ES2326252A1 - Sistema inalambrico y metodo de lectura remota de contadores. - Google Patents
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Abstract
Sistema inalámbrico y método de lectura remota de contadores. Sistema inalámbrico de lectura remota de contadores, que comprende: al menos un dispositivo de almacenamiento (100), conectado a un contador o integrado en un contador, que comprende medios (2) para almacenar datos relativos al consumo; al menos un dispositivo concentrador (200), y un dispositivo central (400). El dispositivo de almacenamiento (100) comprende medios (1, 5, 6) para enviar los datos relativos al consumo al dispositivo concentrador a través de una red de banda estrecha (500), que opera en una banda de frecuencia de uso libre. El dispositivo concentrador comprende medios para reenviar dichos datos al dispositivo central (400) a través de una red de banda ancha (600), que opera en una banda de frecuencia de uso libre.
Description
Sistema inalámbrico y método de lectura remota
de contadores.
La invención que se describe tiene su ámbito de
aplicación en la lectura remota de contadores de agua, gas y
electricidad.
Históricamente, la lectura de consumo de
contadores siempre se ha realizado mediante una persona que accedía
a los hogares y tomaba nota. Esto suponía, y supone, diversos
problemas, como los costes de personal y desplazamientos, errores en
la lectura, imposibilidad de acceso al contador por la ausencia del
abonado, etc.
Los avances tecnológicos han supuesto que estas
tareas puedan realizarse de una forma más automatizada, mediante la
inclusión de sistemas vía radio para la lectura remota. Estas
tecnologías inalámbricas pueden emitir en bandas de frecuencias de
uso libre (p. ej. 868 Mhz, 915 Mhz) o en bandas donde la
comunicación lleva un coste asociado (p. ej. GPRS). En el primer
caso, al ser sistemas de corto alcance, sigue siendo necesaria una
persona que se desplace hasta los domicilios de los abonados para
recolectar los datos. Aunque mediante este sistema la recolección de
datos es más rápida (se puede realizar yendo en un vehículo),
siguen habiendo unos evidentes costes asociados. En el segundo
caso, no hay desplazamiento de personal pero cada vez que se envían
datos existe el coste del servicio correspondiente al proveedor del
mismo: la compañía telefónica.
En el caso de costes asociados a las
comunicaciones vemos la solución de Innovatec Corporation
"Automatic meter reading data communication system", con
patente WO 98/10394, donde especifica un sistema inalámbrico donde
las comunicaciones a larga distancia se basan en dispositivos
telefónicos móviles (de varios tipos), dispositivos telefónicos
convencionales o vía satélite.
Existen otros sistemas de lectura remota que
optan por soluciones mixtas: para comunicaciones de corto alcance
entre los dispositivos utilizan soluciones vía radio, y para la
transmisión de los datos hasta la central usan tecnologías basadas
en cables (p. ej. Ethernet, PSTN). Así aparece, por ejemplo, en la
solicitud de patente WO 2004/090831 de Chaos Co.
"Network-based remote meter reading
system", LTD, donde habla de un sistema de lectura de
contadores vía inalámbrica donde los datos son monitorizados en el
interior del domicilio del abonado, pero para su envío remoto a
través de un medio cableado (línea telefónica o red eléctrica
(PLC)).
En la patente US 6,975,862 de Lucent
Technologies Inc. "Wireless telemetering access", se
hace referencia a un sistema de carácter general para telemedida
desde la central del proveedor hasta el domicilio del cliente. Los
distintos equipos de varios clientes se conectan vía inalámbrica
con un equipo concentrador central. No obstante, el enlace entre
dicho concentrador y la central del proveedor se realiza vía
telefónica, por lo que sigue habiendo un coste asociado al envío de
los datos.
La solicitud de patente WO 00/57382 de
Conectisys Corporation "A wireless AMR network", hace mención
concreta a un sistema concreto de envío de información de consumos
vía radio desde los contadores hasta un equipo central próximo. A
partir de ahí, el enlace, con la central de tarificación se
específica vía Internet, telefónico o similar. Nuevamente, se está
incurriendo en un añadido de costes al propio sistema. Más aún,
implica la contratación de un proveedor de servicios de
telecomunicaciones (p. ej. compañía telefónica) ajeno a la
instalación, quedando el mantenimiento del sistema en manos de un
tercero, del cual dependen las comunicaciones.
Uno de los problemas principales para la
eficiencia de este tipo de sistemas tampoco se resuelve si existen
costes en las comunicaciones para el envío de los datos de consumo.
Esto es, la restricción en el número de veces que se pueden
comunicar los equipos que almacenan los consumos con la central. Es
evidente que si cada vez que existe una comunicación se tiene que
pagar, cuantas más conexiones se hagan más elevado será el
coste.
