ES2395353B1 - Sistema de acceso remoto a contadores - Google Patents

Abstract

Sistema de gestión remota de contadores de un servicio de pago. Dicho sistema se compone de nodos terminales, concentradores, routers, redes inalámbricas de acceso, red troncal y servidor de aplicación. El sistema propuesto en la presente invención permitirá la lectura del consumo en tiempo real e interacción con los contadores, mejorando tanto el servicio prestado al usuario como el funcionamiento del negocio de la empresa suministradora del servicio medido por dichos contadores (por ejemplo, un servicio de abastecimiento de aguas en un entorno urbano).

Description

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene su aplicación en el campo de la lectura, gestión e interacción remota con contadores, especialmente contadores de agua, gas, electricidad o similares y la recepción y control de los datos de dichos contadores en una unidad central.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Históricamente, la lectura de consumo de contadores se ha realizado mediante una persona que accedía a los distintos hogares y tomaba nota de la lectura del contador, procediendo asimismo a su mantenimiento, configuración reinicio ... Esto suponía, y supone, diversos problemas, como los costes de personal y desplazamientos, errores en la lectura, imposibilidad de acceso al contador por ausencia del cliente, etc. Problemas que se agudizan en el caso de redes de grandes ciudades, como por ejemplo la de la Empresa metropolitana de abastecimiento y saneamiento de Aguas de Sevilla S.A., EMASESA, que abastece a más de un millón de personas.

Por ello, la medida remota de contadores ha sido durante años uno de los principales retos de las compañías suministradoras. Los sistemas de medida remota de contadores (en inglés Automatic Meter Reading en adelante AMR) son sistemas destinados a recoger datos procedentes de contadores de diferentes consumos (normalmente, agua, gas o electricidad) y transferirlos a una base de datos central para su facturación y, en su caso, análisis. Dos son los objetivos principales que persigue el AMR:

•

Eliminar el desplazamiento de empleados para la recogida de datos.

•

Permitir la facturación basada en consumo real, en vez de en consumo estimado, dando al usuario un control mejor y más inmediato de sus consumos.

Los sistemas AMR emplean diferente

s tecnologías para acceder al cliente y transmitir sus datos al puesto central, entre otras: redes telefónicas de acceso (cableadas o inalámbricas), sistemas radio (RF) o tecnologías que emplean la línea de alimentación para la transmisión de datos (PLC).

Los primeros AMR fueron los sistemas "walk-by" o "drive-by", mientras que los sistemas basados en el teléfono se ha empleado principalmente para cuentas industriales y comerciales. En la actualidad hay una tendencia a aumentar la frecuencia de lectura (de mensual a diaria) y a incluir otras funcionalidades como detección de alarmas (fraude, fugas, inversión de flujo), tarificación por franjas horarias, detección de patrones de consumo, desconexión remota etc., que han ampliado el concepto de medida remota AMR a infraestructura remota de medidas (Advanced Metering infraestructura, en adelante AMI) incluyendo la tecnología de networking que hace posible la gestión remota del operador del servicio.

Existen numerosas redes de AMR desplegadas por diferentes países del mundo, destacando el caso de ENEL en Italia con más de 27 millones de usuarios que emplean PLC. Pero también existen otros despliegues basados en GPRS, redes mesh wi-fi (la ciudad de Corpus-Christi

en los Estados Unidos), ZigBee (la ciudad de Gotteborg en Suecia), o una

combinación de tecnologías.

Existen diferentes tipos de sistemas de AMR:

1.

AMR "in-situ". En este tipo de sistemas, el lector de medidas es un dispositivo portátil que accede al contador a través de un conector, o de forma inalámbrica, poniéndose en una posición cercana al contador. La lectura queda almacenada en el terminal para su posterior descarga en el centro de datos. Dado que es necesario desplazarse hasta el contador para recoger los datos, a este tipo de sistemas AMR se les denomina AMR "in-situ".

2.

AMR por Radiofrecuencia (RF). Los sistemas de AMR basados en RF pueden tener varios formatos. Los más comunes son los que emplean dispositivos portátiles, móviles o una red fija de comunicaciones. Los hay que tienen un interface RF unidireccional

o bidireccional usando bandas licenciadas o no licenciadas. En los sistemas bidireccionales, un radio transmisor envía una señal al módulo RF del contador personalizada con su número de serie, diciéndole que despierte desde un estado de reposo y envíe su lectura. En los sistemas unidireccionales, el transmisor envía periódicamente peticiones broadcast de lectura, o éstas se producen periódicamente de forma autónoma desde las interfaces RF de los contadores. De esta manera el lector puede ser sólo receptor y el contador sólo transmisor. En algunos casos existen sistemas híbridos que emplean comunicación unidireccional para la transmisión de las lecturas y bidireccional para funciones de programación. Los sistemas AMR basados en RF tienen numerosas ventajas. En primer lugar evita la necesidad de acceder a la propiedad privada o de abrir registros muchas veces colocados en sitios de difícil acceso. Además aumenta la velocidad y frecuencia de las lecturas. Sin embargo, la tecnología basada en RF debe hacer frente a problemas regulatorios, tanto en el uso de las bandas como en la potencia máxima radiada. En casos extremos es necesario acudir a bandas reguladas, en cuyo caso los costes de licencias pueden sobrepasar los beneficios del AMR.

