无线自组网水表抄表系统和抄表方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线自组网水表抄表系统采用无线集中器、路由节点和水表节点组成的三层网络结构，同时，公开了一种抄表方法，通过利用路由节点对水表节点的获取和数据转发，有效规避水表节点做路由方案中，各水表节点耗电不均的情况；兼具异步网络和同步网络的优点，能够实现同步网络的快速抄表和迅速响应，能够实现异步网络的极低功耗休眠同时规避了异步网络抄表速度慢的缺点。
【专利说明】
无线自组网水表抄表系统和抄表方法
技术领域
[0001]本发明属于水表抄表领域，尤其涉及一种无线自组网水表抄表系统和抄表方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中的水表抄表系统常采用两层网络结构，即集中器+节点，节点兼做路由的网络在工作时，由于哪个节点作为路由是不可控的，而作为路由的耗电量相对于普通节点要大很多，这样就会造成做路由的节点和普通节点之间的耗电不均。
[0003]路由转发水表数据有两种方式，一种为异步网络，一种为同步网络，如图1所示，异步网络在抄表时，需要发送一串唤醒码，唤醒码时长要大于图中的T_listening(Listeningtime si ice )+T_sleep( Sleep time slice)，一旦节点在侦听时间内收到唤醒码则需要一直在接收模式下，直至接收完成，而在接收模式下的功耗很大，平均唤醒后接收时长为T_listening/2+T_sleep+T_data(数据长度)；而同步网络相对来说功耗就小的多，其平均唤醒接收时长为T_Sleep+T_data，因此，同步网络相较于异步网络在抄表速度和抄表功耗上都有很大的优势;然而单纯采用同步网络，由于终端的RTC晶振精度等问题，需要频繁的发送同步帧进行网络同步，以防止失步造成的数据通信失败。
[0004]现有技术中各水表节点在收到抄表命令后采用随机时隙发送数据，其内部的随机数生成程序先生成一个随机时隙，其范围小于最大时隙允许范围，其后节点进入休眠，等待发送时隙到来将信息进行发送，由于时隙为随机生成，存在一定的碰撞概率，因此采用多次重发的机制，即节点未收到正确的应答，将重新生成下一个发送时隙，如此往复，直到收到正确的应答信号或者达到最大重发次数限制。这样的抄表方式碰撞率高，直接导致抄表效率低的问题。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无线自组网水表抄表系统和抄表方法，采用三层网络结构，采用固定路由，能够提高网络整体的可靠性。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明中的无线自组网水表抄表系统，包括:无线集中器、路由节点和水表节点，水表节点分布在用户端，各水表节点一方面直接与无线集中器连接，另一方面通过路由节点与无线集中器进行连接;所述无线集中器用于远程获取水表节点的水表数值;所述水表节点用于直接或间接向无线集中器发送水表数值;所述路由节点用于转发水表节点的水表数值。
[0007]其中，所述无线集中器包括存储单元、数据处理单元、数据发送单元和数据接收单元，所述存储单元用于存储系统中各路由节点和水表节点的信息，路由节点的信息包括物理地址和无线集中器为其分配的IP地址，水表节点的信息包括物理地址、水表数值和无线集中器为其分配的IP地址;所述数据处理单元用于为系统中路由节点和水表节点分配IP地址，每个节点的IP地址唯一;所述数据发送单元用于向各节点发送唤醒命令或应答信号，无线集中器通过向与其连接的各节点发送唤醒命令来获取各节点的物理地址，并在应答信号中发送为各节点分配IP地址;所述数据接收单元用于接收各节点发送的信息。
[0008]其中，所述水表节点包括抄表单元、存储单元、数据发送单元和数据接收单元，所述抄表单元用于获取用户的水流量并形成水表数值;所述存储单元用于存储无线集中器为该水表节点所分配的IP地址;所述数据发送单元用于发送该水表的物理地址和水表数值；所述数据接收单元用于接收无线集中器发送的唤醒命令、应答信号，以及路由节点发送的广播命令和转发无线集中器的应答信号。
