专利名称：一种用无线抄表终端网络传输数据的方法
技术领域：
本发明涉及智能抄表系统，尤其涉及一种用无线抄表终端网络实现数据传输 的方法。
背景技术：
随着人们的生活水平不断提高，老百姓对生活环境提出了更高的要求；在 政府政策的鼓舞下，家居智能化得到了高速的发展。作为智能化产业链中的一 环——智能抄表系统也同时得到了蓬勃发展。传统的手工抄表方式费时、费力， 准确性和及时性得不到保障，这已经不适应社会的发展需求了。这样也对抄表 提出了更高的要求，为此提出了远程抄表方案。目前远程抄表基本有两种数据 传输方式，有线数据传输和无线数据传输。如果用有线来传递数据，技术简单、 成熟，易于实现；但施工布线工作量大，网线易受人为破坏，线路损坏后，故 障点不易査找。如果使用无线系统，施工很简单，系统好维护，故障好查找， 因此无线抄表成为了抄表方式的发展主流。
在电池供电的无线水表中，表具设备的输出功率受低功耗设计限制、同时 也受国家无线电信号管制规定限制，因此很多时候不可能一次通过无线将数据 直接发送的数据终端，这样就需要一些中继设备，以接力的方式将数据一级级 的传递到数据终端。
然而在遇到某个区域装了中继后仍然有1个或很少几个表具无法将无线信 号覆盖到中继器的情况，通常是再加下一级中继器。但这时系统的成本就会增 加很多，并且由于多出了下一级设备，系统的可靠性下降，维护也复杂了。
发明内容
因此本发明提出一种用无线抄表终端网络传输数据的方法，它利用邻居表 具中继数据法，同时结合重传、补报，这样不仅节约了成本，而且提高系统的
4灵活性、可靠性。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种用无线抄表终 端网络传输数据的方法，利用由集中器和多个无线抄表终端组成的网络来传输 和中继数据，此方法包括以下步骤
组网步骤，其进一步包括
由该集中器发起组网，能和集中器直接通讯的水表标记自己为第一序列； 由第一序列的水表发起组网命令，不能和集中器直接通讯而能和至少一第
一序列的水表直接通讯的水表收到该组网命令后返回组网数据，并标记自己为
第二序列；以及
收到该组网数据的第一序列的水表将发送该组网数据的水表记入自身的 邻居表中；
上传步骤，其中各第一序列的水表直接向该集中器上传数据，各第二序列 的水表经其中一第一序列的水表向该集中器上传数据。
在上述的方法中，还包括由第二序列的水表发起组网命令，不能和第一序 列的水表直接通讯而能和至少一第二序列的水表直接通讯的水表收到该组网 命令后返回组网数据，并标记自己为第三序列；以及
收到该组网数据的第而序列的水表将发送该组网数据的水表记入自身的 邻居表中。
在上述的方法中，于一初始时刻进行所述组网步骤。 在上述的方法中，所述水表采用载波诊听技术发起组网命令。 在上述的方法中，能够和多个第一序列的水表直接通信的水表根据广播的
无线链路质量选择其中之一作为主要中继通路。
在上述的方法中，各水表在其分配的时间片启动并开始上传数据，并且具
有邻居表的水表在其各邻居表的时间片启动以中继数据。
在上述的方法中，所述上传数据的步骤包括发送数据；以及等待应答，
如果数据上报成功，则进入下一上报周期，如果没有收到应答，则进行至少一
次重报。
在上述的方法中，当重报的时间超过一预定时间时，则于一上报周期内所 分配的至少时间片进行补报。在上述的方法中，所述上传数据采用数据纠错编码和数据加密。 本发明由于采用以上技术方案，利用无线水表传输数据的方法利用无线水 表本身的组网来形成一个有效的中继网络，并结合重传、补报，数据纠错和加 密技术，使之与现有技术相比，不需要额外的中继设备来达成数据的中继，这 样不仅节约了成本，而且提高系统的灵活性、可靠性。
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发 明的具体实施方式
作详细说明，其中
图1示出根据本发明的无线水表网络架构图。
图2示出根据本发明的无线水表网络的组网流程图。
图3示出本发明的无线水表的重传、补报机制。
图4示出本发明的数据纠错和加密方法工作流程图。
图5示出本发明的无线数据传输端的数据帧格式。
图6示出本发明的时间片设置示意图。
具体实施例方式
本发明为了解决现有技术中中继设备设置复杂的问题而提出一种用无线 抄表终端网络传输数据的方法。它使用集中器和无线抄表终端本身来构成网 络，并形成有效的传输和中继机制。下面的实施例虽然是以无线水表为例说明， 但应当理解，这样的方法也可以适用于电表、燃气表等表具。
