von über sie kommunizierenden Modulen zugeordnet werden, damit alle Module ähnliche Beanspruchung und damit etwa gleiche Betriebsdauer ohne Batteriewechsel aufweisen.
    Das Funknetz kann auch in dem Sinne erweitert werden, dass die Basisstation über Funk mit einer übergeordneten Datenverarbeitungsstelle verbunden ist. Es kann dabei dem hier dargestellten und oben beschriebenen, lokalen Funknetz 1, 2 das beispielsweise zum Erfassen der Heizenergie bzw. -kosten dient ein gleichartiges, leistungsstärkeres Funknetz übergeordnet sein, bei dem es sich auch um ein bestehendes Modbilfunknetz handeln kann.

    Claims (11)

    1. Verfahren zum Erfassen von Daten, insbesondere Verbrauchsdaten, wobei von mindestens einem Funkmodul (2) Daten an eine Funk-Basisstation (1) direkt oder indirekt über einen als Relais dienenden Funkmodul (20, 21) übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Funkmodul (2) ein bestimmter Zeitpunkt zum Senden von Daten zugeteilt ist, und dass jedes Funkmodul unmittelbar nach dem Senden der Daten auf Empfang geschaltet wird um eine Bestätigung mit Synchronisationsbefehl zu empfangen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Gangabweichung der Uhr eines Funkmoduls ermittelt und ein Gang-Korrekturbefehl übermittelt wird.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Synchronisation zwischen Basisstation (1) und damit direkt kommunizierenden Funkmodulen (20) und zwischen Relais-Funkmodulen (20, 21) und damit kommunizierenden Funkmodulen (21, 22) folgt.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gang der Uhren der Funkmodule in Abhängigkeit deren Temperatur korrigiert wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass den Funkmodulen Empfangszeitfenster zugeordnet sind, die symmetrisch zu den Sendezeitpunkten von kommunizierenden Funkmodulen liegen.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass anfänglich bestimmte Übermittlungspfade festgelegt werden, zu welchen nur im Störungsfalle ein Ersatzpfad ermittelt wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl bei der anfänglichen Inbetriebnahme als auch im Störungsfalle der bzw. die Übermittlungspfad(e) durch ein automatisches Initialisierungsprogramm der Basisstation (1) ermittelt und festgelegt wird bzw. werden.
    8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass allen vorhandenen Relais-Funkmodulen (20, 21) eine möglichst gleiche Anzahl von untergeordneten Funkmodulen (21, 22) zugeordnet wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass Relais-Funkstationen (20, 21) Funkstationen mit geringster Gangabweichung der Uhren untergeordnet werden.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass Daten per Funk von der Basisstation an eine übergeordnete Datenverarbeitungsstelle übermittelt werden.
    11. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, zum Erfassen des Wärmeverbrauchs, insbesondere zur Heizkostenberechnung, wobei jedem Heizkörper ein Funkmodul zugeordnet ist.
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