Existen diferentes tipos de sistemas que emplean RF para ARM:

a.

Con terminal portátil (walk-in meter reading). En este tipo de sistemas el lector con un computador portátil o PDA que lleva asociado un receptor/transmisor inalámbrico. En el proceso de lectura el operario pasea con su portátil por una ruta de lectura que pasa cerca de los contadores con quienes va estableciendo comunicación para recibir sus lecturas y enviarlas por cualquier otro sistema al centro de datos, o las almacena para su posterior descarga. El dispositivo portátil dispone normalmente de un teclado adicional a través del cual se pueden introducir medidas manuales para cubrir aquellos contadores que no dispongan de sistemas RF.

b.

Con terminal móvil (drive-in meter reading). Ahora el dispositivo de lectura es móvil y va instalado en un vehículo que va recogiendo las lecturas vía RF a medida que circula por una ruta de lectura que pasa cerca de los contadores. A menudo los sistemas móviles de lectura instalados en los vehículos incorporan sistemas de navegación por GPS y software de localización geográfica.

c.

Con red fija. En este caso existe una red fija de comunicaciones con sus repetidores, concentradores, torres, antenas u otro tipo de infraestructura de comunicaciones que permiten recoger la lectura de los contadores y llevarlas hasta el puesto central sin intervención de operadores. En la práctica se emplean diferentes topologías de red: en estrella o en árbol, donde los datos se envían de manera

directa, o a través de repetidores, a un concentrador que los procesa y envía al puesto central. En alguna parte de la base del árbol pueden emplearse pasarelas a otras redes privadas o públicas de acceso cableado o inalámbrico. Recientemente se están introduciendo redes "mesh", donde cada nodo puede actuar indistintamente como nodo terminal o como repetidor, evitando la necesidad de desplegar una red de repetidores y concentradores.

Como ejemplo, podemos decir que en la actualidad EMASESA usa 2 de estos sistemas AMR:

La lectura tipo WALK-BY, lectura presencial a través de punto de lectura físico: La gestión de los contadores de agua se realiza mediante la adquisición de datos con TPL portátil conectado a una caja de punto de lectura en el exterior de las viviendas.

Todo el proceso que va desde la elección de la ruta de lecturas, la toma de datos y posterior volcado al sistema, está integrado en el software de gestión que tiene la compañía implantado (AQUA), siendo compatible con cualquier marca de contadores electrónicos. La información volcada en la base de datos genera diferentes actuaciones tales como la facturación periódica, facturación por tramos horarios, alarmas por posibles fugas en las redes del cliente, atención a reclamaciones y otras.

Sistema basado en tecnología RTC o GSM: El amplio despliegue de instalaciones de telelectura en el parque facilita la selección de clientes para la dotación de sistemas de telelectura, vía GSM o RTC, Red Telefónica Conmutada (principalmente empresas y grandes comunidades). Además, se han llegado a acuerdos con diversos clientes interesados para facilitar por su parte la dotación de los sistemas de relectura y por la nuestra instalarse un software para su propio control de las lecturas y análisis de los consumos. Este sistema tiene aplicación en la tarifación por tramos horarios, que EMASESA está realizando para clientes con contrato específico y en tramos nocturnos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pretende solucionar los problemas de los sistemas anteriores, proponiendo una solución óptima que permita la telelectura e interacción de todo su parque de contadores.

El sistema propuesto en la presente invención permitirá la lectura del consumo en tiempo real e interacción con los contadores, mejorando tanto el servicio prestado al usuario como el funcionamiento del negocio de la empresa suministradora del servicio medido por dichos contadores (por ejemplo, un servicio de abastecimiento de aguas en un entorno urbano). Además este sistema permitirá ofrecer nuevos productos y servicios de valor añadido.

Las ventajas aportadas por este sistema son:

•

CENTRALIZACIÓN DE LA LECTURA. El proceso de medida de los contadores queda totalmente automatizado y de forma remota: los datos llegan a las instalaciones de la empresa suministradora sin necesidad de desplazar a operarios.

•

MEJORA DE LA CALIDAD DEL SERVICIO. El sistema permite disponer de lecturas reales en menores periodos de tiempo que los actuales y de forma más efectiva.

•

AHORRO EN MANTENIMIENTO. La gestión y monitorización de la

red de comunicaciones está totalmente centralizada, así como los contadores. Esto permite disponer de un mantenimiento predictivo. Además los equipos son de bajo consumo y son capaces de mantener su funcionalidad largo tiempo.

•

HABILITACIÓN DE NUEVOS SERVICIOS. Disponer de las lecturas de consumo de manera rápida y frecuente habilita nuevos servicios que contribuyen a la sostenibilidad, tales como: detección de fugas, gestión de políticas de ahorro de agua, etc.

•

REVALORIZACIÓN DE LA CIUDAD. El sistema permite integrarse en una red "ecosistema de servicios" desplegada por toda la ciudad donde podrían implementarse servicios de gestión de alumbrado público, monitorización ambiental, gestión de flotas de vehículos, control semafórico y otros elementos (parkímetros, paneles, etc).