图1示出根据本发明的无线水表网络架构图的一个例子。请参照图1所示，
WIO、 Wll、 W12、 W20、 W21、 W30为无线水表，集中器J为收集水表数据 的中心接点。
在系统规划中，规划集中器管辖范围内的无线水表有WIO、 Wll、 W12 三只。图1中所示集中器J的信号覆盖区域为JO所圈区域。无线水表W10的 信号覆盖范围为AO所圈区域，无线水表Wll的信号覆盖范围为Al所圈区域， 无线水表W12的信号覆盖范围为A2所圈区域。无线水表W20的信号覆盖范 围为B0所圈区域，无线水表W21的信号覆盖范围为B1所圈区域。无线水表W30的信号覆盖范围为C0所圈区域。
集中器J可被无线水表WIO、 Wll、 W12的无线信号覆盖，而无线水表 W20、 W21、 W30的无线信号却无法覆盖到集中器J。但无线水表W10可以将 信号覆盖到无线水表W20、 W21，无线水表W30的信号也可以通过W20、 WIO 覆盖到集中器J。 W20、 W21、 W30就是邻居表具，这是数据无线的接力传递 的条件。
具备此条件后，本发明的方法是将无线水表W20、 W21做为无线水表W30 的中继使用，无线水表WIO作为无线水表W20、 W21、 W30的中继使用。下 面，参照图2所示来描述本发明的组网过程，
首先，于步骤101，在特定的时间，由集中器J发起组网，能和集中器J 直接通讯的水表Wlx (WIO、 Wll、 W12， x表示O、 1、 2)，标记自己的跳数 序号为1，即第一序列。
之后，于步骤102，跳数为1的Wlx的各个水表和集中器J的组网通讯完 成后，又以各自为组网发起者，发起组网。下面以无线水表W10为例进一步说 明这一过程。
于步骤102a，跳数序号为1的无线水表W10发起组网，采用CSMA (载 波诊听)技术，避免和无线水表Wll、 W12的组网冲突。具体做法是，无线水 表W10发送组网命令前，先诊听无线信道，如果信道空闲，无线水表W10发 起组网命令，由图1可知，和无线水表W10能够直接通讯的水表有Wll、 W12、 W20、 W21。
无线水表Wll、 W12的跳数和组网发起者无线水表W10的跳数相同，因 此对W10的组网命令不反应。
于步骤102b，无线水表W20、 W21由于没有收到集中器J的组网命令或 其跳数大于l，都会向W10返回组网数据，并将自己的跳数标记为2 (即第二 序列)；首先，无线水表W20收到无线水表W10的组网命令后，诊听无线信 道，如果信道空闲，则向无线水表W10返回组网数据，如果无线信道忙；则退 避一个随机时间后再诊听无线信道；如此循环到超时；无线水表W21的工作过 程和无线水表W20—样。
于步骤102c，无线水表W10收到了无线水表W20、无线水表W21返回的组网数据后，将无线水表W20、 W21添加到自己的邻居表。无线水表W10根 据自己的邻居表，决定何时唤醒自己，中继自身邻居表的数据。
于步骤103，无线水表W20、 W21、 30会各自发起组网。无线水表W20、 W21、 W30的组网过程同无线水表WIO，只是无线水表W20、 W21将自己的 跳数标记为2 (即第二序列)，W30将自己的跳数标记为3 (即第三序列)。 至此，组网过程完成。在有更多级中继(尽管一般而言这不利于系统稳定)的 情况下，以此类推。
对无线水表W30而言，无线水表W20、 W21都可作为无线水表W30的中 继，其中一个作为备用中继通路。选择的标准为广播的无线链路质量，比如无 线水表W20、 W21接收到无线水表W30返回的组网数据，分析无线水表W30 附加在组网数据中的无线链路质量指标(该指标由无线水表W30分析接收到的 无线信号质量得到)，如果返回给无线水表W20的无线链路质量指标高，则 W30->W20作为主要中继通路，W30-〉W21作为备用中继通路。
在组网完成后，下面参照图3来描述本发明的重传、补报机制。
采用重传、补报的方法运用在需要设定固定上报时间的时分无线抄表系统 中。本发明采用时间片的概念。在一个实施例中，抄表系统以1分30秒为单 位将每天24小时时间分为960个时间片，每只无线水表的系统时间只有落在 自己的时间片才能开始上报数据工作，这也是为低功耗设计考虑。
