ITUA20164696A1

ITUA20164696A1 - "metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile"

Info

Publication number: ITUA20164696A1
Application number: ITUA2016A004696A
Authority: IT
Inventors: Michele Bisanti
Original assignee: Smart Metering S R L
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-12-28

Description

“Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile”

Il trovato, oggetto della presente invenzione, si colloca nel settore dei sistemi hardware e software applicati al metering, in particolare al campo dei sistemi di telelettura per le reti di distribuzione di acqua, energia elettrica o gas.

Con il termine "metering" viene indicato l’insieme dei sistemi che consentono la telelettura e la telegestione dei contatori di energia elettrica, gas e acqua. L’adozione di tali sistemi presenta numerosi vantaggi, tra cui la riduzione dei costi per le letture e per le operazioni di gestione dei contratti di fornitura. Infatti, queste ultime possono essere effettuate in modo automatico, a distanza, e con maggiore frequenza, senza la necessità di un intervento in loco da parte di un operatore.

Attualmente, la telelettura via radio di contatori gas e acqua si sta consolidando a livello normativo, in diverse nazioni europee. Per la trasmissione dei dati derivanti dalla telelettura viene impiegata la banda VHF, nello specifico un intervallo di frequenza compreso tra 169.400 e 169.475 MHz. Tale banda è stata prevista dalla raccomandazione europea denominata: “ERC 70-03, rif. ECC/DEC/ (05)02, per l’utilizzo “meter reading”, ed inoltre presenta numerosi vantaggi di propagazione.

La normativa europea di riferimento per l’utilizzo dello strato fisico di tale banda è quella fissata nello standard “EN13754-4:2013”, denominata “Sistemi di comunicazione per contatori e di lettura a distanza dei contatori, lettura wireless del contatore” di tipo “N” detta anche wM-BUS modo N.

Tale modalità è stata assunta come livello fisico per la telelettura gas e si candida ad essere utilizzata in un’ottica multiutility, ad esempio per la lettura dei consumi idrici. La modalità wM-BUS modo N 2400/4800 bps è consigliata per l’uso di comunicazioni di tipo “long range with stationary receiver”.

Altre modalità, quali la modalità wM-BUS modo C (Compact) sono dedicate a soluzioni di telelettura drive-by, ma sono caratterizzate da prestazioni inferiori. La norma prescrive per il modo N l’utilizzo, a livello fisico, di una comunicazione monodirezionale o bidirezionale su 6 canali radio a banda stretta con larghezze di banda di 12,5 kHz, i canali denominati 1a,1b, 3a, 3b con bit rate 4800 bps e due canali denominati 2a e 2b con bit rate a 2400 bps. L’utilizzo del bit rate basso, della banda stretta e di potenze massime pari a ben 500 mW, comporta il raggiungimento di elevate prestazioni (diverse centinaia di metri di portata radio da pozzetto, anche in presenza di ostacoli).

Inoltre, la modalità prevista dalla norma e impiegata negli apparati di telelettura attualmente in commercio è del tipo “non sollecitata”, ovvero lo strumento di telelettura spontaneamente trasmette un messaggio, del tipo “SND-NR” (Send no reply), contenente i dati di telelettura del contatore.

Date le potenze in gioco e data la necessità di autoalimentazione a batteria per 5-10 anni di tali apparecchi dedicati alla telelettura, l’intervallo tra una trasmissione e la successiva deve essere necessariamente elevato, dell’ordine di 3-6 ore, per contenere i consumi e rispettare i vincoli energetici, considerato che gli apparecchi sono autoalimentati a batteria e di tipo low-cost.

L’utilizzo tipico di tali modalità di trasmissione viene adottato nell’ambito di una rete fissa (“stationary readout”), come suggerito dalla norma, poiché l’utilizzo con terminale mobile richiederebbe un’attesa di diverse ore per ricevere una delle poche trasmissioni emesse in una giornata. Per un utilizzo produttivo con terminale mobile, l’intervallo tra due trasmissioni dovrebbe essere invece molto più breve, ovvero dell’ordine di 10-20 secondi, per far in modo che, transitando in prossimità dell’apparecchio col terminale mobile (in modo “walk-by” o “driveby”), sia possibile, nell’intervallo di tempo specificato, ricadere in un raggio minore o uguale a quello della portata radio. Tuttavia, tale modalità non è sostenibile dal punto di vista energetico.

