WO2009115627A1 - Sistema inalámbrico y método de lectura remota de contadores - Google Patents

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WO2009115627A1
WO2009115627A1 PCT/ES2009/000154 ES2009000154W WO2009115627A1 WO 2009115627 A1 WO2009115627 A1 WO 2009115627A1 ES 2009000154 W ES2009000154 W ES 2009000154W WO 2009115627 A1 WO2009115627 A1 WO 2009115627A1
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WO
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data
network
storage device
concentrator
consumption
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Application number
PCT/ES2009/000154
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fernando LUÍS SÁNCHEZ
Joan TOBEÑA ANDREU
Original Assignee
Aira Networks, S.L.
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D4/00—Tariff metering apparatus
    • G01D4/002—Remote reading of utility meters
    • G01D4/004—Remote reading of utility meters to a fixed location
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D4/00—Tariff metering apparatus
    • G01D4/002—Remote reading of utility meters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/20—Smart grids as enabling technology in buildings sector
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y04—INFORMATION OR COMMUNICATION TECHNOLOGIES HAVING AN IMPACT ON OTHER TECHNOLOGY AREAS
    • Y04S—SYSTEMS INTEGRATING TECHNOLOGIES RELATED TO POWER NETWORK OPERATION, COMMUNICATION OR INFORMATION TECHNOLOGIES FOR IMPROVING THE ELECTRICAL POWER GENERATION, TRANSMISSION, DISTRIBUTION, MANAGEMENT OR USAGE, i.e. SMART GRIDS
    • Y04S20/00—Management or operation of end-user stationary applications or the last stages of power distribution; Controlling, monitoring or operating thereof
    • Y04S20/30—Smart metering, e.g. specially adapted for remote reading

Definitions

  • the invention described has its scope in the remote reading of water, gas and electricity meters.
  • a document that deals with a part of the aforementioned problems is patent application WO 2006/029315.
  • Said document discloses a wireless system for reading meter data, which includes a plurality of meters, a collecting device and a central communications server.
  • the meters communicate consumption data to the collection device or to the server through a Wi-Fi or WiMax type wireless communication network.
  • the Wi-Fi and / or WiMax network can operate independently of or in collaboration with existing wireless data collection networks.
  • Wi-Fi or WiMax for communication between the meters and the collection device is not efficient, because both protocols are broadband and the meters send little data to the collection device and also at very long intervals.
  • the present invention solves the aforementioned problems by means of the wireless remote meter reading system according to claim 1 and the remote meter reading method according to claim 12 and the computer program according to claim 13.
  • the dependent claims include preferred embodiments of the invention.
  • the serious problem of the cost of Ia Communication is resolved.
  • service providers can gather more information on consumer habits by their customers and thus create specific profiles of each of them. This allows the company to provide better service to its customers, being able to subsidize those with a more rational consumption, penalize those who waste energy and, indirectly, allow greater energy savings that have an impact on the global good of society, whether or not customers.
  • the network formed for remote reading is private. That is, the equipment belongs to the service provider ⁇ utility) that manages its own network, which has a system of authentication and encryption of data throughout the network.
  • the importance of this point is that there is no dependence on a third agent providing the telecommunications service so that communication is possible (eg Internet access provider, telephone company for sending information by GPRS). All data management will remain continuously under the control of the utility, as if it were an internal private network.
  • the storage device that connects to the meters allows to provide 'intelligence' to those counters that are not electronic.
  • 'Intelligence' means adding functions to the counter that you did not have before the device was attached.
  • Some of these functionalities are those of storing the data in a ferromagnetic memory, which allows a data to remain stored for 45 years without any corruption of it.
  • Other functionalities consist of the detection of anomalies in the operation (alarms), such as theft of the equipment, sabotage of the communication cables, sabotage of the equipment, leaks, etc.
  • Figure 1. Shows a standard installation of the system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2. Shows a block diagram of a storage device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3. Shows a block diagram of a concentrating device according to an embodiment of the present invention.
  • narrowband network should be understood as a network that allows communications with a speed of less than 0.5 Mb / s and the term “broadband network” should be understood as a network that allows communications with a speed greater than 0.5 Mbit / s.