Un documento que se ocupa de una parte de los
problemas anteriormente mencionados es la solicitud de patente WO
2006/029315. Dicho documento da a conocer un sistema inalámbrico
para leer datos de contadores, que incluye una pluralidad de
contadores, un dispositivo recolector y un servidor central de
comunicaciones. Los contadores comunican datos de consumo al
dispositivo recolector o al servidor a través de una red de
comunicación inalámbrica del tipo Wi-Fi o WiMax. La
red Wi-Fi y/o WiMax puede operar independientemente
de o en colaboración con redes inalámbricas de colección de datos,
ya existentes.
Sin embargo, el uso de Wi-Fi o
WiMax para la comunicación entre los contadores y el dispositivo
recolector no es eficiente, porque ambos protocolos son de banda
ancha y los contadores envían pocos datos al dispositivo recolector
y además en intervalos muy largos.
\newpage
La presente invención resuelve los problemas
anteriormente mencionados mediante el sistema inalámbrico de
lectura remota de contadores según la reivindicación 1 y el método
de lectura remota de contadores según la reivindicación 12 y el
programa de ordenador según reivindicación 13. Las reivindicaciones
dependientes recogen realizaciones preferidas de la invención.
Según la invención el grave problema del coste
de la comunicación queda resuelto. De esta manera, los proveedores
de servicios pueden recabar mayor información de los hábitos de
consumo por parte de sus clientes y así crear perfiles concretos de
cada uno de ellos. Esto permite a la compañía proporcionar una mejor
atención a sus clientes pudiendo bonificar a aquellos con un
consumo más racional, penalizar a aquellos que derrochen energía e,
indirectamente, permitir un mayor ahorro energético que repercute
en el bien global de la sociedad, sean o no clientes.
Otro punto destacable del sistema propuesto es
que la red formada para la lectura remota tiene carácter privado.
Esto es, los equipos pertenecen al proveedor de servicios
(utility) que se gestiona su propia red, la cual dispone de
sistema de autentificación y encriptación de los datos en toda la
red. La importancia de este punto radica en que no existe
dependencia en que un tercer agente proporcione el servicio de
telecomunicaciones para que la comunicación sea posible (p. ej.
proveedor de acceso a Internet, compañía telefónica para el envío
de información por GPRS). Toda la gestión de datos permanecerá
continuamente bajo el control de la utility, como si de una
red privada interna se tratara.
Otra ventaja del sistema es que el dispositivo
de almacenamiento que se conecta a los contadores permite dotar de
"inteligencia" a aquellos contadores que no sean electrónicos.
Se entiende por "inteligencia" añadir funciones al contador que
no poseía antes de que se acoplara dicho dispositivo. Algunas de
estas funcionalidades son las de almacenamiento de los datos en una
memoria ferromagnética, la cual permite que un dato pueda
permanecer almacenado durante 45 años sin que exista corrupción del
mismo. Otras funcionalidades consisten en la detección de anomalías
en el funcionamiento (alarmas), como robo del equipo, sabotaje de
los cables de comunicación, sabotaje del equipo, fugas, etc.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de esta descripción un juego de dibujos en donde,
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La Figura 1.- Muestra una instalación estándar
del sistema según una realización de la presente invención.
La Figura 2.- Muestra un diagrama de bloques de
un dispositivo de almacenamiento según una realización de la
presente invención.
La Figura 3.- Muestra un diagrama de bloques de
un dispositivo concentrador según una realización de la presente
invención.
A la vista de las figuras reseñadas, puede
describirse aquí una realización práctica de la invención.
A lo largo de esta especificación, el término
"comprende" y sus derivados no debe interpretarse en un
sentido excluyente o limitativo, es decir, no debe interpretarse en
el sentido de excluir la posibilidad de que el elemento o concepto
al que se refiere incluya elementos o etapas adicionales.
En el contexto de la presente invención, el
término "red de banda estrecha" debe entenderse como una red
que permite comunicaciones con una velocidad inferior a 0,5 Mbit/s
y el término "red de banda ancha" debe entenderse como una red
que permite comunicaciones con una velocidad superior a 0,5
Mbit/s.
La figura 1 muestra una instalación estándar del
sistema según una realización de la invención:
El sistema está formado por tres elementos
físicos, dos de ellos hardware y otro software:
- -
- Un dispositivo de almacenamiento 100, que es un dispositivo hardware electrónico conectado, como mínimo, a un contador o integrado en un contador.
- -
- Un dispositivo concentrador 200, que es un dispositivo hardware electrónico que recibe datos de, como mínimo, un dispositivo de almacenamiento 100.
- -
- Un servidor 300 que ejecuta el software de gestión general del sistema.
