包括多个通信模块的系统中的无线电通信方法与流程

本发明涉及一种包括多个通信模块的系统中的无线电通信方法、以及相关联的无线电通信系统。

背景技术

本发明在于由通信模块执行的无线通信领域，尤其是在电气装置中，通信模块例如是用于测量电气装置的一个或多个物理量的模块。

存在适用于家庭网络的短程无线电通信协议，例如，蓝牙(商标)和zigbee。

多种通信模块(例如，电气测量传感器、温度或压力传感器)实施基于ieee802.15.4通信协议的zigbee协议。zigbee协议展现出将电力消耗减少至严格最小值的优点，同时允许低数据传输速率，然而其足以传输设施测量结果和控制数据。

zigbee绿色电力协议(zigbeegreenpowerprotocol)的目的是允许以进一步减少的电力消耗进行模块之间的通信。

例如，考虑用于监测和管理电气装置的系统，其包括多个通信模块，例如，根据zigbee绿色电力协议，每个通信模块适用于以双向方式与集线器设备通信，该集线器设备接收由多种模块传输的全部的测量信息并适用于将它们聚合以用于后续使用。从通信角度来看，每个通信模块是以集线器设备为中心的星形网络的节点。

在这样的通信网络中，出现的问题之一是确保每个通信节点可以发送无线电帧或消息，而没有与由其它节点发送的一个或多个其它无线电帧的干扰或冲突，以便确保足够的服务质量。

名称为tdma(指“时分多址”)的通信方案在于为每个节点分配周期性地重复的发送时间间隔。

形成通信网络的节点的每个通信模块拥有基于石英的内部时钟或由rc振荡器形成的内部时钟，并使用此内部时钟来调节消息发送。

然而，存在时间漂移的风险，该时间漂移导致与不同通信节点相关联的发送间隔的可能时间叠加。这种叠加导致冲突的风险，并因此导致一个或多个消息的丢失的风险。

而且，当使多个通信模块投入服务时，这样的方案需要特定的干预来排序时间间隔。

可以确保良好服务质量的传统的协议(aloha协议)在于由接收方节点执行确认消息(或ack)的传输，并且，在未接收到确认消息的情况下，发送方节点在重新发送初始消息之前等待随机时间。

一方面，当发送方节点是诸如传感器的通信测量模块时，它们不拥有足够的能量来保持永久或长时间接收，因此，接收中的监听时段(period)减少。

此外，更一般地，由于随机等待时间的选择，冲突的风险增加，因此通信系统不稳定。而且，每个节点找到适当的发送时间间隔所需的时间可能非常长，并且没有任何保证的上限。换句话说，系统收敛时间可能会较长。

技术实现要素：

本发明的目的是弥补现有技术的缺点，以便改善包括多个通信模块的通信系统中的服务质量。

为此目的，根据一个方面，本发明提出了一种包括多个通信模块的系统中的无线电通信方法，每个通信模块能够获得至少一个测量的物理值并且根据给定的无线电通信协议向集线器设备传输封装所述至少一个测量的物理值的消息，所述消息的发送在由开始时刻和结束时刻定义的通信时间间隔期间执行，等待时间将同一个通信模块的两个连续的通信时间间隔分隔开。该方法使得：对于多个通信模块中的每个通信模块，根据计数器计算等待时间，根据源自集线器设备的确认消息的接收更新所述通信模块。

有利地，通过在每个通信模块中使用计数器，本发明的方法使得可以降低不稳定性并获得更快的收敛。

根据本发明的无线电通信方法还可以展现出在下文独立地或根据所有技术上可接受的组合而取得的一个或多个特征。

计数器取等于预定最大值的初始值。

在消息发送和源自集线器设备的对应的确认消息的接收之后，计数器的值递减预定递减值。

在通信间隔期间在消息发送之后并且没有接收到源自集线器设备的确认消息的情况下，如果计数器的值严格小于预定最大值，则计数器的值递增预定递增值。

递减值与递增值不同。

在由通信模块发送消息以及接收源自集线器设备的对应的确认消息之后，该方法包括由所述接收方通信模块实施的从确认消息中提取要在接下来的发送期间应用的正或负的时间移位值δt的步骤。