[0009]其中，所述路由节点包括数据发送单元和数据接收单元，数据发送单元用于向无线集中器发送自身的物理地址，以及在系统中发送广播命令来获取无线集中器未直接获取到的节点信息并通过自身IP地址转发这些节点信息;数据接收单元用于接收各节点发送的应答信号，以及向各节点转发无线集中器所分配的IP地址。
[0010]相应地，本发明还公开了一种无线自组网水表抄表方法，该方法包括以下步骤:
[0011]步骤1:无线集中器为直接获取到的路由节点和水表节点进行IP地址的分配，并存储相应的节点信息；
[0012]步骤2:无线集中器通过已知路由节点为未知节点分配IP地址，所述已知路由节点是指无线集中器中已经存储了物理地址和IP地址的路由节点，所述未知节点包括无线集中器中尚未存储物理地址和IP地址的路由节点和水表节点；
[0013]步骤3:各水表节点通过自身IP地址直接或间接向无线集中器发送水表数值。
[0014]其中，步骤I中无线集中器为直接获取到的路由节点和水表节点分配IP地址，包括以下步骤:
[0015](I)无线集中器向与其连接的各节点发送唤醒命令；
[0016](2)路由节点在接收到唤醒命令后，向无线集中器发送第一应答信号，路由节点的第一应答信号包含了自身的物理地址;各水表节点在接收到唤醒命令后，向无线集中器发送第一应答信号，水表节点的第一应答信号包含了自身的物理地址和水表数值；
[0017](3)无线集中器判断接收到的第一应答信号中包含的物理地址是否已经分配IP地址，若无则为接收到的路由节点和水表节点分别分配IP地址，向接收到的路由节点和水表节点发送第二应答信号，在所述第二应答信号中包含有为这些节点分配的IP地址；
[0018](4)接收到第二应答信号的路由节点和水表节点存储无线集中器为自身分配的IP地址，并向无线集中器发送第三应答信号；
[0019](5)无线集中器接收第三应答信号，将获取到的路由节点的物理地址和IP地址进行存储;将获取到的水表节点的物理地址、IP地址和水表数值进行存储；
[0020]反复执行上述步骤(I)至(5)，直至完成预先设置的执行次数。
[0021]其中，无线集中器通过已知路由节点为未知节点分配IP地址，包括以下步骤:
[0022](I)各已知路由节点在系统中发送广播命令；
[0023](2)系统中的各节点接收到广播命令后，若自身未存储IP地址，即确定自身为未知节点，则向各已知路由节点发送第一应答信号，未知路由节点的第一应答信号中包括了自身的物理地址，水表节点的第一应答信号包含了自身的物理地址和水表数值；
[0024](3)各已知路由节点将接收到未知路由节点和未知水表节点的信息通过自身的IP地址传送给无线集中器；
[0025](4)无线集中器将已知路由节点转发来的各未知节点信息进行存储，并为这些未知节点分配IP地址，建立路由列表信息，所述路由列表信息记录了路由节点的转发过程；
[0026](5)各已知路由器按照路由列表信息为其获取的各未知节点转发无线集中器分配的IP地址；
[0027](6)各未知节点在收到已知路由转发的IP地址后，进行存储；
[0028]反复执行上述步骤(I)至(6)，直至完成预先设置的执行次数。
[0029]有益效果:本发明中的无线自组网水表抄表系统采用无线集中器、路由节点和水表节点三层网络结构，由于路由节点是固定的，使用时可以针对路由节点耗电大的特点，在路由节点上采用容量更大的电池，这样网络整体的可靠性会大大提高;本发明中的网络结构采用同步和异步相结合的抄表方式，开始抄表前全网络进行一次异步唤醒，同时同步所有节点和路由，后续的数据传输采用同步模式;相应地，本发明的抄表方法采用多次重发，三次握手，确保通信成功率;进一步加入动态IP分配算法，集中器给节点应答的同时会分配一个IP地址，以后抄表时，节点只需根据自己的IP地址来生成发送时隙，由于在同一个网络中IP地址是不重复的，因此发生碰撞的概率将会极低，因此重复的次数也会很少，并且不会有空时隙的存在，这样优化了通信成功率和通信速度，提升了信道利用率。
【附图说明】
[0030]图1是现有技术中异步抄表网络的数据传输时隙图；
[0031]图2是本发明中无线自组网水表抄表系统的结构示意图；
[0032]图3是本发明中无线自组网水表抄表方法的流程图；