Ad esempio, eseguendo un’analisi energetica del sistema, risulta che in 10 anni di operatività di un apparecchio di telelettura fisso, il consumo energetico calcolato sarebbe pari a 184 Ah, ovvero 10 volte superiore a quello sostenibile da una pila di tipo “D”. Si tiene a precisare che tale analisi è stata eseguita considerando un’operatività complessiva di sole 12 ore su un totale di 24.

Nel seguito, viene riportato il calcolo del consumo energetico applicato alla soluzione di telelettura in modalità walk-by/drive-by. La corrente tipica consumata è pari a 300mA, la durata di un singolo messaggio SND-NR è pari a 0,21 secondi. La durata del periodo di ripetizione SND-NR è pari a 15 secondi. Nell’ipotesi di un numero messaggi SND-NR trasmessi giornalmente pari a5760, si ha una durata totale durata giornaliera espressa in secondi, pari a 1209,6, ovvero espressa in ore pari a 0,336. Inoltre, ipotizzando una percentuale di attività giornaliera pari al 50,00%, si avrà una durata totale pari a 0,168 ore. Pertanto il consumo totale giornaliero sarà pari a 50,4mAh. Di conseguenza il consumo totale annuo sarà pari a 18408,6mAh. Nel caso di funzionamento continuo pari a 10 anni si ottiene un consumo finale pari 184086mAh.

Un’ulteriore problematica delle modalità di trasmissione attuali è relativa all’occupazione di canale e di rumore nei canali adiacenti. Si evidenzia, infatti, che un’attività continua di trasmissione di tutti gli apparecchi installati è svolta senza un utilizzo proporzionale, in quanto gli apparecchi trasmettono tutti insieme incondizionatamente.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire una nuova metodologia di funzionamento relativa ad uno standard di comunicazione noto, denominato wM-BUS modo N (Narrowband VHF, EN 13757-4:2013). Lo scopo principale del metodo di cui alla presente invenzione è quello di estendere l’utilizzo ad alte prestazioni di tale standard dai metodi di telelettura wireless con rete fissa (su apparecchi autoalimentati a batteria con autonomia di molti anni), a quelli di telelettura wireless con terminale mobile (in modalità walk-by/drive-by), per i quali l’applicazione di tale standard risulta attualmente non idonea per problemi di consumo energetico eccessivo, oltre a creare problemi di saturazione del canale di comunicazione e incremento del rumore nei canali adiacenti.

Questi ed ulteriori scopi sono raggiunti dal metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile di cui alla presente invenzione, che viene descritta nel seguito in un’esecuzione preferita non limitativa di ulteriori sviluppi nell’ambito dell’invenzione, con l’aiuto delle tavole di disegno allegate che illustrano le seguenti figure:

Fig. 1, una rappresentazione del metodo di cui alla presente invenzione in applicazione;

Fig. 2, uno schema a blocchi del metodo di cui alla presente invenzione.

Con riferimento alle figure allegate, il metodo di trasmissione di cui alla presente invenzione, è caratterizzato da una modalità di trasmissione in modo sollecitato. Con riferimento alle figure allegate, differentemente da quanto avviene nei sistemi attuali, i quali trasmettono in modo non sollecitato ad intervalli random, il metodo di cui alla presente invenzione prevede che la trasmissione degli apparecchi avvenga solo se è ricevuta una breve sequenza binaria di tipo broadcast, trasmessa da parte di un terminale mobile 1, per un tempo configurabile da 1 a 5 secondi, ad intervalli regolari di 30 e 60 s, su uno dei canali dedicati al bit n rate 4800 bps. Il rapporto tra tempo di trasmissione ed il periodo deve essere preferibilmente inferiore al 10%, per rispettare la normativa vigente nella banda di frequenza in oggetto sui limiti di utilizzo (ad esempio 2 secondi di trasmissione e 28 secondi di ricezione). L’apparecchio di telelettura 2, ricevuta tale sequenza durante un campionamento periodico del canale, è sollecitato a schedulare una trasmissione dei dati di telelettura di tipo SND-NR in un intervallo di tempo prefissato immediatamente successivo alla ricezione della sequenza, scegliendo in modo random l’inizio della trasmissione ed osservando comunque un ritardo iniziale pari alla durata della sollecitazione; la trasmissione deve avvenire nell’intervallo di tempo tra la fine della trasmissione del terminale e l’inizio di un nuovo ciclo di lettura, caratterizzato dalla trasmissione di una nuova sollecitazione da parte del terminale mobile. Il terminale mobile 1, dopo aver inviato la sollecitazione, rimane in ascolto sul canale per ricevere le trasmissioni degli apparecchi. Si provvede in tal modo a soddisfare i vincoli energetici, poiché la trasmissione avviene solo saltuariamente, al transito del terminale mobile 1 che sollecita la trasmissione su tutti gli apparecchi nel raggio di portata radio; le prestazione del canale e dei canali adiacenti sono preservate, poiché il canale rimane normalmente privo di attività radio; in tale modalità sarà possibile utilizzare la potenza massima a disposizione ottenendo le prestazioni di punta caratteristiche della modalità wM-BUS modo N e, simultaneamente, si fa un uso efficiente della risorsa (il canale di comunicazione).