  • Figure 1 shows a standard installation of the system according to an embodiment of the invention:
  • the system consists of three physical elements, two of them hardware and other software:
  • a storage device 100 which is an electronic hardware device connected at least to a meter or integrated into a meter.
  • a concentrator device 200 which is an electronic hardware device that receives data from at least one storage device 100.
  • a server 300 running the general system management software.
  • the topology shown in Figure 1 represents a typical installation for the assembly of the proposed system.
  • storage devices 100 connected to water, gas and / or electricity meters. These store the consumption of these counters. Every certain predefined time interval, these devices send the stored data to the concentrator device 200 that functions as a hub / gafeway. This device has enough capacity to store data from several counters.
  • all the concentrators send the data to the concentrator device 200 located in the charging center, connected to a server 300 (or computer in general) through any type of 700 series connection (typically USB) or network cable (typically Ethernet).
  • the concentrator device 200 located in the charging center and the server 300 together form the central device 400.
  • a narrowband network 500 typically for short-range communications (typically a maximum of 300 m in the open field), which operates according to the IEEE 802.15.4 (Zigbee) standard.
  • a broadband network is used, preferably according to the IEEE 802.16d / e standard (WiMax).
  • the narrowband network is limited to sending data between the different devices installed in the dwelling, or residential building.
  • the broadband network will transport the data collected in each building to the charging center.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the storage device 100 according to an embodiment of the invention.
  • Said device comprises the following components:
  • a module 1 that includes an MCU 1a (Microcontroller Unit, Microcontroller), an RF transceiver 1b and an integrated 1c with the physical address of the equipment (MAC address).
  • the integrated 1c can also be located outside the module.
  • An external ferromagnetic memory 2 for the storage of consumption data.
  • An integrated fractal antenna 6 for PCB typically for 2.4 GHz.
  • a first relay ⁇ Reed switch, reed switch) 7 for reading meters with magnet.
  • Connectors 8, 9 of four cables for the reading of an external pulse emitter, which allows the detection of the cable cut.
  • motion detection means of the device 10 in the form of a second relay (TiIt switch) or an accelerometer.
  • Means for detecting the application of a magnet to the equipment 11 in the form of a third relay (Reed switch, reed switch) for the detection of the application of a magnet to the equipment.
  • the storage device 100 is an electronic hardware device that allows the consumption data of up to three water, gas and / or electricity meters to be taken.
  • the way in which the device stores and, in fact, is integrated into the counters can be in three different ways:
  • the device can be integrated into said meter.
  • Pulse signals collected by the device are filtered by hardware stages and / or by software algorithms.
  • One time processed by the microcontroller are stored in ferromagnetic type memory 2 (FRAM). This represents a technological advantage over known systems in terms of performance. Given that consumption data is critical data, FRAMs ensure that they can keep the data stored for 45 years without corrupting it.
  • FRAM ferromagnetic type memory 2
  • the device is a device powered, typically (and not limited to), by a large capacity battery 14 of 3.6V Lithium-Thionyl Chloride (Li-SOCb) that must ensure a service life of not less than 10 years.
  • Li-SOCb Lithium-Thionyl Chloride
  • the default state of the device for energy saving is in sleep mode (hibernation or rest).
  • the circuit receives the pulse of the meter because there is a consumption, an interruption is generated that causes the microcontroller to exit sleep mode and perform the tasks corresponding to the data processing algorithm.
  • the next step is to store the data in the FRAM memory, and return to sleep mode or state.
  • the device 100 will send the collected data to the concentrator device 200.
  • the device 100 can also operate by events, that is, asynchronously (p .ej. in the event of an alarm).
  • the sending of information is done through the radio frequency transceiver 1b (RF) tuned in the 2.4 GHz band (free use ISM band), and the antenna 6, which is of the fractal type, more efficient than those normally used in this type of applications.
  • RF radio frequency transceiver 1b
  • the communications protocol used is Zigbee, based on the IEEE 802.15.4 standard.
  • the output power of the equipment varies between -17 and +3 dBm, which means a theoretical coverage range of 200-300 m in the open field.
  • sixteen channels are available, the protocol being the one that manages which one is used depending on the level of interference that exists at the time of communication.