如果计数器的值与预定最大值不同，则等待时间等于预定通信时段持续时间，或者，如果计数器的值等于预定最大值，则等待时间等于所述通信时段持续时间加上(increasedby)随机的附加持续时间。

该方法通过由给定频率的ac电压分布网络供电(supply)的每个通信模块来实施，并且还包括根据所述频率检测定时时段的步骤。

该方法包括：接收电源电压值；以及对于每个电压值，当所述值大于第一预定电压阈值或小于第二预定电压阈值时，增加同步计数器。

当同步计数器达到预定定时时段计数器值时，发送定时脉冲，所述定时脉冲用于确定通信模块的通信时间间隔的开始时刻。

根据另一方面，本发明涉及一种包括多个通信模块和集线器设备的无线电通信系统，每个通信模块能够获得至少一个测量的物理值并且根据给定的无线电通信协议向集线器设备传输封装所述至少一个测量的物理值的消息，所述消息的发送在由开始时刻和结束时刻定义的通信时间间隔期间执行，等待时间将同一个通信模块的两个连续的通信时间间隔分隔开。该系统使得：多个通信模块中的每个通信模块包括适用于根据计数器计算等待时间的单元，根据源自集线器设备的确认消息的接收来更新所述通信模块。

根据本发明的无线电通信系统还可以展现出在下文独立地或根据所有技术上可接受的组合而取得的一个或多个特征。

每个通信模块是用于测量电气装置的电气值的模块。

至少一个通信模块由给定频率的ac电压分布网络供电，并且由分布网络供电的每个通信模块根据所述频率实施对定时时段的检测，并且根据所述定时时段实施对通信时间间隔的开始时刻的确定。

至少一个通信模块适用于接收源自集线器设备的确认消息，并且从确认消息中提取要在由所述通信模块进行的接下来的发送期间应用的正或负的时间移位值δt。

根据另一方面，本发明涉及一种计算机程序，其包括用于当可编程设备的处理器运行程序时实施通信方法(诸如上文简要描述的)的步骤的指令。

附图说明

从下文参考附图通过完全非限制性的指示给出的对本发明的描述，将呈现本发明的其它特征和优点，其中：

图1示意性地表示根据本发明的无线电通信方法得到应用的星形通信系统；

图2示意性地图示通信时间间隔的周期性的有规律的(regular)分配；

图3示意性地图示通信时间间隔的冲突；

图4是根据一个实施例的由通信模块实施的通信方法的主要步骤的概要；

图5示意性地图示根据一个实施例的通信模块；

图6示意性地图示根据一个实施例的通信模块的同步的主要步骤；

图7示意性地图示根据ac电压的变量随时间的演变。

具体实施方式

图1示意性地图示实施根据本发明的通信方法的通信系统。

在该系统1中，多个通信模块m1至mn能够通过无线通信协议与集线器设备c通信。

例如，每个通信模块是测量模块，其适用于测量电气装置的电气量(例如，电流、电压)，并且传输根据给定通信协议格式化并封装测量的值的通信帧。

作为变型，系统1中存在其它类型的通信模块，例如，电流、能量、温度、湿度的传感器。当然，上面的列表并不详尽。

在一个实施例中，通信协议是zigbee绿色电力协议。

通信模块m1至mn中的每个通过传递由单相或三相电能提供网络提供的电能的供电电缆、或者通过自主电能源(例如，每通信模块一个单元)进行电供应。

在图1中未图示每个通信模块的相应电源。

系统1的通信模块的总数n是任意的，例如，等于20。

集线器设备c优选地布线以便由电能提供网络(图1中未示出)供电(supply)。

模块m1至mn中的每个包括无线电发送/接收单元101至10n，其适用于发送去往集线器设备c的消息tx，并接收源自集线器设备c的消息rx。

发送和接收的消息根据所选择的通信协议被格式化。

集线器设备c包括发送/接收单元12，其适用于根据所选择的通信协议与每个模块m1至mn的发送/接收单元中的每个通信。

从通信角度来看，系统1根据星形网络架构操作，其具有集线器设备c作为中央通信节点，每个通信模块形成星形通信网络的通信节点。

模块m1至mn中的每个还包括计算单元141至14n(例如，处理器)、以及数据存储单元161至16n。计算单元14i和存储单元16能够协作以实施包括使得可以执行根据本发明的通信方法的步骤的程序代码指令的计算机程序。因此，每个通信模块是适用于实施程序代码指令的可编程设备。