[0033]图4为路由列表框架示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0035]图2中的无线自组网水表抄表系统，包括无线集中器、路由节点和水表节点，水表节点分布在用户端，各水表节点一方面直接与无线集中器连接，另一方面通过路由节点与无线集中器进行连接;所述无线集中器用于远程获取水表节点的水表数值;所述水表节点用于直接或间接向无线集中器发送水表数值;所述路由节点用于转发水表节点的水表数值;该抄表系统中任意节点之间都存在物理连接，只是最终形成的数据传输网络需要通过无线集中器直接或间接获取各节点信息建立连接。
[0036]无线集中器包括存储单元、数据处理单元、数据发送单元和数据接收单元，所述存储单元用于存储系统中路由节点和水表节点的信息，路由节点的信息包括物理地址和无线集中器为其分配的IP地址，水表节点的信息包括物理地址、水表数值和无线集中器为其分配的IP地址;所述数据处理单元用于为系统中路由节点和水表节点分配IP地址，每个节点的IP地址唯一;所述数据发送单元用于向各节点发送唤醒命令或应答信号，无线集中器通过向与其连接的各节点发送唤醒命令来获取各节点的物理地址，并在应答信号中发送为各节点分配IP地址;所述数据接收单元用于接收各节点发送的信息。所述水表节点包括抄表单元、存储单元、数据发送单元和数据接收单元，所述抄表单元用于获取用户的水流量并形成水表数值;所述存储单元用于存储无线集中器为该水表节点所分配的IP地址;所述数据发送单元用于发送该水表的物理地址和水表数值;所述数据接收单元用于接收无线集中器发送的唤醒命令、应答信号，以及路由节点发送的广播命令和转发的应答信号。所述路由节点包括数据发送单元和数据接收单元，数据发送单元用于向无线集中器发送自身的物理地址和获取到的各节点的信息，以及在系统中发送广播命令来获取无线集中器未直接获取到的节点信息;数据接收单元用于接收各节点发送的应答信号，以及向各节点转发无线集中器所分配的IP地址。
[0037]本发明针对上述无线自组网水表抄表系统提供了一种抄表方法，如图3所示，该抄表方法包括以下步骤:
[0038]步骤1:无线集中器为直接获取到的路由节点和水表节点进行IP地址的分配，具体包括以下步骤:
[0039](I)无线集中器向与其连接的各节点发送唤醒命令，该步骤在唤醒所有路由节点和水表节点的同时，将无线集中器、路由节点、水表节点进行同步；
[0040](2)路由节点在接收到唤醒命令后，向无线集中器发送第一应答信号，路由节点的第一应答信号包含了自身的物理地址;各水表节点在接收到唤醒命令后，向无线集中器发送第一应答信号，水表节点的第一应答信号包含了自身的物理地址和水表数值；
[0041](3)无线集中器利用接收到的第一应答信号中包含的物理地址来检查该物理地址是否已经分配IP地址，若无则为接收到的路由节点和水表节点分别分配IP地址，向接收到的路由节点和水表节点发送第二应答信号，在所述第二应答信号中包含有为这些节点分配的IP地址；
[0042](4)接收到第二应答信号的路由节点和水表节点存储无线集中器为自身分配的IP地址，并向无线集中器发送第三应答信号；
[0043](5)无线集中器将接收到的路由节点的物理地址和IP地址进行存储;将接收到的水表节点的物理地址、IP地址和水表数值进行存储；
[0044]反复执行上述步骤(I)至(5)，直至完成预先设置的执行次数，所述执行次数根据系统中水表节点的个数以及距离无线集中器的距离来进行设置。
[0045]为了便于描述，对于无线集中器中已经存储了物理地址和IP地址的节点称为已知节点，没有存储的称为未知节点。
[0046]步骤2:无线集中器通过已知路由节点为未能直接获取到的未知路由节点和水表节点分配IP地址，具体包括以下步骤:
[0047](I)各已知路由节点在系统中发送广播命令；
[0048](2)系统中的各节点接收到广播命令后，若自身未存储IP地址，即确定自身为未知节点，则向各已知路由节点发送第一应答信号，未知路由节点的第一应答信号中包括了自身的物理地址，水表节点的第一应答信号包含了自身的物理地址和水表数值；
[0049](3)各已知路由节点将接收到未知路由节点和未知水表节点的信息通过自身的IP地址传送给无线集中器；
[0050](4)无线集中器将已知路由节点转发来的各未知节点信息进行存储，并为这些未知节点分配IP地址，建立路由列表信息，所述路由列表信息记录了路由节点的转发过程；