  • the information stored by the device 100 is periodically sent to the corresponding concentrator device 200. These time periods are configurable at all times. Its control is given by the integrated clock 3 that serves as a reference to the system. According to its programming, it sends an interruption to the microcontroller whenever it corresponds.
  • the device 100 who takes the initiative in the communication with respect to the concentrator device 200, this is bidirectional and the device 100 can be interrogated at any time by a concentrator device 200
  • AES Abstract Advanced Encryption Standard
  • the device implements software that manages all hardware operation.
  • This software corresponds to several, or all, layers of the Open Systems Interconnection reference model (OSI model) that are above the physical layer (PHY laye ⁇ and the medium access layer (MAC yesterday), which They are managed by the IEEE 802.15.4 standard (Zigbee).
  • OSI model Open Systems Interconnection reference model
  • PHY laye ⁇ physical layer
  • MAC yesterday medium access layer
  • Zigbee IEEE 802.15.4 standard
  • the concentrator device 200 has the software responsible for the data routing protocol between the storage device and the concentrator device, as well as the part responsible for the application. The operation of such software is described in more detail below.
  • the application consists of the following main points, which are not unique:
  • FRAM ferromagnetic memory
  • the counter device is an innovative product in itself at the hardware level by integrating the latest generation components and, normally, that are used in other types of applications but, integrated in a single design, allow excellent performance results and with A lower cost.
  • integrating a FRAM memory it is possible to add the integration of the microcontroller and the RF transceiver in a single module to obtain a smaller final circuit, as well as the use of a smaller and larger fractal antenna efficiency.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the concentrator device 200 according to an embodiment of the invention.
  • Said device comprises the following components:
  • a module 1 integrated with a microcontroller 1a and the RF transceiver 1b tuned in the 2.4 GHz band (free use ISM band). Module 1 also includes an integrated 1c with the physical address of the device (MAC address).
  • MAC address the physical address of the device
  • An integrated fractal 6 antenna for PCB typically for 2.4 GHz.
  • a battery 14 that feeds the circuit as a backup system before the possibility of falling of the other power systems.
  • a flash memory 19 for the storage of program data (operating system).
  • USB 21 connectors MiniOTG, Host, etc.
  • An Ethernet controller 22 with implementation of the PHY layers and
  • 200 can comprise controllers for communication by some of the following means: wireless USB, RS-232, RS-485, Wi-
  • Fi Bluetooth or, in general, any wired or wireless system that allows inter-connectivity between devices.
  • One or more Ethernet connectors 23 are provided.
  • Multi-card reader controller (not shown in Figure 3)
  • CF Compact Flash
  • MMC Multimedia Memory Card
  • PCMCIA PCI
  • any type of card that allows the integration of an external card to the original circuit (eg a Wi-Fl CF, a CF of GPS, etc.)
  • a clock (RTC) 24 as a time reference of the 32-bit microcontroller.
  • a quartz crystal 25 of the RTC of the microcontroller is A quartz crystal 25 of the RTC of the microcontroller.
  • An RF module of WiMax 26 The elements contained will depend on the State of the Art. They will typically be an integrated with the layers PHY and MAC 26a and an RF 26b transceiver tuned to free-use bands, with MIMO capability (Multiple Input Multiple Output).
  • the WiMax stage formed by elements 26,27 and 28 may consist of one or more integrated circuits, depending on the manufacturer or the state of the art at that time.
  • This section includes those elements that implement an increase in the spectral efficiency of the system, which apart from MIMO mentioned above, can be an AAS element (Adaptive Antenna System), or any other with the same purpose.
  • AAS element Adaptive Antenna System
  • a step 29 of regulation and filtering for the feeding of the circuit is
  • It can consist of an external power supply.
  • a connection to the electrical network 30 (low voltage network).
  • a power system 32 by means of a solar panel. It includes the collection system, the regulatory and filtering stage and the energy storage system.
  • the concentrator device 200 is an electronic hardware device that allows the consumption data from several storage devices 100 to be stored, allows the communication gateway to receive the data via Zigbee and send it via WiMax (protocol based on the IEEE 802.16 standard), as well as a gateway for integration with other devices (eg connection of the concentrator device 200 to a PC via USB).