\vskip1.000000\baselineskip
La topología mostrada en la figura 1 representa
una instalación típica para el montaje del sistema propuesto. De
forma general, existen unos dispositivos de almacenamiento 100
conectados a contadores de aguas, gas y/o electricidad. Estos,
almacenan los consumos de dichos contadores. Cada cierto intervalo
de tiempo predefinido, estos equipos envían los datos almacenados
al dispositivo concentrador 200 que hace las funciones de
concentrador/gateway. Este dispositivo dispone de suficiente
capacidad como para almacenar datos provenientes de varios
contadores. Finalmente, todos los concentradores envían los datos
al dispositivo concentrador 200 situado en la central de
tarificación, conectado a un servidor 300 (u ordenador en general)
mediante cualquier tipo de conexión serie 700 (típicamente USB) o
cable de red (típicamente Ethernet). El dispositivo concentrador
200 situado en la central de tarificación y el servidor 300 juntos
forman el dispositivo central 400.
Todas las comunicaciones se hacen de forma
inalámbrica. Las comunicaciones entre los dispositivos de
almacenamiento 100 y los dispositivos concentradores 200 van a
través de una red de banda estrecha 500, típicamente para
comunicaciones de corto alcance (típicamente un máximo de 300 m en
campo abierto), que funciona según el estándar IEEE 802.15.4
(Zigbee). Para las comunicaciones entre los dispositivos
concentradores 200 y el dispositivo central 400, que son de largo
alcance (varios kilómetros en campo abierto o con obstáculos) se
utiliza una red de banda ancha, preferiblemente según el estándar
IEEE 802.16d/e (WiMax).
La red de banda estrecha está limitada al envío
de datos entre los distintos dispositivos instalados en la
vivienda, o edificio de viviendas. La red de banda ancha realizará
el transporte de los datos recolectados en cada edificación hasta la
central de tarificación.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques del
dispositivo de almacenamiento 100 según una realización de la
invención. Dicho dispositivo comprende los siguientes
componentes:
- -
- Un módulo 1 que incluye un MCU 1a (Microcontroller Unit, Microcontrolador), un transceptor de RF 1b y un integrado 1c con la dirección física del equipo (dirección MAC). El integrado 1c también puede estar situado fuera del módulo.
- -
- Una memoria 2 ferromagnética (FRAM) externa para el almacenamiento de los datos de los consumos.
- -
- Un reloj 3 integrado (Real-Time Clock, RTC) de muy bajo consumo.
- -
- Un cristal de cuarzo 4 para el RTC.
- -
- Una etapa adaptadora 5 de impedancias entre la salida de radio frecuencia (RF) del módulo y la antena.
- -
- Una antena integrada fractal 6 para PCB, típicamente para 2,4 GHz.
- -
- Un primer relé (Reed switch, interruptor de lengüeta) 7 para la lectura de contadores con imán.
- -
- Conectores 8, 9 de cuatro cables para la lectura de un emisor de pulsos externos, que permite la detección del corte de cable.
- -
- medios de detección de movimiento del dispositivo 10, en forma de un segundo relé (Tilt switch) o un acelerómetro.
- -
- Medios de detección de la aplicación de un imán al equipo 11 en forma de un tercer relé (Reed switch, interruptor de lengüeta) para la detección de la aplicación de un imán al equipo.
- -
- Valor de tensión de referencia 12 para la medición de la batería.
- -
- Etapa de regulación y filtrado 13 para la alimentación del circuito.
- -
- Batería 14 que alimenta el circuito.
\vskip1.000000\baselineskip
El dispositivo de almacenamiento 100 es un
dispositivo hardware electrónico que permite tomar los datos de
consumo de hasta tres contadores de agua, gas y/o electricidad. La
forma en que el dispositivo almacena y, de hecho, se integra a los
contadores puede ser de tres formas distintas:
- -
- En el caso de contadores mecánicos, éstos poseen una ruleta que gira cuando existe un consumo. Dicha ruleta posee un imán; alineando el relé 7 que posee el dispositivo con dicha ruleta, es posible ir contabilizando los pulsos que se producen. Es decir, es posible contabilizar el consumo producido.
- -
- En el caso de contadores mecánicos (en su mayoría), también pueden poseer un cable con salida de pulsos directamente. Mediante el conector doble 8 y 9 que posee el dispositivo se pueden conectar dos contadores de este tipo.
- -
- En el caso de contadores electrónicos, y mediante un acuerdo con el fabricante de contadores, el dispositivo puede ir integrado en dicho contador.
\vskip1.000000\baselineskip
Las señales de pulsos recogidas por el
dispositivo son filtradas mediante etapas hardware y/o mediante
algoritmos software. Una vez procesadas por el microcontrolador se
almacenan en las memoria 2 de tipo ferromagnético (FRAM). Esto
representa una ventaja tecnológica respecto los sistemas conocidos
en cuanto a las prestaciones. Teniendo en cuenta que los datos de
consumo son datos críticos, las FRAM aseguran que pueden mantener
almacenados los datos durante 45 años sin que estos se
corrompan.