[0051](5)各已知路由器按照路由列表信息为其获取的各未知节点转发无线集中器分配的IP地址；
[0052](6)各未知节点在收到已知路由转发的IP地址后，进行存储；
[0053]反复执行上述步骤(I)至(6)，直至完成预先设置的执行次数。
[0054]步骤3:经过步骤I和步骤2的节点获取，无线集中器中已经存储了各路由节点和水表节点的信息，后续抄表时，各水表节点通过自身IP地址并结合路由列表信息向无线集中器发送水表数值。
[0055]本发明中以图4为例说明已知路由节点获取未知节点的过程，相应内容以路由列表信息存储在无线集中器，如图4所示，路由节点I为无线集中器直接获取到的路由，其余路由节点为无线集中器未直接获取到的路由，即未知路由，路由节点I获取到路由节点2和水表节点3后并向无线集中器进行转发，无线集中器记录路由节点I与路由节点2、水表节点3之间的获取关系，形成路由列表，并为路由节点2和水表节点3分配IP地址，使其成为已知节点，无线集中器在为路由节点2和水表节点3分配IP地址的时候涉及两个因素，一是IP地址的唯一分配，二是路由列表记录的转发关系;路由节点2和水表节点3获取无线集中器为其分配的IP地址需要经过路由节点I的转发。在后续执行步骤(I)至(6)的过程中，路由节点2获取到了水表节点4和路由节点5，路由节点2利用自身的IP地址通过路由节点I的转发向无线集中器发送获取到的节点信息，无线集中器进行路由列表的更新，此时的路由列表中便记录了路由节点I至路由节点5之间的获取关系;水表节点4和路由节点5获取无线集中器为其分配的IP地址需要经过路由节点I和路由节点2的相继转发。在后续执行步骤(I)至(6)的过程中，路由节点5又获取到了路由节点6和水表节点7，但路由节点6未在获取到新的未知节点，路由列表的更新至此;水表节点7和路由节点6获取无线集中器为其分配的IP地址需要依次经过路由节点1、路由节点2和路由节点5的相继转发。
[0056]对于无线集中器直接可以获取到的水表节点，其可以直接通过自身IP地址向无线集中器发送水表数值;而对于无法直接向无线集中器发送水表数值的水表节点需要经过路由节点的转发，其向无线集中器发送水表数值的转发过程与其获取自身IP的转发过程是相反的，例如，对于上述水表节点3向无线集中器发送其水表数值时则需要经过路由节点I的转发，同理，水表节点4向无线集中器发送其水表数值时则需要依次经过路由节点2和路由节点I的相继转发;水表节点7向无线集中器发送其水表数值时需要依次经过路由节点5、路由节点2和路由节点I的相继转发。
[0057]上述过程中已经分配IP地址的路由节点即已知路由节点可以在抄表时用于数据转发，而已知水表节点不负责数据转发，仅采用路由节点进行数据转发，使用时便可以针对路由节点耗电大的特点，在路由节点上采用容量更大的电池，这样网络整体的可靠性会大大提尚O
[0058]本发明中的无线自组网水表抄表系统采用路由节点进行节点获取和数据转发，可以随抄随组，网络中添加删除路由节点和水表节点时，系统均能快速识别，不需要人为干预，同时多径的路由设计使得系统在每次抄表时总能选择到信号最优的路径，大大提高了一次抄表的成功率。
[0059]另外，本发明中的无线集中器还可以根据用户的设定，在预设的时间点对水表节点进行定时抄表，用户只需要读取集中器中抄读的数据，大大提高了用户的抄表效率。
[0060]以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种无线自组网水表抄表系统，其特征在于，包括:无线集中器、路由节点和水表节点，水表节点分布在用户端，各水表节点一方面直接与无线集中器连接，另一方面通过路由节点与无线集中器进行连接;所述无线集中器用于远程获取水表节点的水表数值;所述水表节点用于直接或间接向无线集中器发送水表数值;所述路由节点用于转发水表节点的水表数值。2.