  • WiMax protocol based on the IEEE 802.16 standard
  • the device 200 may have a simpler version for small installations, see villages of less than 1000 inhabitants. In this case you do not have WiMax connectivity and, in general, Its functionalities are smaller.
  • the function of the controller device 200 is to serve as a link between the storage devices 100 connected to the counters and a user device (eg a PC or a server PC). For this, it allows the reception of data through the Zigbee network, and the sending of the same through the WiMax network, or any existing standard connection system (eg USB, Ethernet, etc).
  • the firmware of the concentrator device 200 is updateable at any time, the update being carried out automatically when a new version exists, and without affecting the operation of the network.
  • the concentrator device 200 within the network, can act as a repeater device, or as a coordinating team.
  • its mission is to serve as a link between two points that by themselves do not have sufficient coverage to communicate.
  • its function is to act as the central node of the network and, as the name implies, to coordinate the communications that occur therein.
  • the installation of several devices 200 allows the creation of a meshed wireless network (mesh type). This means that, through a routing protocol, communications between devices are done intelligently. That is, discovering routes that allow the sending of information. Moreover, if the information was to be transmitted through a device 200 that does not work, the sending device automatically searches for another device through which the information passes.
  • meshed wireless network mesh type
  • WiMax Communications via WiMax (based on the IEEE 802.16 standard) are bidirectional. Typically, coverage distances cover tens of kilometers and bandwidth tens of Mbit / s, depending on the manufacturer and the state of the art.
  • WiMax allows to perform user authentication functions, data encryption, implements quality of service functions (QoS: Quality of Service), and another series of systems for security and network management.
  • QoS Quality of Service
  • the system object of this report represents the possibility for the Utilities to enter the telecommunications market with infrastructure costs well below normal. That is to say, it facilitates having a direct communication link with its clients to be able to provide value-added services such as Internet access, provision of television and radio channels, video on demand (VoD), IP telephony services (VoIP), etc.
  • value-added services such as Internet access, provision of television and radio channels, video on demand (VoD), IP telephony services (VoIP), etc.
  • the management software is a software tool that allows the configuration, supervision and management of the network. This management includes the processing of the consumption data received through the concentrator device 200 that acts as coordinator.
  • the typical installation of the management software is performed on a personal computer (PC) or on a server computer, depending on the characteristics of the installation and the amount of data to be treated.
  • PC personal computer
  • server computer depending on the characteristics of the installation and the amount of data to be treated.
  • the function of the management software is to serve as an interface between the installed system (the network infrastructure), the person in charge of the system (a technician or an operator), or another system (eg the billing software of another company) .
  • the management software can present an intuitive graphical interface to interact with a person, or simply be a software tool that links data between the system installed and another company's software.
  • the management software presents or can present the following functionalities:
  • GIS Geographic Information System
  • the visualization of the information can be through a desktop computer (eg a personal desktop computer) or any device, fixed or mobile, with Web connectivity.
  • a desktop computer eg a personal desktop computer
  • any device fixed or mobile, with Web connectivity.
  • the embedded software ⁇ firmware) in the equipment allows the system to operate.
  • the configuration module Due to its functionalities it can be divided into three parts, or modules, which are interrelated among them: the configuration module, the routing module and the application module (middlewaré).
  • the configuration module Due to its functionalities it can be divided into three parts, or modules, which are interrelated among them: the configuration module, the routing module and the application module (middlewaré).
  • Each storage device 100 comes from the factory with a unique number that identifies it (MAC address).
  • MAC address a unique number that identifies it
  • the device 100 begins to emit with a power of -3 dBm, requesting its adhesion to a network (to a concentrator device 200). If in this case, the device 100 does not detect any network, it follows a process of progressive increase of the emission power to a maximum of +3 dBm.
  • the storage device 100 Once the storage device 100 establishes a connection with the concentrator device 200, it proceeds to give it a logical address for its identification within the network, as well as the network's own identifier.
  • the concentrator device 200 is responsible for registering the storage devices 100 within the network. If in any case, a storage device 100 is removed from its location outside the coverage of the concentrator device 200, it is automatically discharged. This means that the network is self-managed.