El dispositivo es un dispositivo alimentado,
típicamente (y no limitado a), por una batería 14 de gran capacidad
de cloruro de Litio-Thionyl
(Li-SOCl_{2}) de 3,6 V que debe garantizar una
vida útil no inferior a 10 años. Siguiendo esta premisa, el estado
por defecto del dispositivo para el ahorro energético es en modo
sleep (hibernación o reposo). Cuando el circuito recibe el
pulso del contador porque hay un consumo, se genera una
interrupción que hace que el microcontrolador salga del modo
sleep y realice las tareas correspondientes al algoritmo de
tratamiento de datos. El siguiente paso es almacenar los datos en
la memoria FRAM, y volver al modo o estado sleep.
En un funcionamiento sin incidencias, según un
intervalo de tiempo prefijado durante la configuración del equipo,
el dispositivo 100 irá enviando los datos recopilados hacia el
dispositivo concentrador 200. No obstante, el dispositivo 100
también puede funcionar por eventos, es decir, asincrónicamente (p.
ej. en el caso de que se produzca una alarma). El envío de
información se realiza a través del transceptor 1b de radio
frecuencia (RF) sintonizado en la banda de los 2,4 GHz (banda ISM de
uso libre), y de la antena 6, que es de tipo fractal, más eficiente
que las utilizadas normalmente en este tipo de aplicaciones.
Típicamente, el protocolo de comunicaciones utilizado es Zigbee,
basado en el estándar IEEE 802.15.4. La potencia de emisión de
salida de los equipos varía entre los -17 y los +3 dBm, lo cual
supone un rango de cobertura teórico de 200-300 m
en campo abierto. Para la frecuencia utilizada se disponen dieciséis
canales, siendo el protocolo quien gestiona cuál de ellos se
utiliza en función del nivel de interferencias que existan en el
momento de la comunicación.
Como se ha comentado anteriormente, la
información almacenada por el dispositivo 100 es enviada
periódicamente hacia el dispositivo concentrador 200
correspondiente. Estos periodos de tiempo son configurables en todo
momento. Su control viene dado por el reloj integrado 3 que sirve
como referencia al sistema. Según su programación, envía una
interrupción al microcontrolador cada vez que corresponda.
Aunque generalmente sea el dispositivo 100 quien
toma la iniciativa en la comunicación respecto el dispositivo
concentrador 200, ésta es bidireccional y el dispositivo 100 puede
ser interrogado en cualquier momento por parte de un dispositivo
concentrador 200.
Otro factor de innovación en el apartado de la
seguridad es que todo el envío de la información se realiza de
forma encriptada mediante AES (Abstract Advanced Encryption
Standard (AES), 128, elemento diferenciador respecto las otras
tecnologías ya conocidas.
El dispositivo implementa un software que
gestiona todo el funcionamiento del hardware. Dicho software
corresponde a varias, o todas, las capas del modelo de referencia
de Interconexión de Sistemas Abiertos (modelo OSI) que estén por
encima de las capa física (PHY layer) y la capa de acceso al
medio (MAC layer), las cuales son gestionadas por el
estándar IEEE 802.15.4 (Zigbee).
El dispositivo concentrador 200 dispone del
software responsable del protocolo de enrutamiento de los datos
entre el dispositivo de almacenamiento y el dispositivo
concentrador, así como a la parte responsable de la aplicación. El
funcionamiento de dicho software se describe en más detalle más
adelante.
La aplicación consiste en los siguientes puntos
principales, que no son únicos:
- -
- Permite la lectura de los pulsos correspondientes a los consumos. Y también se encarga de la parte correspondiente al filtrado de la misma.
- -
- Permite la monitorización del estado de la batería comparando el valor medido de la misma y un valor fijo establecido por hardware.
- -
- Permite la monitorización de la posición del equipo, detectando desplazamientos respecto el eje Y de más de 45º, con el fin de alertar sobre un posible robo del equipo.
- -
- Permite la monitorización del estado de un relé que detecta si alguien intenta sabotear el contador acercándole un imán.
- -
- Permite la monitorización del estado del cable de conexión entre un contador y la propia placa. De esta forma se detecta un intento de sabotaje por el corte del cable de transmisión de los pulsos.
- -
- Permite la identificación de fugas en la red.
- -
- Permite la identificación de cambios de sentido en el funcionamiento de contadores mecánicos.
- -
- En general, permite la gestión óptima, específica al circuito, del consumo de energía del mismo, en general, mediante algoritmos de gestión de la potencia de emisión y gestión de los modos de funcionamiento del microcontrolador.
- -
- Permite la escritura y lectura de los datos de consumo en una memoria ferromagnética (FRAM).
- -
- Permite la gestión de tiempos mediante la escritura y lectura de un RTC.
- -
- Permite el corte de suministro mediante la actuación sobre una electro-válvula.
- -
- Permite la actualización del firmware del equipo vía inalámbrica y de forma automática.