正常的工作为当上报日到来时，并且到达自己的时间片上时，无线水表开 始工作(步骤201)。进入正常上报过程(步骤202)，正常的上报过程为 数据打包(步骤203)，打开射频发送数据(步骤204)，然后等待应答(步 骤205)，如果数据成功上报(步骤206)，则无线水表进入下一上报周期(步 骤213)，然后关闭射频，进入休眠状态(214)。如果该水表的邻居表不为空， 则该水表在自己邻居表的时间片内也会开始工作(步骤201)，然后按照上述 的过程打开射频，中继邻居表的数据。
当遇到异常情况，上报数据后等待3S没有收到应答(步骤207)，无线水 表再重报一次(步骤208)，接着再等应答，直到90S的时间片用完结束(步骤 209)后进入下一状态。如果成功，则进入下一上报周期(步骤213)，如果不 成功并且还在上报周期内(步骤210)，则第二天同一时间片到时开始补报(步骤211)，如此循环，直到上报成功或超过上报周期(步骤212)，然后进入
下一次上报周期工作。
本发明进一步将数据的纠错和加密有机的结合在一起，实现了低成本和低 复杂度的高度安全的无线数据传输，该方法不但能高效的纠正随机错误和突发 错误，而且在纠错编码的同时，通过添加伪随机序列冗余代码和密钥管理，实 现了数据的加密，防止恶意的攻击和撰改数据，提高了远程无线抄表数据传输 的安全性。
图3示出本发明的数据纠错和加密方法工作流程图。参照图3所示，在无 线数据传输端进行无线数据传输时，先通过帐号和ID号的管理，根据协议将 有效的数据打包，组成一个数据帧。每数据帧包括前导、同步、帧头、数据段 和帧尾。帧结构的例子如图5所示。
同时将根据该帧数据生成的校验码附加在数据帧的尾部。获得完整的数据 帧后，将数据做巻积编码，之后根据密钥管理，将数据做变长处理(即添加伪 随机序列的冗余代码)，然后将数据做交织编码，送给无线发送模块将数据帧 发送。
在无线数据接收端，当无线接收模块接收到前导、同步帧和帧头帧尾后， 认为接收到了一帧数据，然后再验证数据帧的正确性。
先通过解交织译码数据帧，再根据密钥管理，将数据做变长处理，去除数 据段中的冗余代码。
然后，将去除冗余代码的数据做解交织译码，将获得的数据做检错处理， 校验数据段中的校验码，如果校验码正确，认为收到了一有效正确的数据帧。
最后对数据根据协议分析，如果唯一的ID标识号和设备本身的ID号一致， 认为是自己的数据，根据后继协议处理。
下面描述一个实际的数据上传的例子。
本实施例利用无线智能水表实现数据传输、中继。无线水表的硬件不需要 做任何改动，软件上采用协议判断算法，同时保证作为中继的无线水表与源数 据无线水表在同一时间片打开。
参照图l，在每日的0点，所有的水表都打开射频，由集中器J发起组网， 组网过程如前文所述。组网完成后，各个水表都标记了自己的跳数和邻居表列表。
当上报数据时，无线水表WIO、 Wll、 W12在自己的时间片上报数据，如 果上报不成功，会按照后面所述进行补报；如果集中器J接收到数据，会向无 线水表WIO、 Wll、 W12返回应答。
当无线水表W20上报时间到后，无线水表W20会打开射频诊听无线信道， 如果信道空闲，无线水表W20发送数据，此时，由于无线水表W10的邻居表 中有无线水表W20，所以无线水表W10在无线水表W20的上报时刻，射频也 是打开的；无线水表W10接收到无线水表W20的上报数据后，将数据暂存在 内存里，如果无线水表W10诊听到信道空闲，则将数据向外转发。集中器J 接收到无线水表W10转发的数据后返回应答，无线水表W10将应答转发给无 线水表W20，完成该次整个数据的中继转发；无线水表W20接收到无线水表 W10转发的集中器J的应答，则完成该次上报任务，关闭射频电路；如果没有 收到应答，重复上述过程。
设置本实施例的无线水表每1周(七天)为上报周期上报一次数据，上报 时间为每周六3点40分，时间片为120。
首先将所有时间转换为统一的单位S，根据时间片设置信息得出 120*90S=10800S ， 那么这只表的工作时间就为 3*3600+40*60+120*90=24000S=6点40分，位置如图6的时间片标志线所示。
当第一次上报周期开始时，即图6中的IO月7日6点40分，该无线水表 开始上报数据，如果上报成功，则下一上报时间为下个上报周期即IO月14日 6点40分。如果上报不成功，则等待3S重报一次，如果在90S内上报成功， 则进入下一上报周期即10月14日6点40分，如果还是不成功则在第二天的 这个时间(6点40分)补报，也以同样的机制工作，只不过数据包为补报数据 包，成功就进入下一上报周期10月14日6点40分，不成功就重报，重报还 不成功就在下一天补报。如此循环下去，直到下一周期10月14日6点40分 到来，进入新的一次上报周期。实际使用下来，如遇到环境干扰，补报、重报 是很有效果的。