  • the devices 200 execute a network algorithm that allows a frame sent by the storage device 100 to reach the concentrator device 200 that acts as the coordinator.
  • the optimal route is established as a higher quality, determined by the link quality parameter (LQI) and with the lowest possible number of hops.
  • LQI link quality parameter
  • it allows the frames of the storage devices 100 to choose alternative routes in case of anomalous operation (visibility of the network, congestion, etc.) of the link of some repeater.
  • the routing protocols used to implement the Zigbee network layer are based on reactive routing protocols, that is, the routes between source and destination are created when the frames are sent.
  • reactive routing protocols that is, the routes between source and destination are created when the frames are sent.
  • standard protocols AODV, LOAD, DSR, DYMO, etc.
  • the application layer saves the information of the devices and allows the link with the computer (or server) 300 located in the charging center.
  • the consumption data is stored according to a data structure in the storage devices 100. In this way they remain available in memory until they are sent to the corresponding controller device 200, and it is confirmed that the sending has not caused a corruption of said data. .
  • the equipment typically (and not limited to), will store the following information in one or more data structures:
  • the data structures are dynamic, with the purpose of transmitting the least amount of information necessary at all times.
  • the objective is to save as much as possible the energy consumed by the equipment.
  • the application software module allows updating the software firmware images of the equipment via radio. This is possible by directly accessing a team ('a jump'), or accessing it through other teams ('multisalto', multihopping).
  • the security in the data transfer is guaranteed through the use of error detection mechanisms (eg CRC), avoiding the corruption of the image to be recorded.
  • CRC error detection mechanisms
  • the communication between the controller devices 200 and the server 300 of The charging center is independent of the link between them (Ethernet, USB, etc.).
  • the control devices 200 have a storage system where the information of all the storage devices 100 that it manages is stored. Said storage system is highly optimized given the impossibility of forecasting the periodicity of the measurements to be performed. This may mean that there is a great deal of information in a short space of time.
  • middleware is used for communication between devices and database servers, but its function also involves the exchange of data between systems with different data structures (XML, Web Services, SOAP, etc.).

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Abstract

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
D E S C R I P C I Ó N
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La invención que se describe tiene su ámbito de aplicación en Ia lectura remota de contadores de agua, gas y electricidad.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Históricamente, Ia 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 Ia lectura, imposibilidad de acceso al contador por Ia ausencia del abonado, etc.
Los avances tecnológicos han supuesto que estas tareas puedan realizarse de una forma más automatizada, mediante Ia inclusión de sistemas vía radio para Ia lectura remota. Estas tecnologías inalámbricas pueden emitir en bandas de frecuencias de uso libre (p.ej. 868Mhz, 915Mhz) o en bandas donde Ia 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 Ia 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: Ia compañía telefónica.
En el caso de costes asociados a las comunicaciones vemos Ia solución de lnnovatec 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 Ia transmisión de los datos hasta Ia central usan tecnologías basadas en cables (p.ej. Ethernet, PSTN). Así aparece, por ejemplo, en Ia 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 Ia patente US 6,975,862 de Lucent Technologies Inc. 'Wireless telemetering access', se hace referencia a un sistema de carácter general para telemedida desde Ia 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 Ia central del proveedor se realiza vía telefónica, por Io 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 Ia 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 Ia contratación de un proveedor de servicios de telecomunicaciones (p.ej. compañía telefónica) ajeno a Ia instalación, quedando el mantenimiento del sistema en manos de un tercero, del cual dependen las comunicaciones.
Uno de los problemas principales para Ia 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, Ia restricción en el número de veces que se pueden comunicar los equipos que almacenan los consumos con Ia 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 Ia 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 Ia 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.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención resuelve los problemas anteriormente mencionados mediante el sistema inalámbrico de lectura remota de contadores según Ia reivindicación 1 y el método de lectura remota de contadores según Ia reivindicación 12 y el programa de ordenador según reivindicación 13. Las reivindicaciones dependientes recogen realizaciones preferidas de Ia invención.
Según Ia invención el grave problema del coste de Ia 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 Ia 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 Ia sociedad, sean o no clientes.