\vskip1.000000\baselineskip
Resulta evidente la mejora funcional que implica
el conectar un dispositivo a un contador mecánico que no está
dotado de ninguna de las capacidades anteriormente citadas. En el
caso de contadores electrónicos, la tecnología presentada dota de un
mayor abanico de posibilidades al producto, así como de un sistema
de comunicación con otros dispositivos.
El dispositivo contador es un producto innovador
de por sí a nivel de hardware al integrar componentes de última
generación y, normalmente, que se utilizan en otro tipo de
aplicaciones pero que, integrados en un único diseño, permiten
obtener unos resultados excelentes de prestaciones y con un menor
coste. Así pues, a la ventaja ya comentada de integrar una memoria
FRAM, cabe añadir la integración del microcontrolador y del
transceptor de RF en un único módulo para obtener un circuito final
más reducido, así como la utilización de una antena fractal de menor
tamaño y mayor eficiencia.
La figura 3 muestra un diagrama de bloques del
dispositivo concentrador 200 según una realización de la invención.
Dicho dispositivo comprende los siguientes componentes:
- -
- Un módulo 1 que lleva integrado un microcontrolador 1a y el transceptor RF 1b sintonizado en la banda de los 2,4 GHz (banda ISM de uso libre). El módulo 1 también comprende un integrado 1c con la dirección física del equipo (dirección MAC).
- -
- Una memoria de tipo ferromagnético (FRAM) 2 para el almacenaje de los datos de consumos.
- -
- Una etapa adaptadora 5 de impedancias entre la salida de RF del módulo y la antena.
- -
- Una antena integrada fractal 6 para PCB, típicamente para 2,4 GHz.
- -
- Una batería 14 que alimenta el circuito como sistema de respaldo ante la posibilidad de caída de los otros sistemas de alimentación.
- -
- Un reloj (RTC) 15 con cristal de cuarzo integrado como referencia de tiempos del módulo Zigbee.
- -
- Una etapa amplificadora 16 de potencia de emisión para mejorar la cobertura, respetando las leyes regulatorias de cada país.
- -
- Un microcontrolador 17 de 32 bits para la gestión del sistema operativo del circuito y sus periféricos integrados, que son: un MCU 17a, uno o varios conectores 17b, Uno o varios conectores Ethernet 17c, un EBI (Expansion Bus Interface, Interfaz de Bus de Expansión) 17d y un MCI (Media Control Interface, Interfaz de control de media) 17e.
- -
- Una memoria de los tipos SD o MMC 18.
- -
- Una memoria de tipo Flash 19 para el almacenamiento de datos de programa (sistema operativo).
- -
- Una memoria de tipo SDRAM 20 para la ejecución del sistema operativo.
- -
- Uno o varios conectores USB 21 (MiniOTG, Host, etc.).
- -
- Un controlador Ethernet 22 con implementación de las capas PHY y MAC.
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Alternativamente o adicionalmente el dispositivo
concentrador 200 puede comprender controladores para la comunicación
mediante algunos de los siguientes medios: wireless USB,
RS-232, RS-485,
Wi-Fi, Bluetooth o, en general, cualquier sistema
cableado o inalámbrico que permita una
inter-conectividad entre dispositivos.
- -
- Uno o varios conectores Ethernet 23.
- -
- Controlador de lectores multitarjeta (no mostrado en la figura 3) Compact Flash (CF), Multimedia Memory Card (MMC), PCMCIA, PCI o, en general, cualquier tipo de tarjeta que permita la integración de una tarjeta externa al circuito original (p. ej una CF de Wi-FI, una CF de GPS, etc).
- -
- Un reloj (RTC) 24 como referencia de tiempos del microcontrolador de 32 bits.
- -
- Un cristal de cuarzo 25 del RTC del microcontrolador.
- -
- Un módulo RF de WiMax 26. Los elementos contenidos dependerán del Estado del Arte. Típicamente serán un integrado con las capas PHY y MAC 26a y un transceptor RF 26b sintonizado bandas de uso libre, con capacidad MIMO (Multiple Input Multiple Output).
- -
- Una etapa adaptadora de impedancias 27 entre la salida de RF del módulo 26 y la antena.
- -
- Antena/s 28, típicamente para bandas de uso libre. La etapa WiMax formada por los elementos 26,27 y 28 puede estar constituida por uno o varios circuitos integrados, dependiendo del fabricante o del estado del arte en ese momento. Se incluyen en este apartado aquellos elementos que implementen un aumento de la eficiencia espectral del sistema, que aparte de MIMO arriba mencionado, pueden ser un elemento MS (Adaptive Antenna System), o cualquier otro con la misma finalidad.
- -
- Una etapa 29 de regulación y filtrado para la alimentación del circuito. Puede consistir en una fuente de alimentación externa.
- -
- Una conexión a la red eléctrica 30 (red de baja tensión).
