TW202009851A

TW202009851A - 用於讀取水表之無線讀表系統及其方法

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Publication number: TW202009851A
Application number: TW107129627A
Authority: TW
Inventors: 游兆嘉; 陳謙慈; 許能舉; 葉銘山
Original assignee: 中華電信股份有限公司
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-03-01
Also published as: TWI721312B

Abstract

本發明主要提供一種用於讀取水表之無線讀表系統及其方法，係具有無線水表介接子系統與智慧聯網NB-IoT水表介接子系統，分別無線介接於多個數位式水表設備，並且無線連接於水表讀表控制中心平台，本發明之讀取水表之無線讀表系統具有資安功能以防止駭客入侵竊取資料，並可提供自來水公司營收服務方式，用於將水表讀表信息發送到遠端水表讀表系統服務平台中心，藉以減少在抄表工作上之人力。

Description

用於讀取水表之無線讀表系統及其方法

本發明係關於一種水表讀表技術，特別是一種用於讀取水表之無線讀表系統及其方法。

既有的自動化的多用途公用事業水表讀出系統，在美國專利第4940976A號「Automated remote water meter readout system」一案中，使用遠程接收器存儲來自多個儀表的數據，並通過電話線，CATV電纜或RF鏈路定期將數據發送到數據處理中心。系統由新型固態熱電發電機供電，該發生器將周圍的熱能轉化為電能並提供極長的操作壽命，遠遠超過該裝置所需。

在美國專利第8279080B2號「Systems and methods for remote utility metering and meter monitoring」一案中，提供了一種遠程水表監控系統。本實施方式的遠程水量計監視系統具有：將供水源與水用戶連接的水表主體；收容在該水表主體內的流量傳感器，該流量傳感器構成為測量通過水表的水的雙向流量；包括至少一個電池，至少一個電容器，至少一個整流器電路和發電機的供電系統，其中所述發電機由通過水表主體的水流供電，控制器通信地耦合到所述水表主體和供電系統，以及至少一個連接到控制器的天線。根據本發明的另一個實施例則提供了一種無線遠程水表監測網絡。

在美國專利第6424270B1號「Utility meter interface unit」一案中，儀表接口單元(MIU)，用於通過RF或其他合適類型的傳輸，將公用設施儀表的公用設施消耗信息發送到遠程位置。MIU包括電耦合到發射器設備的天線。微處理器用於啟動從與儀表相關聯的儀表編碼器讀取使用信息，並在選定的時間控制該信息的傳輸。

目前水表讀表系統大致可分成人工抄表、有線方式抄表及無線式抄表三種，初期由於技術與成本關係，人工抄表還是佔了大部分，但由於人力成本逐年提高，而且水表所在位置不一，無法一次讀取表值，因此有線方式抄表漸漸取代傳統人力抄表；但有線抄表也有佈線困難之處，無法由遠端水表讀表系統服務平台中心直接拉線至水表位置，中間必須由中繼設備或者區域型設備轉傳至遠端水表讀表系統服務平台中心，因此有線方式在線路管理、中繼設備管理等存在很大缺失；同樣地，無線式讀表在抄表上雖沒有前者複雜問題但是中繼設備存在中繼設備管理問題、水表介接模組耗電問題，還有上傳至遠端水表讀表系統服務平台中心方式不一，由此可見，目前既有的水表讀表系統服務仍有諸多缺點，實非良善系統及方法。

本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的各項缺點，乃亟思加以創新，並經多年研究後，終於成功研發完成本件具有資安功能以防止駭客入侵竊取資料的用於讀取水表之無線讀表系統及其方法。

本發明之目的即在於提供用於讀取水表之無線讀表系統及其方法，找出簡單有效裝置，提高遠端水表讀表的系統及方法，解決過去採用傳統抄表或者利用有線讀表系統及方法，解決人工成本及線路維修困難，以低成本和方便機制來完成水表讀表便利性為目的。