En un primer aspecto, la presente invención describe un sistema para la gestión remota de contadores de un servicio de pago, caracterizado porque el sistema comprende:

•

Un conjunto de nodos inalámbricos, llamados nodos terminales, cada uno de los cuales gestiona un determinado número de contadores, conectándose a ellos mediante un bus para realizar determinadas operaciones, entre ellas la lectura de los contadores en tiempo real y que poseen un interfaz inalámbrico con el que se comunican con un nodo concentrador mediante un nodo de enrutamiento, a través de una red inalámbrica de acceso a la que pertenecen mediante la que intercambian datos de control, de gestión de red y de aplicación.

•

Un conjunto de nodos concentradores, cada uno de los cuales

sirve de pasarela de comunicación entre los nodos terminales que controla y al menos un servidor de aplicación, disponiendo cada nodo concentrador de uno o más elementos coordinadores, cada uno de los cuales realiza la tarea de coordinación, control y monitorización de una red inalámbrica de acceso mediante la que se comunica con los nodos terminales que pertenecen a dicha red inalámbrica y a través de la que el nodo concentrador realiza peticiones de operaciones a los nodos terminales que controla y recibe información de los mismos mediante un nodo de enrutamiento. Es decir, los nodos concentradores están formados de elementos coordinadores, que son los elementos que coordinan las redes inalámbricas de acceso, WSN, y elementos pasarela, que sirven para la interconexión de las redes WSN y la red troncal (IP).

•

Un conjunto de nodos de enrutamiento que se encargan de hacer de intermediario entre los nodos terminales y los concentradores, enviando información que reciben de los nodos terminales hasta el nodo concentrador del que dependen y enviando las órdenes recibidas del nodo concentrador a los nodos terminales de lectura que dependen de él, estando los nodos enrutadores geográficamente separados del emplazamiento del nodo concentrador del que dependen.

•

Un conjunto de redes inalámbricas de acceso, cada una de las cuales que permite el envío de datos entre los nodos terminales que pertenecen a la red y el concentrador correspondiente mediante un nodo de enrutamiento. Es decir, estas redes inalámbricas son las redes radios que se forman por la agrupación de nodos, routers y coordinador. Un concentrador tendrá asociada tantas redes de acceso como nodos coordinadores contenga.

•

Al menos una red troncal que es la red de comunicaciones que permite la conexión entre los nodos concentradores y al menos un servidor de aplicación, que consta de un tramo de red central en comunicación con al menos un servidor de aplicación y un tramo de acceso por el que los concentradores acceden al tramo de red central, este tramo de acceso puede ser una red privada corporativa o una red pública móvil.

•

Al menos un servidor de aplicación, que se comunica con los concentradores a través de la red troncal y se encarga del procesado de los datos y de albergar la base de datos donde se almacena la información procedente de los contadores, los datos de red y los de configuración,

donde a dichos nodos terminales se les asigna un intervalo de tiempo específico en el que se activan para emisión y recepción de datos, estando dichos terminales apagados durante el resto del tiempo, siendo el concentrador quien asigna y comunica dicho intervalo de tiempo a los nodos terminales y donde los nodos concentradores tienen un módulo de conexión a la red privada corporativa, un módulo de conexión a la red pública de telefonía móvil y un módulo de conexión por cada una de las redes inalámbricas de acceso con las que está conectado.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

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 unos ejemplos preferentes de realizaciones prácticas 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 un diagrama general de un sistema de

acuerdo a una realización de la presente invención.

La Figura 2 muestra un esquema de una realización preferente de dicho nodo concentrador.

La Figura 3 muestra un diagrama general de una estructura de un sistema de comunicaciones inalámbricas a nivel municipal.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

En la figura 1 se muestra el esquema general y simplificado de un sistema según una realización de la presente invención, que permita el acceso a contadores de una forma masiva.

Los principales elementos que forman la red son:

•

Nodos terminales de lectura (usualmente inalámbricos) (11 ).

•

Nodos enrutadores, routers (12).

•

Nodos concentradores (13).

•

Red inalámbrica de acceso (14).

•

Red troncal (15).

•

Servidor de aplicación (16).

A continuación pasamos a describir funcionalmente cada uno de estos elementos.

Nodos terminales de lectura: Suelen ser nodos inalámbricos que se conectan a los contadores electrónicos mediante un bus de lectura estandarizado (17) (por ejemplo, mediante interfaz serie UNE-82326) para leerlos o bien darles algún tipo de instrucción (inicialización, configuración ... ). Para cada edificio se puede instalar un nodo que se conectará al bus donde van conectados los contadores; cada nodo terminal puede tener un único bus de lectura con un máximo de por ejemplo 50 contadores, según define la norma UNE-82326.

Los nodos tienen además interfaz inalámbrico (por ejemplo un interfaz IEEE 802.15.4/Zigbee) a través de un conector de antena mediante el cual se comunican con el coordinador apoyándose en los routers formando todos estos elementos una red inalámbrica sensorial (WSN en adelante). A través de esta WSN los nodos envían la información adquirida de los contadores a los nodos concentradores a través del router y recibirán órdenes. El nodo terminal envía la lectura de contadores bajo petición del concentrador (o periódicamente). También pueden recibir mensajes del nodo concentrador como mensajes de sincronización, orden de lectura, asignación de intervalo de tiempo, orden de realizar algún tipo de operación en los contadores ...