- -
- Una conexión para la alimentación 31 del equipo por USB o PoE (Power-over-Ethernet).
- -
- Un sistema de alimentación 32 mediante una placa solar. Comprende el sistema de captación, la etapa reguladora y de filtraje y el sistema de almacenamiento de la energía.
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El dispositivo concentrador 200 es un
dispositivo hardware electrónico que permite almacenar los datos de
consumo provenientes de varios dispositivos de almacenamiento 100,
permite hacer de pasarela de comunicaciones recibiendo los datos
mediante Zigbee y enviándolos mediante WiMax (protocolo basado en el
estándar IEEE 802.16), así como de pasarela para la integración con
otros dispositivos (p. ej. conexión del dispositivo concentrador 200
a un PC mediante USB).
El dispositivo 200 puede disponer de una versión
más sencilla destinada a instalaciones pequeñas, véase pueblos de
menos de 1000 habitantes. En este caso no dispone de conectividad
WiMax y, en general, sus funcionalidades son más reducidas.
Para el objeto de la presente memoria se
presenta en la figura 3 la versión completa del dispositivo
concentrador 200.
La función del dispositivo controlador 200 es la
de servir de dispositivo de enlace entre los dispositivos de
almacenamiento 100 conectados a los contadores y un dispositivo de
usuario (p. ej. un PC o un PC servidor). Para ello, permite la
recepción de datos a través de la red Zigbee, y el envío de los
mismos a través de la red WiMax, o de cualquier sistema de conexión
estándar existente (p. ej. USB, Ethernet, etc).
El firmware del dispositivo concentrador
200 es actualizable en cualquier momento, realizándose la
actualización de forma automática cuando exista una nueva versión,
y sin afectar al funcionamiento de la red.
El dispositivo concentrador 200, dentro de la
red, puede actuar como equipo repetidor, o como equipo coordinador.
En el primer caso, su misión es la de servir de enlace entre dos
puntos que por sí mismo no tienen suficiente cobertura como para
comunicarse. En el segundo caso, su función es la de actuar de nodo
central de la red y, como su nombre indica, de coordinar las
comunicaciones que en ella se producen.
En definitiva, la instalación de varios
dispositivos 200 permite crear una red inalámbrica mallada (de tipo
mesh). Esto significa que, mediante un protocolo de
enrutamiento, las comunicaciones entre los dispositivos se hacen de
forma inteligente. Es decir, descubriendo rutas que permitan el
envío de la información. Más aún, si la información se debía
transmitir a través de un dispositivo 200 que no funciona, el equipo
emisor busca automáticamente otro dispositivo por el que pasar la
información.
Las comunicaciones mediante WiMax (basado en el
estándar IEEE 802.16) son bidireccionales. Típicamente, las
distancias de cobertura abarcan las decenas de kilómetros y el
ancho de banda las decenas de Mbit/s, dependiendo del fabricante y
del estado del arte.
El sistema presentado en esta memoria se
implementa sobre la especificación IEEE 802.16d, es decir, sobre una
red fija WiMax. Esto no exime de que en un futuro se implemente
sobre la especificación IEEE 802.16e (aplicaciones móviles) ya que
ésta es compatible con la anterior.
El uso de WiMax permite realizar funciones de
autentificación de usuarios, la encriptación de los datos,
implementa funciones de calidad de servicio (QoS: Quality of
Service), y otra serie de sistemas para la seguridad y la
gestión de la red.
El sistema objeto de la presente memoria
representa la posibilidad para las utilities de
introducirse en el mercado de las telecomunicaciones con unos costes
de infraestructura muy por debajo de lo normal. Es decir, facilita
tener un enlace de comunicación directo con sus clientes para poder
prestarle servicios de valor añadido como sería el acceso a
Internet, suministro de canales de televisión y radio, vídeo bajo
demanda (VoD), servicios de telefonía IP (VoIP), etc.
El software de gestión es una herramienta
software que permite la configuración, la supervisión y la gestión
de la red. Dentro de dicha gestión se incluye el tratamiento de los
datos de consumo recibidos a través del dispositivo concentrador 200
que actúa como coordinador.
La instalación típica del software de gestión se
realiza sobre un ordenador personal (PC) o sobre un ordenador
servidor, dependiendo de las características de la instalación y de
la cantidad de datos que se tengan que tratar.
La función del software de gestión es de servir
de interfaz entre el sistema instalado (la infraestructura de red),
el responsable del sistema (un técnico o un operario), u otro
sistema (p. ej. el software de facturación de otra empresa). Así
pues, el software de gestión puede presentar una interfaz gráfica
intuitiva para interactuar con una persona, o simplemente ser una
herramienta software que hace de enlace de los datos entre el
sistema instalado y el software de otra empresa.
El software de gestión presenta o puede
presentar las siguientes funcionalidades:
- -
- Comunicación bidireccional con los equipos para tareas de configuración y mantenimiento en general.