本發明之次一目的在於提供資訊安全服務以防止駭客入侵竊取資料，將水表度數及狀態有效上傳至遠端水表讀表系統服務平台中心，避免駭客入侵，使得資訊不外洩造成客戶之困擾。

為達上述目的，本發明提供一種用於讀取水表之無線讀表系統，包括：無線水表介接子系統，其包括：多個數位式水表設備；多個無線水表介接控制模組，其分別以串列方式介接於該多個數位式水表設備，以接收來自各該多個數位式水表設備的資料；多個無線中繼模組，其各自以無線方式連接於該多個無線水表介接控制模組或另一個無線中繼模組以提供中繼無線訊號；無線通訊主機模組，其以無線方式連接於該多個無線中繼模組或該多個無線水表介接控制模組，以接收來自該多個數位式水表設備的資料；及無線基地台，其以無線方式連接於該無線通訊主機模組；智慧聯網NB-IoT水表介接子系統，其包括：該多個數位式水表設備；多個NB-IoT水表介接控制模組，其分別以串列方式介接於該多個數位式水表設備，以接收來自各該多個數位式水表設備的資料；及NB-IoT基地台，其以無線方式連接於該多個NB-IoT水表介接控制模組，以接收來自該多個數位式水表設備的資料；以及水表讀表控制中心平台，其係透過網際網路連接於該無線水表介接子系統及該智慧聯網NB-IoT水表介接子系統，以獲得該多個數位式水表設備的狀態，並且更新該多個NB-IoT水表介接控制模組、該多個無線水表介接控制模組、該多個無線中繼模組及該無線通訊主機模組。

本發明另提供一種用於讀取水表之無線讀表方法，包括：配置無線水表介接子系統，其包括：分別串列介接多個無線水表介接控制模組於多個數位式水表設備，以接收來自各該多個數位式水表設備的資料；分別無線連接多個無線中繼模組至該多個無線水表介接控制模組或另一個無線中繼模組以提供中繼無線訊號；無線連接無線通訊主機模組於該多個無線中繼模組或該多個無線水表介接控制模組，以接收來自該多個數位式水表設備的資料；及無線連接無線基地台於該無線通訊主機模組；配置智慧聯網NB-IoT水表介接子系統，其包括：分別串列介接多個NB-IoT水表介接控制模組於多個數位式水表設備，以接收來自各該多個數位式水表設備的資料；及無線連接NB-IoT基地台於該多個NB-IoT水表介接控制模組，以接收來自該多個數位式水表設備的資料；以及透過網際網路連接水表讀表控制中心平台於該無線水表介接子系統及該智慧聯網NB-IoT水表介接子系統，以獲得該多個數位式水表設備的狀態，其中，該水表讀表控制中心平台係用以更新該多個NB-IoT水表介接控制模組、該多個無線水表介接控制模組、該多個無線中繼模組及該無線通訊主機模組。

在前述之用於讀取水表之無線讀表系統中，該無線水表介接控制模組與該無線中繼模組、該無線水表介接控制模組與該無線通訊主機模組、該無線中繼模組間或該另一個無線中繼模組、以及該無線中繼模組間或該無線通訊主機模組之間是透過433MHz或者920MH頻段RF通信接收及傳送資料。

在前述之用於讀取水表之無線讀表系統中，該無線通訊主機模組與該無線基地台之間的連網通信協定是以UDP方式建立。

在前述之用於讀取水表之無線讀表系統及方法中，該無線水表介接子系統與該智慧聯網NB-IoT水表介接子系統所使用的無線方式連接係透過資安元件(SE)建立，以確保訊息傳遞過程資料正確性及防止駭客入侵竊取資料。

在前述之用於讀取水表之無線讀表系統及方法中，該水表讀表控制中心平台更新該無線水表介接子系統及該智慧聯網NB-IoT水表介接子系統的韌體是以OTA遠端無線方式更新。