根据权利要求1所述的无线自组网水表抄表系统，其特征在于，所述无线集中器包括存储单元、数据处理单元、数据发送单元和数据接收单元，所述存储单元用于存储系统中各路由节点和水表节点的信息，路由节点的信息包括物理地址和无线集中器为其分配的IP地址，水表节点的信息包括物理地址、水表数值和无线集中器为其分配的IP地址;所述数据处理单元用于为系统中路由节点和水表节点分配IP地址，每个节点的IP地址唯一;所述数据发送单元用于向各节点发送唤醒命令或应答信号，无线集中器通过向与其连接的各节点发送唤醒命令来获取各节点的物理地址，并在应答信号中发送为各节点分配IP地址;所述数据接收单元用于接收各节点发送的信息。3.根据权利要求1所述的无线自组网水表抄表系统，其特征在于，所述水表节点包括抄表单元、存储单元、数据发送单元和数据接收单元，所述抄表单元用于获取用户的水流量并形成水表数值;所述存储单元用于存储无线集中器为该水表节点所分配的IP地址;所述数据发送单元用于发送该水表的物理地址和水表数值;所述数据接收单元用于接收无线集中器发送的唤醒命令、应答信号，以及路由节点发送的广播命令和转发无线集中器的应答信号。4.根据权利要求1所述的无线自组网水表抄表系统，其特征在于，所述路由节点包括数据发送单元和数据接收单元，数据发送单元用于向无线集中器发送自身的物理地址，以及在系统中发送广播命令来获取无线集中器未直接获取到的节点信息并通过自身IP地址转发这些节点信息;数据接收单元用于接收各节点发送的应答信号，以及向各节点转发无线集中器所分配的IP地址。5.一种无线自组网水表抄表方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤1:无线集中器为直接获取到的路由节点和水表节点进行IP地址的分配，并存储相应的节点信息； 步骤2:无线集中器通过已知路由节点为未知节点分配IP地址，所述已知路由节点是指无线集中器中已经存储了物理地址和IP地址的路由节点，所述未知节点包括无线集中器中尚未存储物理地址和IP地址的路由节点和水表节点； 步骤3:各水表节点通过自身IP地址直接或间接向无线集中器发送水表数值。6.根据权利要求5所述的无线自组网水表抄表方法，其特征在于，步骤I中无线集中器为直接获取到的路由节点和水表节点分配IP地址，包括以下步骤: (11)无线集中器向与其连接的各节点发送唤醒命令； (12)路由节点在接收到唤醒命令后，向无线集中器发送第一应答信号，路由节点的第一应答信号包含了自身的物理地址;各水表节点在接收到唤醒命令后，向无线集中器发送第一应答信号，水表节点的第一应答信号包含了自身的物理地址和水表数值； (13)无线集中器判断接收到的第一应答信号中包含的物理地址是否已经分配IP地址，若无则为接收到的路由节点和水表节点分别分配IP地址，向接收到的路由节点和水表节点发送第二应答信号，在所述第二应答信号中包含有为这些节点分配的IP地址； (14)接收到第二应答信号的路由节点和水表节点存储无线集中器为自身分配的IP地址，并向无线集中器发送第三应答信号； (15)无线集中器接收第三应答信号，将获取到的路由节点的物理地址和IP地址进行存储;将获取到的水表节点的物理地址、IP地址和水表数值进行存储； 反复执行上述步骤(11)至(15)，直至完成预先设置的执行次数。7.根据权利要求6所述的无线自组网水表抄表方法，其特征在于，无线集中器通过已知路由节点为未知节点分配IP地址，包括以下步骤: (21)各已知路由节点在系统中发送广播命令； (22)系统中的各节点接收到广播命令后，若自身未存储IP地址，即确定自身为未知节点，则向各已知路由节点发送第一应答信号，未知路由节点的第一应答信号中包括了自身的物理地址，水表节点的第一应答信号包含了自身的物理地址和水表数值； (23)各已知路由节点将接收到未知路由节点和未知水表节点的信息通过自身的IP地址传送给无线集中器； (24)无线集中器将已知路由节点转发来的各未知节点信息进行存储，并为这些未知节点分配IP地址，建立路由列表信息，所述路由列表信息记录了路由节点的转发过程； (25)各已知路由器按照路由列表信息为其获取的各未知节点转发无线集中器分配的IP地址； (26)各未知节点在收到已知路由转发的IP地址后，进行存储； 反复执行上述步骤(21)至(26)，直至完成预先设置的执行次数。
【文档编号】H04W84/18GK105933468SQ201610412963
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】曹祥春, 张凯
【申请人】江苏赛达电子科技有限公司