Oltre a tale sollecitazione di tipo broadcast, è prevista una sollecitazione di tipo unicast (nominativa), nella quale la sequenza binaria di sollecitazione è riconosciuta come unica per un particolare apparecchio dotato di un particolare numero seriale.

Per ragioni di vincolo energetico e di sicurezza, il numero di risposte che un apparecchio potrebbe fornire al più ad una sollecitazione broadcast è limitato sia su base oraria che su base settimanale. I valori di soglia consigliati sono 4 trasmissioni massime per ora e 42 trasmissioni massime per settimana. In tal modo, se il terminale mobile 1 rimanesse attivo per lungo tempo in una certa zona, gli apparecchi non correrebbero il rischio di scaricare la batteria.

La sollecitazione unicast (nominativa) richiede la conoscenza del seriale dell’apparecchio; anch’essa è limitata, indipendentemente dalla precedente; il numero massimo consigliato di sollecitazioni unicast è 6 su base oraria e 12 su base settimanale. Nel momento in cui è esaurita la possibilità di risposta nel modo broadcast, a causa del raggiungimento delle soglie broadcast, è sempre possibile usare il modo unicast, fino al limite delle soglie unicast. In tal modo si attua una certa flessibilità operativa, per gli apparecchi più critici dal punto di vista delle comunicazioni radio.

Le sequenze binarie di sollecitazione che l’unità mobile deve ripetere con continuità possono essere trasmesse in modo asincrono o in modo sincrono.

Nel caso in cui la sequenza della trasmissione sia asincrona, a bit rate 4800 bps 8N1, modo “N1f”. I codici “A” e “B” possono essere scelti tra i possibili codici ad 8 bit con almeno 2 variazioni binarie; il bit 7 (MSB) dei codici “A” e “B” deve essere “1”. I codici “C” e “D” a 8 bit sono ricavati dai due byte meno significativi del serial number, applicando in modo opzionale una funzione digitale combinatoria; il bit 7 (MSB) dei codici “C” e “D” deve essere “0”.

Gli apparecchi di telelettura 2 installati sui contatori devono attivare il ricevitore in un intervallo temporale periodico di durata pari ad almeno il doppio della durata della sequenza più lunga, quindi di durata almeno pari a 13,4 ms. Il periodo di ripetizione della finestra di ricezione aperta degli apparecchi di telelettura deve essere pari alla durata della trasmissione di sollecitazione del terminale mobile 1.

Se essa fosse 2,000 secondi, il ricevitore dovrebbe essere attivato per 12,5 ms ogni 2,000 s. È preferibile maggiorare di 12,5 ms il tempo del periodo, per essere certi di non ricevere sequenze incomplete, per cui il periodo effettivo deve essere, in questo caso, 2,012 ms.

È opportuno, per un utilizzo più efficiente del canale, che i ricevitori relativi agli apparecchi di telelettura 2, siano dotati della funzione di LBT (listen before talk). Prima di effettuare una trasmissione schedulata in modo randomico nell’intervallo prefissato, è opportuno verificare, tramite la funzione RSSI (Received signal strength indication) disponibile in tutti i nuovi ricevitori digitali, che non siano in corso trasmissioni da parte di altri apparecchi; ciò è anche indicato nelle norme. Infatti se il canale risultasse occupato da una trasmissione, l’apparecchio dovrebbe rischedulare un nuovo intervallo randomico di trasmissione, entro il termine temporale consentito.

Viene infine illustrato un esempio di realizzazione del metodo di sollecitazione broadcast, di cui al metodo secondo la presente invenzione, consistente nell’applicazione della funzione sollecitata per wM-BUS MODO N” al canale wM-BUS modo N, canale “3b “, modo “1f” a 4800 bps tra un apparecchio modello “Multireader-C-169”, con modalità drive-by, modo broadcast ed un autoveicolo equipaggiato con antenna veicolare a base magnetica montata sul tetto del veicolo.