En esta Red WSN se intercambian datos de control /gestión de red y datos de aplicación.

Entre sus características más relevantes debemos destacar que son equipos autoalimentados, de muy bajo consumo y con una duración de batería de al menos 8 años sin necesidad de mantenimiento y que son equipos de muy bajo coste, lo cual es fundamental debido al elevado número de elementos a instalar. Suelen tener también un conector JTAG para programación, funciones de test y mantenimiento. Estará alojado dentro del nodo, en la placa del circuito impreso.

La localización exacta de los nodos inalámbricos en los edificios dependerá de la instalación de contadores de agua del edificio en concreto. Será importante en la instalación sobre todo la colocación de la antena, ya que hay que tener en cuenta que debido a que el entorno de trabajo suele ser urbano, es decir, con muchos obstáculos, la correcta localización e instalación de los nodos terminales será fundamental para asegurar su correcta transmisión. Existirán casos en los que sea necesario colocar los routers en una localización específicamente pensada para posibilitar la conexión de algún terminal de lectura con problemas de cobertura por sus características de construcción concretas.

Los nodos terminales podrían tener, entre otros, los siguientes modos de funcionamiento para llevar a cabo todas las funciones que le corresponden:

o Modo operacional: Sería el modo de trabajo habitual y el que se ejecute cada vez que se encienda. Tendría las funciones de:

•

Inicialización: Al conectar la alimentación, se inicializarán los periféricos del nodo, comprobará el correcto funcionamiento de la comunicación de los contadores con el bus y comenzará el proceso de conexión a la red WSN hasta que se encuentre integrado de forma correcta en la red y correctamente conectado al nodo concentrador. Una vez conectado a la red WSN y al bus se procederá al alta

o integración del nodo terminal en el sistema. Para ello se comunicará con el concentrador y éste, una vez conocida su existencia deberá autenticar al nodo terminal y sus contadores para lo cual establecerá comunicación con el servidor central.

•

Comunicación con los contadores a través del bus para la lectura de los mismos y realizar algún tipo de operación si la hubiera (la comunicación se puede hacer mediante tramas del tipo A, A+, By C).

•

Transmisión de la información obtenida de los contadores periódicamente o bajo petición del concentrador.

•

Atender a las peticiones de servicio del concentrador para monitorización del sistema (estado del dispositivo, de los contadores, información de contadores, etc.)

•

Envío de alertas al concentrador.

•

Transición al modo de espera.

o Modo de espera o standby: Pasará a este estado automáticamente para ahorro de energía, una vez haya realizado todas las funciones del modo en que se encuentre. En este modo no puede interaccionar con ningún periférico incluido el bus. De forma automática y periódicamente el nodo pasará de este modo al operacional para realizar labores de sincronización y/o transmisión de datos y/o atención de peticiones del concentrador, pasando otra vez a modo de espera una vez terminadas dichas operaciones.

o Modo de lectura manual.

o Modo de configuración y test: En este modo el terminal se configura, estableciéndose una serie de parámetros para su conexión a la red WSN. Esto se realiza al instalarlo pero también se podrá configurar en caso de necesidad de reprogramado, prueba de errores, fallos etc.

Nodos enrutadores o routers: Son dispositivos con capacidad para enviar la información que reciben de los terminales de lectura hasta el concentrador, para ello disponen de una interfaz inalámbrica para comunicación con la red inalámbrica de acceso WSN, permitiéndole la comunicación inalámbrica tanto con el nodo coordinador correspondiente como con los nodos terminales de lectura correspondientes (en una realización mostrada, este interfaz es IEEE802.15.4/ZigBee). En otras palabras, son los dispositivos encargados de hacer de intermediario entre los terminales de lectura inalámbricos y los coordinadores de la WSN a la que pertenecen. Con ellos se consigue aumentar el número de nodos terminales que dependen de cada concentrador, ampliando por tanto la cobertura de una red gobernada por un mismo concentrador. Opcionalmente, un nodo de enrutamiento puede estar ca-emplazado con alguno de los nodos terminales.

Entre las funciones del nodo enrutador están:

•

Asociar a los nodos terminales de lectura a la red WSN correspondiente.

•

Enviar las alarmas desde los terminales al coordinador.

•

Enviar órdenes del coordinador a todos los nodos terminales de lectura que dependen de él.

•

Enviar la información desde los terminales al coordinador.