综上所述，本发明的利用无线水表传输数据的方法利用无线水表本身的组 网来形成一个有效的中继网络，并结合重传、补报，数据纠错和加密技术，因
10此不需要额外的中继设备来达成数据的中继，这样不仅节约了成本，而且提高 系统的灵活性、可靠性。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善， 因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。
权利要求
1. 一种用无线抄表终端网络传输数据的方法，利用由集中器和多个无线抄表终端组成的网络来传输和中继数据，所述方法包括以下步骤组网步骤，其进一步包括由该集中器发起组网，能和集中器直接通讯的水表标记自己为第一序列；由第一序列的水表发起组网命令，不能和集中器直接通讯而能和至少一第一序列的水表直接通讯的水表收到该组网命令后返回组网数据，并标记自己为第二序列；以及收到该组网数据的第一序列的水表将发送该组网数据的水表记入自身的邻居表中；上传步骤，其中各第一序列的水表直接向该集中器上传数据，各第二序列的水表经其中一第一序列的水表向该集中器上传数据。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括由第二序列的水表发 起组网命令，不能和第一序列的水表直接通讯而能和至少一第二序列的水表直 接通讯的水表收到该组网命令后返回组网数据，并标记自己为第三序列；以及收到该组网数据的第而序列的水表将发送该组网数据的水表记入自身的 邻居表中。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，于一初始时刻进行所述 组网步骤。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水表采用载波诊听技术 发起组网命令。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，能够和多个第一序列的水表 直接通信的水表根据广播的无线链路质量选择其中之一作为主要中继通路。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中各水表在其分配的时间 片启动并开始上传数据，并且具有邻居表的水表在其各邻居表的时间片启动以 中继数据。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述上传数据的步骤包括发送数据；等待应答，如果数据上报成功，则进入下一上报周期，如果没有收到应答， 则进行至少一次重报。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，当重报的时间超过一预定时间时，则于一上报周期内所分配的至少时间片进行补报。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述上传数据采用数据纠错 编码和数据加密。
全文摘要
本发明涉及一种用无线抄表终端网络传输数据的方法，利用由集中器和多个无线抄表终端组成的网络来传输和中继数据，此方法包括组网步骤和上传步骤，其中组网步骤进一步包括，由集中器发起组网，能和集中器直接通讯的水表标记自己为第一序列；由第一序列的水表发起组网命令，不能和集中器直接通讯而能和第一序列的水表直接通讯的水表收到组网命令后返回组网数据，并标记自己为第二序列；收到组网数据的第一序列的水表将发送组网数据的水表记入自身的邻居表中。在上传步骤中，各第一序列的水表直接向集中器上传数据，各第二序列的水表经其中一第一序列的水表向集中器上传数据。因此，本方法不需要额外的中继设备来达成数据的中继。
文档编号H04L29/08GK101483665SQ20081020736
公开日2009年7月15日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者卫 丁, 茵 刘, 包一丰, 卜智勇, 周亚光, 李嘉蝉, 李银中, 王晓东, 赵玖德, 陈学泉, 鲍士荣 申请人:上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司;上海水务建设工程有限公司;上海瓦思达瑞信息科技有限公司