為達成上述發明目的，本發明之用於讀取水表之無線讀表系統，在用於讀取水表之無線讀表系統最基本設備就是數位式水表設備讀取水表度數及狀態值，狀態值包含漏水天數、電力不足天數、靜止天數等等，數位式水表設備視用戶需求安裝。用於讀取水表之無線讀表系統大致分成兩種不同方式有無線水表介接子系統或者智慧聯網NB-IoT水表介接子系統，實際使用視通信及需求安裝，兩者擇一。無線水表介接子系統中之每一個4G無線通訊主機模組可分別與多個無線水表介接控制模組收送資料上傳至用於讀取水表之無線讀表系統運作之平台。而智慧聯網NB-IoT水表介接子系統則每一個NB-IoT水表介接控制模組直接收送資料上傳至水表讀表控制中心平台。

此外，無論無線水表介接子系統或者智慧聯網NB-IoT水表介接子系統均採用SE資安元件加密處理，確認資料不會有洩密及駭客入侵疑慮。每筆上傳資料均提供上傳時間以供驗證，對於無線水表介接控制模組或者NB-IoT水表介接控制模組採用電池供電之電路提供定時及短周期性睡眠喚醒處理功能減少耗電，當電池電量達到低電量指示時，提供遠端無線水表讀表控制中心平台告警及派遣人員前往更換設備。當然對於數位式水表設備狀態值如漏水、電力不足也提供告警及派遣人員前往處理。

再者，無線水表讀表控制中心平台命令新增或更新或者使用設備如無線水表介接控制模組、4G無線通訊主機模組、NB-IoT水表介接控制模組或者無線中繼模組視需要更新韌體時，提供無線(Over The Air，簡稱OTA)更新韌體功能。

本發明係利用NB-IoT模組或ISM頻道的RF無線通信透過4G轉RF中繼模組功能將水表度數及狀態等有效的讀表信息自動上傳至遠端水表讀表系統服務平台中心；而自來水公司可設定指定日期及時間以進行自動讀表工作，亦可短週期性讀表或狀態查詢及控制，以達到無線水表讀表服務之目的。

此外，本發明也提供無線(Over The Air，簡稱OTA)更新韌體，在信息傳遞上使用嵌入式安全元件以提升資安功能防止駭客入侵竊取資料，並在一次性電池供電基礎上降低待機耗電。

本發明為達到上述目的，可提供系統命令及方法如下：即時時間控制命令請求：當無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組電源供電即要求無線水表讀表控制中心平台提供即時時間；即時時間回應：無線水表讀表控制中心平台回應正確即時時間到無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組並更新即時時間時鐘(real time clock)；RF頻道設定控制命令請求：當無線水表介接控制模組RF頻道有干擾或需要變更時由無線水表讀表控制中心平台要求無線水表介接控制模組RF頻道設定控制更改通信頻道；RF頻道設定回應：當無線水表介接控制模組收到RF頻道設定控制命令請求時，回應已接收到RF頻道設定控制命令並更改RF頻道，同時相關無線中繼模組或者4G無線通訊主機模組也必須重設RF頻道才能連通；裝置序列碼、軟體版本、硬體版本及製造廠家查詢：無線水表讀表控制中心平台查詢無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組的裝置序列碼、軟體版本、硬體版本及製造廠家要求；裝置序列碼、軟體版本、硬體版本及製造廠家回應：無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組將裝置序列碼、軟體版本、硬體版本及製造廠家回應到無線水表讀表控制中心平台；數位水表ID值查詢：無線水表讀表控制中心平台查詢無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組的數位水表ID值要求。

數位水表ID值回應：無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組將無線水表介接控制模組的數位水表ID值回應到無線水表讀表控制中心平台；水表介接裝置電池電壓查詢：無線水表讀表控制中心平台查詢無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組的水表介接裝置電池電壓要求；水表介接裝置電池電壓及是否低電量回應：無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組將水表介接裝置電池電壓回應到無線水表讀表控制中心平台；指定低耗能睡眠喚醒日期時間設定命令請求；指定低耗能睡眠喚醒日期時間回應；短週期性低耗能睡眠時間設定命令請求；短週期性低耗能睡眠時間回應；更換RF的ID控制命令請求；更換RF的ID回應；讀取水表度數及狀態完整讀表值命令請求；讀取水表度數及狀態完整讀表值回應；讀取水表度數精簡讀表值請求；讀取水表度數精簡讀表值回應；讀取水表瞬間流量讀表值命令請求；以及讀取水表瞬間流量讀表值值回應。