集线器设备c还包括计算单元18(例如，处理器)、以及数据存储单元20。计算单元18和存储单元20能够协作以实施使得可以执行根据本发明的通信方法的一个实施例的步骤的程序代码指令。

图2示意性地图示在诸如已知的时间轴上保留(reservation)每通信模块的通信时间间隔的原理。

对于每个持续时间时段δt，每个通信模块m1至mn被分配持续时间dt的通信时间间隔，其包括发送阶段，之后(具有可选的等待时间段)是接收阶段(也称为监听阶段)。

例如，持续时间dt为10到40毫秒的量级，并且时段δt为5秒的量级。

例如，在图2中已经表示了几个通信间隔：在第一发送时段期间用于通信模块m1的l1,1；在第二发送时段期间用于通信模块m1的l1,2；在第一发送时段期间用于通信模块m2的l2,1；在第二发送时段期间用于通信模块m2的l2,2；等等。

每个通信间隔具有开始时刻和结束时刻，其例如对于通信模块mn而被标注为tn,i和tn,f。

通信间隔有规律地分布在发送时段上，并且在时间上间隔开以便减少冲突的风险。在此示例中，相应的开始时刻和结束时刻有规律地分布。

图3图示与相应的通信模块m1和m2相关联的通信间隔的重叠。这样的重叠例如是由于通信模块的内部时钟的漂移导致的，并且导致分别由第一通信模块m1和由第二通信模块m2发送的消息之间的冲突或干扰的显著风险。在此情况下，发送的消息中至少一个冒着被破坏的风险并且因此无法使用。

很显然，通信模块总数n越增加，干扰的风险就越高。

传统上，集线器设备c在接收到未破坏的发送的消息的情况下经由发送/接收单元12向发送方通信模块发出(dispatch)确认消息(ack)。

如在介绍中所解释的，优选地，通信模块的监听时段是有限的，以便避免过度显著的能量消耗。

在未接收到与发送的消息有关的确认消息的情况下，已知方案在于等待随机时间并返回此消息。定义多种通信模块的通信间隔的发送的开始时刻和结束时刻不再是在时间上周期性的。这样的方案可能导致新的冲突，并且不能保证在成功的消息发出之前的最大等待时间。

图4是本发明的实施例中的包括多个通信模块的系统中的无线电通信方法的实施例的概要。

该方法由所考虑的系统的每个通信模块m1至mn来实施。

此方法使得可以管理通信间隔的选择，以便减少冲突的风险，同时保证通信模块在给定的最大时间内发出消息。

第一步骤30在于向实施该方法的当前通信模块mk供电。

步骤30之后是步骤32：将通过变量counter实施的计数器初始化为预定最大值maxcnt(例如，等于10)。该值maxcnt例如根据对于每个通信模块的关于最大通信时间的占用率，可被调整为任何为了使系统稳定而被选择的正整数值。

例如，根据通信模块的数目n和通信时段的持续时间δt选择maxcnt值。

在比较的步骤34期间，将变量counter的值与预定值maxcnt比较，并且确定变量counter是否不同于预定最大值maxcnt。

在不同的情况下，比较步骤34之后是步骤36：将表示在与当前通信模块mk相关联的下个通信间隔的开始时刻之前的附加等待时间的变量jitter设置为零。

在变量counter与预定值maxcnt的值之间相等的情况下，比较的步骤34之后是步骤38：其中将表示在与当前通信模块mk相关联的下个通信间隔的开始时刻之前的附加等待时间的变量jitter设置为介于0与δt之间的随机值。应用随机分布定律(law)，例如，在区间[0，δt]上均匀(uniform)的定律。

此后，在为当前通信模块确定在下个通信间隔的开始时刻之前的等待时间attk的步骤40中，应用以下计算公式：

attk＝δt+jitter

确定等待时间attk的步骤40之后是有效等待步骤42，其持续时间等于确定的等待时间attk。

此后，通信模块mk在预定持续时间dt的通信时间间隔内进入发送和接收通信阶段44。

例如，在实施例中，当前通信模块mk使用zigbee绿色电力协议通过点对点通信发送去往集线器设备的包含关于电流和/或电压的测量的信息的消息，然后等待源自集线器设备的确认消息ack。