El nodo enrutador contará generalmente con los siguientes módulos:

•

Módulo interfaz IEEE 802.15.4/ZigBee. Este módulo será idéntico en cuanto a características de transmisión que los demás nodos inalámbricos de la red pero tendrá una mayor capacidad de almacenamiento y cálculo. A su vez, este módulo dispondrá de:

o Conector y antena para la transmisión/recepción RF

o Conector JTAG interno

o Interfaz serie para su control

•

Fuente de alimentación autónoma

•

Interruptor

•

Botón de reset

•

Conexión serie E/S para funciones de mantenimiento

•

Leds de estado

El módulo router tiene un consumo que imposibilita su

funcionamiento únicamente a partir de baterías, ya que su tasa de reposición

podría ser de uno a cuatro meses. Por lo tanto se debe implementar un sistema que permita no depender de alimentación externa pero permitiendo una recarga continua de las baterías. En general, se necesitaría que se alimentaran de forma autónoma y sin necesidad de conexión a red eléctrica. 5 Un posible sistema sería la alimentación del mismo con baterías unidas a un sistema cargador basado en panel fotovoltaico. Deberá permitir al sistema alimentarse directamente desde la energía generada por el panel cuando las condiciones lo permitan y mientras el sistema no está consumiendo, recargar las baterías. Solo se usaría la carga de las baterías en caso de que el panel

10 no estuviese proporcionando la energía requerida.

En cuanto a la localización de los nodos routers, típicamente se hará, según el caso, adosado a fachadas de edificios o a luminarias. Se requiere una altura mínima de 3-4 metros para que las prestaciones de alcance esperadas se puedan cumplir. Se requerirá una correcta orientación

15 de la antena y del panel fotovoltaico.

Como es lógico, los routers están separados del emplazamiento del

concentrador ya que así se consigue aumentar el alcance de la red

inalámbrica, permitiendo conectar un mayor número de puntos de lectura a

20 una misma red, que es la misión de estos nodos routers.

En una realización standard, las prestaciones de los nodos routers serían las que se muestran en la siguiente tabla:

.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.?.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.··:··-·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.···:

•

Alcance esperado entre router y 500 m

•

coordinador en línea de vista

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•

Alcance esperado entre router y terminal 100 m

•

de lectura con obstáculos y router en altura .. .

:·········································································································:···················································································:

• Estimación duración baterías < 4 meses •

•·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.· .·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.···.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·.·=

• Tasa de transmisión de datos RF .· 20 Kbps .

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•

Núme!o de terminales de lectura por 50-100

•

router

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• Aislamiento mecánico IP65

Nodos concentradores: Cada red WSN tiene asociada un nodo o terminal concentrador que actúa como nodo coordinador de la red. Un nodo concentrador puede disponer de uno o varios nodos coordinadores, controlando tantas WSN como nodos coordinadores contenga. Una de sus funciones principales es la de servir de pasarela de comunicaciones entre las redes WSN y la red troncal que lo conecta al servidor central, así como ejecutar la aplicación de control y monitorización de las WSN, por lo que es un dispositivo inteligente. Cada elemento concentrador debe tener capacidad para la gestión de al menos 2000 nodos terminales.

El número de coordinadores por concentrador es variable entre 1 y por ejemplo 4, eligiéndose para cada instalación específica la configuración que se considere más óptima para conseguir las prestaciones deseadas.

El concentrador es un dispositivo inteligente sobre el que recae el mayor peso de la gestión y control del sistema.

Así, el concentrador permite que la información sea transmitida desde la WSN al servidor central y viceversa. Como se explicará posteriormente, la conexión al servidor se realizará preferentemente mediante protocolo TCP/IP a través de un interfaz adecuado para conexión a una red privada corporativa o a través de conexión de telefonía móvil (GSM/GPRS).

Red inalámbrica de acceso: Permite la comunicación entre nodos terminales, routers y el nodo concentrador.

Entre las características que debe tener la tecnología radio utilizada para implementar la red inalámbrica de acceso WSN son:

•

Preferiblemente se usa una tecnología de baja frecuencia con el objeto de tener mejor penetración para acceso a sótanos, garajes, etc ... y con receptores de muy alta sensibilidad.

•

Tiene un esquema de comunicación orientado al bajo consumo, ya que los nodos terminales van alimentados por baterías.

•

Permite que los nodos terminales sean baratos (dado el alto número de nodos de este tipo).

•

El volumen de información a transmitir no es muy elevado por lo que la tasa de transferencia de datos para esta aplicación (usualmente la tasa de transferencia será baja).

•

El alcance dependerá del entorno. En entornos urbanos se considera apropiado un alcance de 500 mts. Dicho alcance se consigue usualmente mediante la instalación de routers que actúan como extensores de cobertura de la red WSN.

Durante el desarrollo de la presente invención se han analizado diferentes tecnologías inalámbricas para valorar su adecuación para esta aplicación (en otras palabras, el grado de adecuación a las características antes mencionadas). En este sentido destacamos:

•

GPRS:

o La banda de frecuencia hace que la cobertura en cuartos de contadores sea limitada.

o La tecnología no está orientada al bajo consumo, por lo que la duración de la batería queda muy limitada.

o Supone gastos muy elevados debido al gran número de líneas a contratar al operador de servicios móviles.

o Por todo lo anterior, esta tecnología no se considera viable para su uso masivo en la lectura de contadores.

•

WiFi/Wimax: Estas tecnologías proporcionan altas tasas de datos pero sin considerar limitación alguna en cuanto al consumo. Además El espectro de frecuencia usado es alto, lo que obliga a aumentar la sensibilidad de los receptores hasta el punto de hacerlos muy vulnerables a ruido e interferencias.