本發明提供資訊安全服務以防止駭客入侵竊取資料，在用於讀取水表之無線讀表系統中，數位式水表設備為最基本的設備，負責讀取水表度數及狀態值並經由無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組介接，再透過網路上傳到無線水表讀表控制中心平台；現今廣被使用之水表讀表系統不外乎為有線、無線以及IC卡介接等控制方式；採用有線方式佈線人工成本昂貴，線路維修不易；IC卡則必須預付一定金額若金額不足則有斷水之餘並增加困擾。一般無線水表讀表介接方式有死角及干擾等缺點；本發明則克服此一缺點，讓用於讀取水表之無線讀表系統達到更加穩定成本低廉以及擴充彈性更佳之目標。

10‧‧‧數位式水表設備

20‧‧‧無線水表介接控制模組

30‧‧‧無線中繼模組

40‧‧‧4G無線通訊主機模組

50‧‧‧4G聯網通信協定

60‧‧‧RF通信

70‧‧‧4G基地台

71‧‧‧NB-IoT基地台

80‧‧‧NB-IoT智慧聯網通信協定

90‧‧‧NB-IoT水表介接控制模組

100‧‧‧無線水表介接子系統

200‧‧‧智慧聯網NB-IoT水表介接子系統

201‧‧‧單晶微控器

202‧‧‧LED指示器

203‧‧‧RF無線介面模組

204‧‧‧微按鍵

205‧‧‧水表介面電路

206‧‧‧SE電路

207‧‧‧天線

208‧‧‧電池及供電電路

300‧‧‧網際網路

400‧‧‧水表讀表控制中心平台

401‧‧‧單晶微控器

402‧‧‧LED指示器

403‧‧‧4G介面模組

404‧‧‧微按鍵

405‧‧‧RF無線介面模組

406‧‧‧SIM卡介面電路

407‧‧‧天線

408‧‧‧供電電路

901‧‧‧單晶微控器

902‧‧‧LED指示器

903‧‧‧NB-IoT介面模組

904‧‧‧微按鍵

905‧‧‧水表介面電路

906‧‧‧SIM卡介面電路

907‧‧‧SE電路

908‧‧‧天線

909‧‧‧電池及供電電路

請參閱有關本發明之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關附圖為：第1圖係本發明之用於讀取水表之無線讀表系統的架構圖。

第2圖係本發明之無線水表介接控制模組之電路方塊圖。

第3圖係本發明之4G無線通訊主機模組之電路方塊圖。

第4圖係本發明之NB-IoT水表介接控制模組之電路方塊圖。

請參閱第1圖所示，本發明之用於讀取水表之無線讀表系統及其方法，其包括無線水表介接子系統100、智慧聯網NB-IoT水表介接子系統200、網際網路300及無線水表讀表控制中心平台400，以下有關本發明之詳細說明及其附圖，將可進一步了解本發明之技術內容及其目的功效，有關附圖說明如下。

數位式水表設備10為無線水表讀表的基本配備，採用無線水表介接子系統100或智慧聯網NB-IoT水表介接系統200經由網際網路300上傳到無線水表讀表控制中心平台400(智慧聯網IOT平台)。

無線水表介接子系統100，其架構包含如下，數位式水表設備10、無線水表介接控制模組20與數位式水表設備10透過串列方式介接再透過無線收送傳遞資料；無線中繼模組30主要功能作為中繼使用；4G無線通訊主機模組40將無線收送資料轉換成4G以UDP通信格式收送資料上傳至智慧聯網IOT平台；及4G基地台70與網際網路300連接。無線水表介接控制模組與無線中繼模組30、無線水表介接控制模組20與4G無線通訊主機模組40、無線中繼模組30之間或無線中繼模組30與4G無線通訊主機模組40等之間採用433MHz或者920MH頻段RF通信60收送資料。4G無線通訊主機模組40與4G基地台70之間依4G連網通信協定50採用UDP方式聯網。