- -
- Gestión de usuarios para el acceso al sistema con distintos niveles de permisos mediante autentificación.
- -
- Integración de un Sistema de Información Geográfica (GIS) con mapas y coordenadas de las instalaciones.
- -
- Almacenamiento de los consumos en bases de datos relacionales (p. ej. Oracle, MySQL, etc).
- -
- Visualización de los consumos e históricos de consumo de forma gráfica o en tablas.
- -
- Visualización de los datos del abonado: nombre y apellidos, nº de abonado, dirección, etc.
- -
- Visualización de alertas del sistema por activación de las alarmas de los AZM.
- -
- La visualización de la información puede ser a través de un equipo de escritorio (p. ej. un ordenador personal de sobremesa) o cualquier dispositivo, fijo o móvil, con conectividad Web.
- -
- Exportación de los datos mediante la generación de informes en formatos estándares (p. ej. formato Word, Excel, PDF, etc).
- -
- Permite el acceso exterior por parte de un abonado para consultar su historial a través de protocolos estándar de seguridad (p. ej. SSL, IpSec, etc).
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El software embebido (firmware) en los
equipos permite el funcionamiento del sistema.
Por sus funcionalidades se puede dividir en tres
partes, o módulos, los cuales están interrelacionados entre ellos:
el módulo de configuración, el módulo de enrutamiento y el módulo
de aplicación (middleware).
Es el algoritmo dedicado a gestionar el proceso
de dar de alta en la red los equipos nuevos.
Cada dispositivo de almacenamiento 100 viene de
fábrica con un número único que lo identifica (dirección MAC). A la
hora de realizar la instalación en campo, al encender por primera
vez el dispositivo 100 en cuestión busca una red donde asociarse y
que, evidentemente, esté en su rango de cobertura. Así pues,
típicamente, el dispositivo 100 comienza a emitir con una potencia
de -3 dBm, solicitando su adhesión a una red (a un dispositivo
concentrador 200). Si en este caso, el dispositivo 100 no detecta
ninguna: red, sigue un proceso de aumento progresivo de la potencia
de emisión hasta un máximo de +3 dBm.
Una vez el dispositivo de almacenamiento 100
establece conexión con el dispositivo concentrador 200, éste
procede a darle una dirección lógica para su identificación dentro
de la red, así como el identificador propio de la red.
En definitiva, el dispositivo concentrador 200
es el encargado de dar de alta a los dispositivos de almacenamiento
100 dentro de la red. Si en algún caso, un dispositivo de
almacenamiento 100 es retirado de su emplazamiento fuera de la
cobertura del dispositivo concentrador 200, automáticamente es dado
de baja. Esto significa que la red se autogestiona.
Es el algoritmo dedicado a gestionar las rutas
de las comunicaciones dentro de la red.
Esto es necesario debido a que los dispositivos
de almacenamiento 100 tienen una cobertura limitada, al emitir con
la menor potencia posible para ahorrar batería. Por ello, en
ocasiones es necesaria la instalación de dispositivos concentradores
200 que simplemente actúen como repetidores entre los dispositivos
de almacenamiento 100 y el dispositivo concentrador 200 que actúa
de coordinador de la red. La ventaja de este sistema conlleva la
formación de grandes redes sin necesidad de dispositivos de elevado
consumo.
Los dispositivos 200 ejecutan un algoritmo de
red que permite a una trama enviada por el dispositivo de
almacenamiento 100 llegar al dispositivo concentrador 200 que actúa
como coordinador. La ruta óptima se establece como una calidad más
alta, determinado por el parámetro de calidad de enlace (LQI) y con
el menor número de saltos posible. De la misma forma que a partir
de unas tablas de rutas permite a las tramas de los dispositivos de
almacenamiento 100 escoger rutas alternativas en caso de
funcionamiento anómalo (visibilidad de la red, congestión, etc.) del
enlace de algún repetidor.
Los protocolos de enrutamiento utilizados para
implementar la capa de red Zigbee están basados en protocolos de
enrutamiento reactivos, es decir que las rutas entre origen y
destino se crean cuando se envían las tramas. Para el caso
específico de, la aplicación del firmware se pueden utilizar
protocolos estándar (AODV, LOAD, DSR, DYMO, etc.) pero adaptándolos
y configurándoles ciertos parámetros para que tengan un mejor
comportamiento para las características de los dispositivos
utilizados y teniendo en cuenta el tipo de trama que se
utiliza.
Por encima de la capa de red se sitúa la capa de
aplicación, la cual guarda la información de los dispositivos y
permite el enlace con el ordenador (o servidor) 300 situado en la
central de tarificación.
Los datos de los consumos son almacenados según
una estructura de datos en los dispositivos de almacenamiento 100.
De esta forma permanecen disponibles en memoria hasta que sean
enviados al dispositivo controlador 200 correspondiente, y se
confirme que el envío no haya supuesto una corrupción de dichos
datos.