•

Cable directo, Fibra Óptica: Elevada inversión a realizar por punto de lectura.

•

RTC: Elevada inversión a realizar por punto de lectura y elevados gastos de alquiler de la línea

•

Estándar 802.15.4 IEEE: La banda de 868 MHz, permite alcanzar distancias de hasta 500 metros en entorno urbano, con un ancho de banda adecuado para la aplicación de telelectura e introduce elementos adicionales para poder operar bajo alimentación de baterías que pueden alcanzar largos períodos de tiempo. El uso de estándares garantiza la evolución tecnológica del sistema.

Por lo tanto, por su alta penetrabilidad, bajo consumo y por permitir que los nodos terminales sean de bajo coste y por su capacidad de extender la cobertura de red mediante el uso de elementos repetidores, es esta última tecnología la que preferentemente se usa en este sistema.

La red de acceso usada se basa en los estándares de comunicación IEEE

802.15.4 (nivel 2) y el protocolo de red Zigbee (nivel 3) para sincronización, ya de por sí orientados al bajo consumo. Para hacer el diseño se usa un nuevo sistema de multiplexación en el tiempo del canal de comunicaciones de forma que cada nodo terminal lleva asignado un intervalo de tiempo específico. De esta forma:

•

Los nodos terminales están permanentemente apagados y sólo se

activan y transmiten información en su intervalo de tiempo. De esta forma se minimiza el consumo.

•

Se evitan colisiones en las comunicaciones, de forma que se optimizan las transmisiones. Ello implica menor consumo y aprovechamiento del canal.

Para esto, el concentrador dividirá el ciclo completo de actividad en varios slots de tiempo que asignará a los nodos correspondientes, reservando uno para sí mismo.

Este método de multiplexación exige el desarrollo de una compleja gestión de red cuyo objetivo fundamental es una correcta sincronización de la red, esto es, asignación de intervalos de tiempo en los procesos de arranque o reinicio de la red de acceso. Por otro lado, para evitar colisiones entre redes de acceso adyacentes se realiza una sincronización global de red NTP, Network Time Protocol, para la asignación de los intervalos de tiempo.

Sincronización de la red de acceso: El esquema seleccionado para las comunicaciones de la red de acceso por multiplexación en el tiempo es un aspecto novedoso de este sistema. En este sentido conviene profundizar más en el esquema elegido para una realización de la presente invención y en las ventajas que el mismo aporta a un sistema de telelectura contadores:

•

En primer lugar se define el concepto de intervalo mínimo de nodo, que es el tiempo que necesita un nodo terminal para transmitir la información de lectura de un sólo contador.

•

El tiempo de transmisión asignado a cada nodo será variable, en múltiplos enteros del intervalo mínimo, en función del número de contadores que tenga conectados.

•

Cada nodo concentrador tendrá asignado un intervalo de red que será

configurable en función de las prestaciones que se deseen de la red. Una vez elegido, todos los nodos concentradores tendrán un intervalo de red de la misma duración.

•

Dicho intervalo de red será dividido de forma flexible entre los distintos nodos terminales que la forman.

•

Para concentradores con redes adyacentes se asignarán intervalos de red diferentes de forma que evitamos colisiones entre elementos de distintas redes.

•

Este esquema de asignación flexible permite optimizar el canal de comunicaciones utilizado, aumentando el número de nodos posibles por concentrador y, por tanto, disminuyendo el número de concentradores necesarios para el despliegue de la red de telelectura.

•

Igualmente esta flexibilidad permite distintos escenarios de despliegue en base a las necesidades del operador del servicio (agua, gas o electricidad). Por ejemplo, es posible aumentar la pauta de lectura disminuyendo el intervalo de red asignado a cada concentrador (implica menos nodos por concentrador y, por tanto, mayor número de concentradores) o, por el contrario podemos minimizar el número de concentradores a instalar (implica aumentar el intervalo de red y, por tanto, disminuir la pauta de lectura).

En este sistema, la gestión de red estará repartida entre concentrador y servidor y se realizarán entre otras las siguientes tareas que afectan tanto a la red troncal como a la red de acceso:

-Conectar con la infraestructura de red privada corporativa y/o la red móvil para enviar/recibir mensajes hacia/desde el servidor. -Comunicarse con el interfaz inalámbrico (IEEE 802.15.4/Zigbee) para enviar/recibir mensajes hacia/desde el nodo concentrador a la WSN. -Sincronizar los relojes del concentrador y servidor (usando el protocolo NTP)

-

Crear las tuberías virtuales necesarias entre concentrador y servidor para el

intercambio de información. -Crear mecanismos de gestión de fallos. -Registrar eventos del sistema -Interpretar correctamente los datos procedentes de la red de sensores para dar respuestas adecuadas.

Red troncal: Permite la conexión de todos los nodos concentradores con la red central y, por tanto, con el servidor de aplicación.