智慧聯網NB-IoT水表介接子系統200，其架構包含如下，數位式水表設備10、NB-IoT水表介接控制模組90與數位式水表設備10透過串列方式介接；及NB-IoT基地台71與網際網路300連接。NB-IoT水表介接控制模組90與NB-IoT基地台71之間依NB-IoT智慧聯網通信協定80採用UDP方式聯網。

網際網路300可連到4G基地台、NB-IoT基地台及智慧聯網IOT平台等。

智慧聯網IOT平台主要提供無線水表讀表控制中心平台400。

請參考第2圖，其為無線水表介接控制模組20之電路方塊圖，其中，單晶微控制器201包括低耗電單晶微控器內嵌入記憶體、RTC時鐘、Timer、I/O、UART、SPI、I2C及A/D、D/A功能；LED指示器202電路提供狀態指示功能；RF無線介面模組203採用433MHz或920MHz頻段，提供無線傳送與接收功能；微按鍵204提供重置(RESET)、喚醒或執行特定功能。水表介面電路205依據數位式水表設備提供相關控制介面讀取水表度數、狀態值或者水閥門控制；SE(Security Element)電路206提供資安需求，利用防篡改晶片確保數據存儲及傳輸在安全的應用程序方式；天線207依據安裝方式提供內建天線或外接天線電路，電池及供電電路208。

無線水表介接控制模組主要具有功能如下：透過4G轉RF中繼裝置模組接收來自水表讀表中心平台控制命令、透過4G轉RF中繼裝置模組傳送水表回應信息到水表讀表中心平台、讀取數字型水表度數及狀態值、使用一次性電池、提供低耗能省電睡眠功能、提供精準RTC即時時鐘設定、可更換不同頻道避免干擾發生、提供指定低耗能睡眠喚醒日期時間及短週期性低耗能睡眠時間延長電池使用壽命、及防駭客入侵提供資安元件(Security Element,SE)處理。

第3圖為4G無線通訊主機模組40之電路方塊圖，其中，單晶微控制器401包括低耗電單晶微控器內嵌入記憶體、RTC時鐘、Timer、I/O、UART、SPI、I2C及A/D、D/A功能；LED指示器402電路提供狀態指示功能、4G介面模組403，提供4G以UDP通信格式及訊息等傳送與接收功能；微按鍵404提供重置(RESET)、喚醒或執行特定功能；RF無線介面模組405採用433MHz或920MHz頻段，提供無線傳送與接收功能；SIM卡介面406電路提供4G SIM卡控制介面；天線407提供4G介面模組及無線介面模組所需天線及組抗匹配電路可採用內建天線或外接天線電路，供電電路408。

4G無線通訊主機模組主要具有功能如下：將無線水表讀表控制中心平台UDP控制命令封包經由4G網路接收後轉換成RF控制命令信息封包再由RF通信介面傳送給RF水表介面裝置模組、將水表介面裝置模組RF回應信息封包經由RF通信介面接收後轉換成UDP回應信息封包再由4G網路傳送給無線水表讀表控制中心平台、可提供200組以上水表介面裝置模組分別中繼收發、可更換不同頻道避免干擾發生、及提供精準RTC即時時鐘設定。