Los equipos, típicamente (y no limitado a),
guardarán la siguiente información en una o varias estructuras de
datos:
- -
- Identificador de red.
- -
- Dirección lógica de los equipos.
- -
- Dirección física de los equipos.
- -
- Función de los dispositivos 200 en la red (routers).
- -
- Valor de la/s lectura/s.
- -
- Nivel de la batería.
- -
- Estado de los enlaces de red.
- -
- Alarmas de los equipos y/o del sistema.
- -
- Fecha del evento.
- -
- Versión del firmware.
\vskip1.000000\baselineskip
Las estructuras de datos son dinámicas, con la
finalidad de transmitir en todo momento la menor cantidad de
información necesaria. El objetivo es ahorrar al máximo la energía
consumida por el equipo.
El módulo software de aplicación permite la
actualización de las imágenes de software del firmware de
los equipos vía radio. Esto es posible accediendo directamente a un
equipo ("un salto"), o accediendo a él a través de otros
equipos ("multisalto", multihopping). La seguridad en
la transferencia de datos está garantizada mediante la utilización
de mecanismos de detección de errores (p. ej. CRC), evitando la
corrupción de la imagen a grabar.
A través de este software de aplicación (en
adelante middleware), la comunicación entre los dispositivos
controladores 200 y el servidor 300 de la central de tarificación
es independiente del enlace entre ellos (Ethernet, USB, etc.).
Los dispositivos controladores 200 tienen un
sistema de almacenamiento donde se guarda la información de todos
los dispositivos de almacenamiento 100 que gestiona. Dicho sistema
de almacenamiento está altamente optimizado dada la imposibilidad
de pronosticar la periodicidad de las mediciones a realizar. Esto
puede suponer que exista una gran cantidad de información en un
corto espacio de tiempo.
Típicamente, el middleware se utiliza para la
comunicación entre los dispositivos y los servidores de bases de
datos, pero su función también implica el intercambio de los datos
entre sistemas con diferentes estructuras de datos (XML, Web
Services, SOAP, etc.).
Claims (13)
1. Sistema inalámbrico de lectura remota de
contadores, que comprende:
- al menos un dispositivo de almacenamiento
(100), conectado a un contador o integrado en un contador, que
comprende medios para almacenar (2) datos relativos al consumo;
- al menos un dispositivo concentrador (200),
y
- un dispositivo central (400);
caracterizado porque
el dispositivo de almacenamiento (100) comprende
medios para enviar (1,5,6) los datos relativos al consumo al
dispositivo concentrador (200) a través de una red de banda
estrecha (500), que opera en una banda de frecuencia de uso libre y
el dispositivo concentrador (200) comprende medios para reenviar
dichos datos al dispositivo central (400) a través de una red de
banda ancha (600), que opera en una banda de frecuencia de uso
libre.
2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque el sistema dispone de medios de
encriptación de los datos.
3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el dispositivo central (400) comprende
un dispositivo concentrador (200) y un servidor u ordenador (300)
con software de gestión conectado al dispositivo concentrador
(200).
4. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la red de
banda estrecha (500) funciona según el protocolo Zigbee.
5. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la red de
banda ancha (600) funciona según el protocolo Wimax.
6. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque los medios
para almacenar datos relativos al consumo están constituidos por una
memoria de tipo ferromagnético (2).
7. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el
dispositivo de almacenamiento (100) está alimentado por una batería
(14).
8. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el
dispositivo de almacenamiento (100) dispone de un reloj interno
(3).
9. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el
dispositivo de almacenamiento (100) comprende medios de detección de
movimiento del dispositivo (10).
10. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el
dispositivo de almacenamiento comprende medios de detección de la
aplicación de un imán al equipo (11).
11. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el
dispositivo concentrador (200) comprende medios de enrutamiento de
los datos entre el dispositivo de almacenamiento (100) y el
dispositivo concentrador (200).
12. Método de lectura remota de contadores, que
comprende los siguientes pasos:
- almacenar datos relativos al consumo en al
menos un dispositivo de almacenamiento (100), conectado a un
contador o integrado en un contador, caracterizado por
- enviar los datos relativos al consumo desde el
dispositivo de almacenamiento (100) a un dispositivo concentrador
(200) a través de una red de banda estrecha (500), que opera en una
banda de frecuencia de uso libre,
- reenviar dichos datos desde el dispositivo
concentrador (200) a un dispositivo central (400) a través de una
red de banda ancha (600), que opera en una banda de frecuencia de
uso libre.
13. Programa de ordenador que comprende medios
de código adaptados para realizar los pasos de la reivindicación
12, cuando dicho programa se ejecuta en un procesador.
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2326252B1 Country of ref document: ES |
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| PC2A | Transfer of patent |
Owner name: WAYRA NETWORKS,S.L. Effective date: 20110325 |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
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