En este caso, debido a que el nodo concentrador será un elemento con alimentación eléctrica y su número no será elevado, no existen especiales limitaciones en cuanto a consumo y coste. Por tanto, las tecnologías de comunicación a utilizar para la red troncal son las habitualmente utilizadas en redes 1 P y podrán ser fijas o inalámbricas, públicas o privadas como GPRS/UMTS (con la desventaja de que es dependiente de operador y con la ventaja de que evita la necesidad de tener que desplegar un red privada para esta aplicación), Fibra óptica, WiFi Mesh, Wimax, otras redes de radio en banda licenciada.

En particular, en una realización preferente, el nodo concentrador posee los siguientes interfaces para su conexión a una red troncal de área amplia (red central), a través de la cual tendrá conexión al servidor central:

•

Red privada corporativa (por ejemplo, Ethernet 10/1 00 BT) mediante la cual se conecta a la red de fibra central de la empresa suministradora. En muchas ciudades, hay una red desplegada para comunicación entre los organismos municipales y los puntos de suministro (red de saneamiento) que puede ser usada para soportar esta red privada corporativa.

•

GSM/GPRS o cualquier otro interfaz necesario para comunicación a

través de la red de telefonía móvil (18) y opcionalmente internet (19) en los casos donde no se tiene acceso a la red privada corporativa.

En ambos casos se utilizará protocolo TCP/IP para la conexión al servidor central. Básicamente, las comunicaciones de los nodos concentradores con el servidor central estarán integradas dentro de la red central.

Durante el proceso de planificación se decide el esquema de conexión del nodo concentrador con el servidor central, dependiendo de su ubicación. Así si tiene acceso a la red privada corporativa (Ethernet) se conecta a dicha red y si no se conecta vía GSM/GPRS al servidor central. Por eso, los nodos concentradores deben tener ambos interfaces de comunicación: de red corporativa (Ethernet) y de GSM/GPRS como se observa en la figura 2.

En la figura 2, se puede ver un esquema de una realización preferente de dicho nodo concentrador. Consta de un módulo microcontrolador (21 ), una fuente de alimentación (22) que puede estar conectada a la red eléctrica (23) y tener un interruptor de encendido/apagado (24), un módulo de conexión a la red privada corporativa (25), típicamente una red Ethernet, conectado a través de la interfaz física RJ-45 (26), un módulo de conexión a la red móvil (27), típicamente una red GSM/GPRS, conectado a través de una antena (28), uno o varios módulos IEEE 802.15.4/Zigbee (29) para conexión a través de una antena (21 O) a las redes inalámbricas de acceso WSN y que actúan como coordinadores de las redes WSN y un modulo de entrada/salida RS232 (211) con su puerto correspondiente (212) para funciones de mantenimiento. También puede tener unos LEOs de estado

(213) controlados por el microcontrolador (21 ).

Servidor de aplicación: Servidor central situado en las

instalaciones de la empresa suministradora. Está conectado a la red corporativa y se comunica con los concentradores a través de protocolo TCP/IP. Por tanto dispone de una dirección IP pública para poder comunicarse con los concentradores que dispongan de conexión GPRS en esta realización preferente.

El servidor alberga la base de datos donde se almacena la información procedente de los contadores electrónicos, los datos de red y de configuración. Se proporciona además una aplicación gráfica para la gestión y monitorización del sistema completo.

El sistema servidor tendrá generalmente un módulo de consulta de datos, un módulo de gestión de red y un módulo de usuario.

Así en el módulo de consulta de datos se podrá realizar operaciones tales como consultar datos llegados procedentes de la red de sensores, consultas rápidas por concentrador y por nodo, así como configurar ciertas personalizaciones de dichos informes. Todos estos datos podrán ser exportados a varios formatos estándar. El módulo de gestión de la red permitirá configurar los concentradores de manera remota e introducir nuevos dispositivos de red. También se podrán dar de alta y administrar alarmas, así como consultar avisos que se hayan producido y mandarlos por email, y el lag del sistema. Por último, se podrán realizar peticiones de lectura por concentrador bajo demanda. El módulo de usuarios contará de varias funcionalidades tales como dar de alta nuevos usuarios, administración de privilegios y cambio de contraseña.

Además, el sistema tiene la posibilidad de integración con otros servicios, pudiendo formar parte de un concepto global de despliegue redes inalámbricas de gran tamaño, con determinada infraestructura de red (36) y controlada por un centro de control (37) que engloban múltiples tecnologías que proporcionan un servicio integral al ciudadano en áreas metropolitanas

(como se muestra de manera esquemática en la figura 3), entre ellas:

•

Servicios de Infraestructura: AMR (31) (electricidad, gas, agua), control de iluminación en las calles (32), regulación semafórica, postes de información vial y ambiental ...

•

Servicios de comunicaciones internas: Redes de datos, servicios de voz, comunicación a servicios municipales (transportes, emergencias, policía).

•

Servicios al ciudadano: puntos de información personalizados para localización, transporte, turística (33), ticketing (34), personas con deficiencias ....

•

Servicios de pago: servicios municipales, transporte público

•

Cualquier otro servicio de este tipo que se pueda ofrecer (35).