第4圖為NB-IoT水表介接控制模組90之電路方塊圖，其中，單晶微控制器901包括低耗電單晶微控器內嵌入記憶體、RTC時鐘、Timer、I/O、UART、SPI、I2C及A/D、D/A功能；LED指示器902電路提供狀態指示功能；NB-IoT介面模組903提供NB-IoT以UDP通信格式及訊息等傳送與接收功能；微按鍵904提供重置(RESET)、喚醒或執行特定功能；水表介面電路905依據數位式水表設備提供相關控制介面讀取水表度數、狀態值或者水閥門控制；SIM卡介面906電路提供NB-IoT SIM卡控制介面；SE(Security Element)電路907提供資安需求，利用防篡改晶片確保數據存儲及傳輸在安全的應用程序方式；天線908依據安裝方式提供內建天線或外接天線電路；及電池及供電電路909。

NB-IoT水表介接控制模組主要具有功能如下：透過NB-IoT基地台接收來自水表讀表中心平台控制命令、透過 NB-IoT基地台傳送水表回應信息到水表讀表中心平台、讀取數字型水表度數及狀態值、使用一次性電池、提供低耗能省電睡眠功能、提供精準RTC即時時鐘設定、可更換不同頻道避免干擾發生、提供指定低耗能睡眠喚醒日期時間及短週期性低耗能睡眠時間延長電池使用壽命、及防駭客入侵提供資安元件處理。

本發明的無線水表讀表控制中心平台提供伺服器作為用戶水表設備採用無線水表介接子系統或智慧聯網NB-IoT水表介接子系統方式之間溝通的資料庫和橋樑，其功能如下：用戶資料庫的設定；無線水表介接控制模組RF頻道設定查詢；NB-IoT水表介接控制模組參數設定及查詢；即時時間回應、裝置序列碼、軟體版本、硬體版本及製造廠家查詢；數位水表ID值查詢；水表介接裝置電池電壓查詢；指定低耗能睡眠喚醒日期時間設定；短週期性低耗能睡眠時間設定；讀取水表度數及狀態完整讀表值；讀取水表度數精簡讀表值；讀取水表瞬間流量讀表值；資安元件更新；水表介接裝置韌體更新；以及障礙申告及派遣通知。

本發明可讓自來水公共事業公司可設定定時讀取水表度數值及狀態值或者短週期性讀取水表度數值及狀態值或者提供上述設定或更新功能，提供安全便捷、節省人力成本，無論讀取度數或者維修等等達到高信賴度的讀表服務，因此本發明以發揮了無線水表讀表服務系統所需要的功能。

本發明所提供之用於讀取水表之無線讀表系統及其方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1. 加入或移除水表介接控制模組設備：無線水表讀表控制中心平台可隨時加入或移除用戶的無線水表介接控制模組設備或NB-IoT水表介接控制模組設備訊息傳遞。

2. 資訊安全讀表：利用資安元件(SE)無論在訊息資料存取或訊息傳遞過程確保資料正確性及防止駭客入侵竊取資料。

3. 讀取度數及時間：讀取每筆數位式水表度數值及狀態值等資料時，同時顯示上傳的時間。

4. 指定低耗能睡眠喚醒日期時間：無線水表讀表控制中心平台可設定下次指定喚醒日期時間讀取數位式水表度數值及狀態值等，減少無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組因為待期過程的耗能。

5. 短週期性低耗能睡眠時間：無線水表讀表控制中心平台可設定短週期如幾分鐘或幾小時，以提供特定功能使用如測試電池電壓、韌體更新、裝置序列碼、軟體版本、硬體版本及製造廠家查詢、數位水表ID值查詢、水表介接裝置電池電壓查詢、指定低耗能睡眠喚醒日期時間設定等等。

6. 水表介接裝置韌體更新：無線水表讀表控制中心平台經由OTA方式提供無線水表介接控制模組或NB-IoT水表介接控制模組裝置韌體更新功能。

7. 無線水表介接控制模組RF頻道設定：無線水表讀表控制中心平台提供無線水表介接控制模組及4G無線通訊主機模組設備設定RF頻道更新。

8. 即時時間設定：提供無線水表介接控制模組設備或NB-IoT水表介接控制模組設備更新即時時間。

9. RF無線與4G傳遞訊息轉換：提供RF無線傳遞訊息格式與4G使用UDP傳遞訊息格式轉換。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。