Otro punto destacable del sistema propuesto es que Ia red formada para Ia lectura remota tiene carácter privado. Esto es, los equipos pertenecen al proveedor de servicios {utility) que se gestiona su propia red, Ia cual dispone de sistema de autentificación y encriptación de los datos en toda Ia red. La importancia de este punto radica en que no existe dependencia en que un tercer agente proporcione el servicio de telecomunicaciones para que Ia comunicación sea posible (p.ej. proveedor de acceso a Internet, compañía telefónica para el envío de información por GPRS). Toda Ia gestión de datos permanecerá continuamente bajo el control de Ia 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, Ia cual permite que un dato pueda permanecer almacenado durante 45 años sin que exista corrupción del mismo. Otras funcionalidades consisten en Ia detección de anomalías en el funcionamiento (alarmas), como robo del equipo, sabotaje de los cables de comunicación, sabotaje del equipo, fugas, etc.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de Ia invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de Ia misma, se acompaña como parte integrante de esta descripción un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:
La Figura 1.- Muestra una instalación estándar del sistema según una realización de Ia presente invención.
La Figura 2.- Muestra un diagrama de bloques de un dispositivo de almacenamiento según una realización de Ia presente invención.
La Figura 3.- Muestra un diagrama de bloques de un dispositivo concentrador según una realización de Ia presente invención.
REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIÓN
A Ia vista de las figuras reseñadas, puede describirse aquí una realización práctica de Ia invención.
A Io 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 Ia posibilidad de que el elemento o concepto al que se refiere incluya elementos o etapas adicionales.
En el contexto de Ia presente invención, el término "red de banda estrecha" debe entenderse como una red que permite comunicaciones con una velocidad inferior a 0,5 Mbít/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. Descripción general del sistema seαún Ia invención
La figura 1 muestra una instalación estándar del sistema según una realización de Ia 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.
La topología mostrada en Ia 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/gafeway. 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 Ia 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 Ia 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 Ia vivienda, o edificio de viviendas. La red de banda ancha realizará el transporte de los datos recolectados en cada edificación hasta Ia central de tarificación.
Descripción del dispositivo de almacenamiento 100
La figura 2 muestra un diagrama de bloques del dispositivo de almacenamiento 100 según una realización de Ia 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 Ia 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 Ia salida de radio frecuencia (RF) del módulo y Ia antena.
Una antena integrada fractal 6 para PCB, típicamente para 2,4 GHz. Un primer relé {Reed switch, interruptor de lengüeta) 7 para Ia lectura de contadores con imán. Conectores 8, 9 de cuatro cables para Ia lectura de un emisor de pulsos externos, que permite Ia detección del corte de cable. medios de detección de movimiento del dispositivo 10, en forma de un segundo relé (TiIt switch) o un acelerómetro.
Medios de detección de Ia aplicación de un imán al equipo 11 en forma de un tercer relé (Reed switch, interruptor de lengüeta) para Ia detección de Ia aplicación de un imán al equipo.
Valor de tensión de referencia 12 para Ia medición de Ia batería.
Etapa de regulación y filtrado 13 para la alimentación del circuito.
Batería 14 que alimenta el circuito.
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 (os 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.
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-SOCb) 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 Ia memoria FRAM, y volver al modo o estado sleep.
En un funcionamiento sin incidencias, según un intervalo de tiempo prefijado durante Ia 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 Ia banda de los 2,4 GHz (banda ISM de uso libre), y de Ia 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, Io cual supone un rango de cobertura teórico de 200-300 m en campo abierto. Para Ia 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 Ia comunicación. Como se ha comentado anteriormente, Ia 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 Ia iniciativa en Ia 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 Ia seguridad es que todo el envío de Ia 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 layeή y Ia capa de acceso al medio (MAC ¡ayer), 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 Ia parte responsable de Ia 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 Ia lectura de los pulsos correspondientes a los consumos. Y también se encarga de Ia parte correspondiente al filtrado de Ia misma. Permite la monitorización del estado de Ia batería comparando el valor medido de Ia misma y un valor fijo establecido por hardware.
Permite Ia monitorización de Ia posición del equipo, detectando desplazamientos respecto el eje Y de más de 45°, con el fin de alertar sobre un posible robo del equipo.
Permite Ia monitorización del estado de un relé que detecta si alguien intenta sabotear el contador acercándole un imán.