I parametri utilizzati sono stati:

- Codice utilizzato dal terminale mobile: sequenza broadcast asincrona (0xff, 0xA9, 0x84);

- Durata TX di sollecitazione del terminale mobile: 2,0 [s];

- Tempo di attesa del trasmettitore dopo ricezione della sollecitazione: 2,0 [s]; - Intervallo di trasmissione random: 26,0 [s];

- Durata totale del ciclo di lettura 30,0 [s];

- Numero di cicli di lettura: 1;

- Messaggio di lettura: SND-NR di lunghezza 120 bytes (durata: 0,21 [s]); - Numero di apparecchi attivi: 50, disposti a bordo strada su una distanza lineare di 270 m (densità 0,185/m);

- LBT: implementata con soglia -95 dBm;

- Velocità media del veicolo nel tratto di 270 m: 32 km/h;

- Numero di messaggi ricevuti e decodificati con successo in un ciclo di sollecitazione (CRC OK): 50.

Le caratteristiche dell’apparecchio di telelettura nella prova sono le seguenti:

Modello: MultiReader-C-169;

Potenza TX: 24 dBme.r.p. (250 mW);

Modulazione: FSK/GFSK;

Sensibilità RX: -115 dBm@0,1% BER 4,8 kbps (ch 1a,1b,3a,3b);

Caratteristiche dell’apparecchio Radio modem veicolare:

Modello: MultiReader-M-169;

Potenza TX: 24 dBm al connettore (250 mW);

Modulazione: FSK/GFSK;

Sensibilità RX: -115 dBm@0,1% BER 4,8 kbps (ch 1a,1b,3a,3b);

Antenna: Mistral-MAG 1/4-169, guadagno: 2,1 dB:

Connettori: SMA, RS232 DB9.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, detto metodo comprendendo un terminale mobile (1) per la trasmissione di un segnale di sollecitazione ed un apparecchio di telelettura (2) operativamente connesso ad un contatore di acqua, gas o energia elettrica, detto metodo di telelettura essendo caratterizzato dalle fasi di: - trasmissione di un segnale di sollecitazione consistente in una sequenza binaria, da detto terminale mobile (1); - realizzazione di un campionamento del canale di trasmissione da parte dell’apparecchio di telelettura (2); - schedulazione di una trasmissione dei dati di telelettura in un intervallo di tempo prefissato, in seguito alla ricezione della sequenza, da parte dell’apparecchio di telelettura (2); - trasmissione dei dati di telelettura osservando un ritardo iniziale pari alla durata del segnale di sollecitazione, la trasmissione dei dati avvenendo nell’intervallo di tempo tra la fine della trasmissione da parte del terminale e l’inizio di un nuovo ciclo di lettura, quest’ultimo consistendo nella trasmissione di una nuova sollecitazione da parte del terminale mobile (1); - acquisizione delle trasmissioni dei dati inviati dagli apparecchi di telelettura fissa (2), da parte del terminale mobile (1).
2. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazione 1, in cui la sequenza binaria di sollecitazione è una sequenza binaria di tipo broadcast.
3. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazione 1, in cui la sequenza binaria di sollecitazione è una sequenza binaria di tipo unicast nominativa.
4. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra tempo di trasmissione e il periodo di trasmissione del terminale mobile (1) è inferiore al 10%.
5. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazioni precedenti, in cui la durata della trasmissione del segnale di sollecitazione è compresa tra 1 e 5 secondi.
6. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazioni precedenti, in cui la durata del periodo tra la trasmissione dei segnali di sollecitazione è compresa tra 30 e 60 secondi.
7. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazioni precedenti, in cui il numero di risposte che l’apparecchio di telelettura (2) può fornire è limitato.
8. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazioni precedenti, in cui le sequenze binarie di sollecitazione emesse dal terminale mobile sono trasmesse in modo asincrono o sincrono.
9. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazioni precedenti, in cui il periodo di ripetizione della sollecitazione deve essere pari alla durata della trasmissione di sollecitazione del terminale mobile (1).
10. Metodo per la telelettura applicato ad apparecchiature di telelettura wireless con terminale mobile, di cui a rivendicazioni precedenti, in cui l’apparecchio di telelettura (2) prima di trasmettere i dati, verifica che non siano in corso trasmissioni da parte di altri apparecchi, e in caso di canale occupato, detto apparecchio di telelettura (2) rischedulando un nuovo intervallo randomico di trasmissione entro il termine temporale consentito.