En esta estructura global, se distinguirían el nivel de infraestructura (38), el de servicios (39) y el de gestión (40)

En resumen, la presente invención presenta un sistema de comunicaciones inalámbricas para la interacción remota con contadores. Para ello se ha seleccionado una tecnología que permite una tasa suficientemente elevada de datos, con una elevada autonomía para los nodos de lectura y un bajo coste de desarrollo, despliegue y mantenimiento

Algunas realizaciones preferidas de la invención se describen en las reivindicaciones dependientes que se incluyen seguidamente.

En este texto, la palabra "comprende" y sus variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo descrito incluya otros elementos, pasos, etc.

Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como la manera de realizarse en la práctica, hay que hacer constar la posibilidad de que sus diferentes partes podrán fabricarse en variedad de materiales, tamaños y formas, pudiendo igualmente introducirse en su constitución o

5 procedimiento, aquellas variaciones que la práctica aconseje, siempre y cuando las mismas, no alteren el principio fundamental de la presente invención.

Claims (11)

1. REIVINDICACIONES

   1. Sistema para la gestión remota de contadores de un servicio de pago, caracterizado porque el sistema comprende:

   -

   Un conjunto de nodos inalámbricos, llamados nodos terminales, cada uno de los cuales gestiona un determinado número de contadores, conectándose a ellos mediante un bus para realizar determinadas operaciones, entre ellas la lectura de los contadores en tiempo real y que poseen un interfaz inalámbrico con el que se comunican con un nodo concentrador mediante un nodo de enrutamiento, a través de una red inalámbrica de acceso a la que pertenecen mediante la que intercambian datos de control, de gestión de red y de aplicación,

   -

   Un conjunto de nodos concentradores, cada uno de los cuales sirve de pasarela de comunicación entre los nodos terminales que controla y al menos un servidor de aplicación, disponiendo cada nodo concentrador de uno o más elementos coordinadores, cada uno de los cuales realiza la tarea de coordinación, control y monitorización de una red inalámbrica de acceso mediante la que se comunica con los nodos terminales que pertenecen a dicha red inalámbrica y a través de la que el nodo concentrador realiza peticiones de operaciones a los nodos terminales y recibe información de los mismos mediante un nodo de enrutamiento,

   -

   Un conjunto de nodos de enrutamiento que se encargan de hacer de intermediario entre los nodos terminales y los concentradores, enviando información que reciben de los nodos terminales hasta el nodo concentrador del que dependen y enviando las órdenes recibidas del nodo concentrador a los nodos terminales de lectura que dependen de él, estando los nodos enrutadores geográficamente separados del

   emplazamiento del nodo concentrador del que dependen,

   -

   Un conjunto de redes inalámbricas de acceso, cada una de las cuales

   permite el envío de datos entre los nodos terminales que pertenecen a la red y el concentrador correspondiente mediante un nodo de enrutamiento,

   -

   Al menos una red troncal que es la red de comunicaciones que permite la conexión entre los nodos concentradores y el al menos un servidor de aplicación, que consta de un tramo de red central en comunicación con el al menos un servidor de aplicación y un tramo de acceso por el que los concentradores acceden al tramo de red central, este tramo de acceso puede ser una red privada corporativa o una red de telefonía móvil,

   -

   Al menos un servidor de aplicación, que se comunica con los concentradores a través de la red troncal y se encarga del procesado de los datos y de albergar la base de datos donde se almacena la información procedente de los contadores, los datos de red y los de configuración,

   donde a dichos nodos terminales se les asigna un intervalo de tiempo específico en el que se activan para emisión y recepción de datos, estando dichos terminales apagados durante el resto del tiempo, siendo el concentrador quien asigna y comunica dicho intervalo de tiempo a los nodos terminales y donde los nodos concentradores tienen un módulo de conexión a la red privada corporativa, un módulo de conexión a la red de telefonía móvil y un módulo de conexión a cada una de las redes inalámbricas de acceso con las que está conectado.

2. 2.

   Sistema según la reivindicación 1 donde dichas operaciones pueden ser operaciones de lectura o de configuración.

3. 3.

   Sistema según la reivindicación 2 donde dichas operaciones de

   configuración pueden ser por ejemplo operaciones de sincronización, de revisión de estado del dispositivo, de reinicio, de inicialización, o de asignación de intervalos de tiempo.

4. 4.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los nodos terminales envían al concentrador la información recogida de los contadores durante la lectura, bajo petición del concentrador.

5. 5.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los nodos terminales envían al concentrador la información recogida de los contadores durante la lectura, periódicamente.

6. 6.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde las redes inalámbricas de acceso siguen el estándar 1EE 802.15.4 y el protocolo Zigbee y usan la banda de 868 Mhz.

7. 7.

   Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde según la situación del nodo concentrador, éste se configura para comunicarse con el servidor de aplicación, preferentemente a través de la red privada corporativa

   o preferentemente a través de la red de telefonía móvil.

8. 8.

   Sistema según la reivindicación 1 donde la red privada es una red Ethernet.

9. 9.

   Sistema según la reivindicación 1 donde la red de telefonía móvil es una red GSM/GPRS o UMTS.

   1O. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el bus mediante el que se comunican los nodos terminales con los contadores es un bus UNE-82326.

10. 11.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la red inalámbrica de acceso es una red en malla o mesh.

11. 12.

    Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el nodo concentrador se compone adicionalmente de un módulo de entrada/salida RS-232.