Permite Ia monitorización del estado del cable de conexión entre un contador y Ia propia placa. De esta forma se detecta un intento de sabotaje por el corte del cable de transmisión de los pulsos.
Permite Ia identificación de fugas en Ia red.
Permite Ia identificación de cambios de sentido en el funcionamiento de contadores mecánicos.
En general, permite Ia gestión óptima, específica al circuito, del consumo de energía del mismo, en general, mediante algoritmos de gestión de Ia potencia de emisión y gestión de los modos de funcionamiento del microcontrolador.
Permite Ia escritura y lectura de los datos de consumo en una memoria ferromagnética (FRAM).
Permite Ia gestión de tiempos-mediante Ia escritura y lectura de un RTC.
Permite el corte de suministro mediante Ia actuación sobre una electro-válvula.
Permite Ia actualización del firmware del equipo vía inalámbrica y de forma automática.
Resulta evidente Ia 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, Ia 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 Ia ventaja ya comentada de integrar una memoria FRAM, cabe añadir Ia integración del microcontrolador y del transceptor de RF en un único módulo para obtener un circuito final más reducido, así como Ia utilización de una antena fractal de menor tamaño y mayor eficiencia.
Descripción del dispositivo concentrador 200
La figura 3 muestra un diagrama de bloques del dispositivo concentrador 200 según una realización de Ia invención. Dicho dispositivo comprende los siguientes componentes:
Un módulo 1 que lleva integrado un microcontrolador 1a y el transceptor RF 1b sintonizado en Ia banda de los 2,4 GHz (banda ISM de uso libre). El módulo 1 también comprende un integrado 1c con Ia 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 Ia salida de RF del módulo y Ia 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 Ia 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 Ia cobertura, respetando las leyes regulatorias de cada país.
Un microcontrolador 17 de 32 bits para Ia 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 (Expansión Bus Interíace, Interfaz de Bus de Expansión)
17d y un MCI (Media Control Interíace, 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 Ia 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. Alternativamente o adicionalmente el dispositivo concentrador
200 puede comprender controladores para Ia 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 Ia figura 3)
Compact Flash (CF), Multimedia Memory Card (MMC), PCMCIA, PCI o, en general, cualquier tipo de tarjeta que permita Ia integración de una tarjeta externa al circuito original (p.ej una CF de Wi-Fl, 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 (Múltiple Input Múltiple Output).
Una etapa adaptadora de impedancias 27 entre Ia salida de RF del módulo 26 y Ia 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 Ia eficiencia espectral del sistema, que aparte de MIMO arriba mencionado, pueden ser un elemento AAS (Adaptive Antenna System), o cualquier otro con Ia misma finalidad.
Una etapa 29 de regulación y filtrado para Ia alimentación del circuito.
Puede consistir en una fuente de alimentación externa.
Una conexión a Ia red eléctrica 30 (red de baja tensión).
Una conexión para Ia alimentación 31 del equipo por USB o PoE
(Power-over-Ethernef) .
Un sistema de alimentación 32 mediante una placa solar. Comprende el sistema de captación, Ia etapa reguladora y de filtraje y el sistema de almacenamiento de Ia energía.
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 Ia 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 Ia presente memoria se presenta en Ia figura 3 Ia versión completa del dispositivo concentrador 200.
La función del dispositivo controlador 200 es Ia 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 Ia recepción de datos a través de Ia red Zigbee, y el envío de los mismos a través de Ia 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 Ia actualización de forma automática cuando exista una nueva versión, y sin afectar al funcionamiento de Ia red.
El dispositivo concentrador 200, dentro de Ia red, puede actuar como equipo repetidor, o como equipo coordinador. En el primer caso, su misión es Ia 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 Ia de actuar de nodo central de Ia red y, como su nombre indica, de coordinar las comunicaciones que en ella se producen.
En definitiva, Ia 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 Ia información. Más aún, si Ia información se debía transmitir a través de un dispositivo 200 que no funciona, el equipo emisor busca automáticamente otro dispositivo por el que pasar Ia 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 Ia especificación IEEE 802.16d, es decir, sobre una red fija WiMax. Esto no exime de que en un futuro se implemente sobre Ia especificación IEEE 802.16e (aplicaciones móviles) ya que ésta es compatible con Ia anterior.