在标称(nominal)操作下，在持续时间dt的时间间隔内，当前通信模块发送消息，等待并接收与所发送的消息有关的确认消息。

很明显，可以在设想的通信时间间隔期间发出几个消息。

在接下来的确认验证的步骤46中，验证是否已经接收到确认消息或设想的每个确认消息。

因此，在肯定验证的情况下，如果无线电通信已经操作，则步骤46之后是比较的步骤48，其使得可以验证变量counter的值是否大于零。

如果变量counter的值严格大于零，则步骤48之后是步骤50：将变量counter递减预定整数递减值dec。例如，值dec等于1。

在步骤50之后，该方法返回到先前描述的步骤34。

如果变量counter的值等于0，则其保持不变，并且步骤48之后是先前描述的步骤34。

在接收确认验证步骤46中的否定验证的情况下，因此，在冲突或干扰的情况下，步骤46之后是步骤52：将变量counter的值与预定最大值maxcnt比较，以便确定变量counter的值是否严格小于maxcnt。

如果变量counter的值严格小于预定值maxcnt，那么比较步骤52之后是步骤54：将变量counter的值递增预定递增值inc。例如，inc＝2。

优选地，递增值inc与递减值dec不同，以便使得变量counter的值根据接收或未接收确认消息而以不对称方式演变。

有利地，这使得可以避免保持在非连续循环冲突的情形下，例如，在每两个时段发生碰撞的情况下。

在有利的实施例中，递增值大于递减值。

步骤54之后是先前描述的步骤34。

如果变量counter的值等于预定值maxcnt，那么步骤52之后是先前描述的步骤34。因此，如果当前通信模块未接收到任何响应于第一消息的发出的确认，则变量counter的值保持不变。

通过应用上文描述的方法，一旦变量counter的值不同于预定最大值maxcnt，当前通信模块的等待时间被选择为等于时段δt，而不增加附加随机等待时间jitter。

有利地，上文在其一个实施例中描述的方法使得可以一旦多个通信模块被安装就初始化包括所述多个通信模块的系统，而当节点投入使用时没有任何确定与每个所述节点相关联的通信间隔的预先阶段。

实际上，所提出的通信方法允许自动收敛，每个通信模块适用于找到无冲突的通信时间间隔。

有利地，在接收成功的情况下，周期性地重复时间间隔，两个时间间隔之间的等待时间等于δt。

为了进一步改善通信模块之间的通信、同时在每个通信模块上限制监听确认消息的持续时间，在本发明的实施例中，对于由电能提供网络进行电供应的每个通信模块，提出根据此网络提供的ac电流的频率来调节消息的发送，以便减少时间漂移的风险。

图5示意性地图示通信模块mk的一部分，其经由传输总线60连接到在一个或多个相导体上提供ac电压的电能供应网络r。供应网络因此是单相或三相。

模块mk包括用于输入由网络提供的ac电压(例如，50hz的电压)的单元62k、以及用于供应网络的仅一个相的模数转换的单元64k。

例如，当供应网络为单相时，选择单个电压相作为参考电压。

当供应网络是包括三个相导体和一中性导体的三相时，选择被标注为v1的第一相的电压作为参考电压。替代地，使用第二相或第三相的电压。

模数转换单元64k将数字电压样本v1提供给定时时段检测单元66k，其适用于执行计算并将定时脉冲68发出到无线电发送/接收单元10k。

例如，对于50hz的供应网络频率，每10ms发送一定时脉冲68。

第一上限电压阈值vmax和第二下限电压阈值vmin被预先提供并存储。

第一电压阈值vmax是正值，并且第二电压阈值vmin是负值。例如，这些值介于-80v和+80v之间。在一个实施例中，vmin＝-vmax。

有利地，将相同的电压阈值vmax和vmin存储在系统1的每个通信模块m1至mn中，以便确保这些模块之间的同步。

图6是在实施例中由定时时段检测单元实施的主要计算步骤的概要。

在第一初始化步骤70期间，同步计数器countersync被初始化为零，并且称为waspositive和wasnegative的两个布尔状态变量被初始化为假(false)。