El uso de WiMax permite realizar funciones de autentificación de usuarios, Ia encriptación de los datos, implementa funciones de calidad de servicio (QoS: Quality of Service), y otra serie de sistemas para Ia seguridad y Ia gestión de Ia red.
El sistema objeto de Ia presente memoria representa Ia posibilidad para las Utilities de introducirse en el mercado de las telecomunicaciones con unos costes de infraestructura muy por debajo de Io 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.
Descripción del software de gestión
El software de gestión es una herramienta software que permite Ia configuración, Ia supervisión y Ia gestión de Ia 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 Ia instalación y de Ia cantidad de datos que se tengan que tratar.
La función del software de gestión es de servir de interfaz entre el sistema instalado (Ia 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 relaciónales
(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, n° de abonado, dirección, etc.
Visualización de alertas del sistema por activación de las alarmas de los AZM.
La visualización de Ia 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 Ia 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).
Descripción del firmware: configuración, enrutamiento v aplicación
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 (middlewaré).
MÓDULO DE CONFIGURACIÓN
Es el algoritmo dedicado a gestionar el proceso de dar de alta en Ia red los equipos nuevos.
Cada dispositivo de almacenamiento 100 viene de fábrica con un número único que Io identifica (dirección MAC). A Ia hora de realizar Ia 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 Ia 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 Ia red, así como el identificador propio de Ia red.
En definitiva, el dispositivo concentrador 200 es el encargado de dar de alta a los dispositivos de almacenamiento 100 dentro de Ia red. Si en algún caso, un dispositivo de almacenamiento 100 es retirado de su emplazamiento fuera de Ia cobertura del dispositivo concentrador 200, automáticamente es dado de baja. Esto significa que Ia red se autogestiona.
MÓDULO DE ENRUTAMIENTO
Es el algoritmo dedicado a gestionar las rutas de las comunicaciones dentro de Ia red. Esto es necesario debido a que los dispositivos de almacenamiento 100 tienen una cobertura limitada, al emitir con Ia menor potencia posible para ahorrar batería. Por ello, en ocasiones es necesaria Ia 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 Ia red. La ventaja de este sistema conlleva Ia 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 Ia 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 Ia red, congestión, etc.) del enlace de algún repetidor.
Los protocolos de enrutamiento utilizados para implementar Ia 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 Ia 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.
MÓDULO DE APLICACIÓN (middleware)
Por encima de Ia capa de red se sitúa Ia capa de aplicación, Ia cual guarda Ia información de los dispositivos y permite el enlace con el ordenador (o servidor) 300 situado en Ia 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 Ia 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 Ia red (routers).
Valor de la/s lectura/s.
Nivel de Ia batería.
Estado de los enlaces de red.
Alarmas de los equipos y/o del sistema.
Fecha del evento.
Versión del firmware.
Las estructuras de datos son dinámicas, con Ia finalidad de transmitir en todo momento Ia menor cantidad de información necesaria. El objetivo es ahorrar al máximo Ia energía consumida por el equipo.
El módulo software de aplicación permite Ia 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 Ia transferencia de datos está garantizada mediante Ia utilización de mecanismos de detección de errores (p.ej. CRC), evitando Ia corrupción de Ia imagen a grabar.
A través de este software de aplicación (en adelante middleware), Ia comunicación entre los dispositivos controladores 200 y el servidor 300 de Ia central de tarificación es independiente del enlace entre ellos (Ethernet, USB, etc.).
Los dispositivos controladores 200 tienen un sistema de almacenamiento donde se guarda Ia información de todos los dispositivos de almacenamiento 100 que gestiona. Dicho sistema de almacenamiento está altamente optimizado dada Ia imposibilidad de pronosticar Ia 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 Ia 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

R E I V I N D I C A C I O N E S
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 Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el sistema dispone de medios de encriptación de los datos.
3.- Sistema según Ia 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 Ia red de banda estrecha (500) funciona según el protocolo Zigbee.
5.- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque Ia 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 Ia 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 Ia reivindicación 12, cuando dicho programa se ejecuta en un procesador.
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