在电压采样接收步骤72中，接收电压值v。

在比较步骤74中将电压值v与第一上限电压阈值vmax比较。如果v大于vmax，则步骤74之后是将布尔变量waspositive设置为真(true)的步骤76。

步骤76之后是步骤78：其中验证布尔变量wasnegative是否等于真(true)。在步骤78中的肯定比较的情况下，此步骤之后是步骤80：其中布尔变量wasnegative被设置为false并且同步计数器countersync增加1。

在步骤78中的否定比较的情况下，此步骤之后是先前描述的步骤72。

如果电压值v小于vmax，则步骤74之后是将电压v与第二下限电压阈值vmin比较的步骤82。

如果v大于vmin，则步骤82之后是先前描述的步骤72。

如果v小于vmin，则步骤82之后是将布尔变量wasnegative设置为真(true)的步骤84。

步骤84之后是步骤86：其中验证布尔变量waspositive是否等于真(true)。在步骤86中的肯定比较的情况下，此步骤之后是步骤88：其中布尔变量waspositive被设置为假(false)并且同步计数器countersync增加1。

在步骤86中的否定比较的情况下，此步骤之后是先前描述的步骤72。

相应的步骤80和88之后是同步计数器与定时时段计数器值cp的比较90，该定时时段计数器值cp表示状态的值相对于定义发送时段的上限和下限电压阈值的变化次数。

定时时段计数器值是预定的，例如，大于10，优选地等于500。

如果在比较步骤90中，同步计数器大于或等于定时时段计数器值cp，则在步骤92中发送定时脉冲，并且在步骤94中将同步计数器复位为零。否则，步骤90之后是先前描述的步骤72。

步骤94之后是先前描述的步骤72。

很明显，可以想到定时时段检测单元的实施方式的各种变型。

应注意，参考图6描述的同步方法被应用以便限制时间时钟漂移，并且使得可以改善由集线器设备和通信模块形成的通信网络。无论用于选择与每个通信模块相关联的通信时间间隔的方案如何，改善都是有效的。

图7示意性地图示第一图g1中根据时间的所选择的电压的演变、以及第一电压阈值vmax和第二电压阈值vmin。

在图g1下方表示两个图g2和g3，其表示在几个时间子时段上根据时间的布尔变量waspositive和wasnegative的值。

最后，最后的图g4表示对应于每个子时段的同步计数器countersync的值。

图g1至g4关于在图7的示例中包括五个子时段sp1至sp5的横坐标轴(时间轴)对齐，同步计数器在每个子时段增加，每个子时段对应于电压信号的状态相对于电压阈值vmax和vmin的变化。

有利地，每个通信模块基于从供应网络获得的同一个电压值来实施这种定时时段检测单元，由此使得可以同步通信模块并限制时钟漂移。

此外，有利地，对于由分配网络供电的每个通信模块，这种单元的实施使得即使在集线器设备停止的情况下也可以维持通信模块的同步。

然而，在某些装置中，通信模块的全部或一些不由供电网络供电，但是这些模块包括自主电源。

在此情况下，作为替代，设想将同步或重新同步信息发出到基于集线器设备连接的通信模块。

在此替代实施例中，集线器设备使用与每个通信模块的双向通信。

集线器设备使用其自己的内部时钟或外部时钟来在接收到源自给定通信模块mk的消息时计算要由通信模块mk在接下来的发送期间应用的正或负的时间移位δt。

优选在包含接收的确认ack的消息中，集线器设备向通信模块发出时间移位，其具有相关联的符号以指示其是领先还是滞后。

接收方通信模块mk然后能够从接收的消息中提取此时间移位信息并存储它，以便在接下来的发送期间应用所指示的时间移位。

这是一种具有星形拓扑的网络中的主从同步的方法，主设备是集线器设备。

此外，通过发出要应用的时间移位δt的此相同方法，集线器设备可以发出指令，用以以将相关的测量信息的发送在时间上分组在一起的这样的方式，重新排列与通信模块相关联的通信时间间隔的顺序。例如，在应用中，将由第一模块传送的关于电流的信息项和由第二模块传送的关于温度的信息项分组在一起是有益的，对应的测量基本上同时执行，以便以几毫秒的间隔获得这些相关的信息项。

在另一个实施例中，通信系统的某些通信模块由自主能源供电，并且其它模块由电能供应网络供电。在此实施例中，将上文描述的本发明的多种实施例组合，以便允许每个通信模块确定优化的通信间隔以避免可能的冲突或干扰。