微功率无线抄表方法
【专利摘要】一种微功率无线抄表方法，包括：主辅节点间的通信使用信道组A，从节点和主辅节点间通信使用信道组B；主辅节点将每次与每个从节点的通信数据、帧场强、丢包率等信息上传到主站，主站根据上传的所述信息统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径；主节点采用两个工作频点不同的微功率无线模块，一个用于接收从节点的数据，一个用于发送数据给从节点，当接收模块接收到相关从节点的数据时，主节点结束本轮通讯；当批量读取从节点数据时，由主节点发抄表广播帧，当所有的主辅节点发抄表广播帧完成后，主辅节点进入接收状态。本发明采用多信道组和TDMA相结合的通信方法，可以减少通讯冲突，提高通信成功率，减少电池能量消耗，降低硬件成本。
【专利说明】
微功率无线抄表方法
技术领域
[0001] 本发明设及微功率无线通讯领域，特别设及一种微功率无线抄表方法。
【背景技术】
[0002] 随着物联网的发展，微功率无线化PR,Low Power Radio)通信技术在AMR(自动抄 表)领域的应用越来越广泛，其现场施工简单、成本低的优点得到用户的认同。
[0003] 微功率无线网络是实现信息汇聚、传输、交互的通信网络的最后1公里。其覆盖范 围有限，发射功率受到国家无线电管理的严格限制。微功率无线网络可组成星型网络、树形 网络或者MESH网状网络，网络的具体构架由中屯、节点确定。
[0004] 微功率无线通信技术用于抄表，有W下特点：网络规模较大，节点数量达到几百甚 至几千;主节点和子节点位置固定，通信链路相对稳定;通信速率要求不高;通信覆盖范围 越大越好。
[0005] 现有的无线抄表方法多采用基于IE趾802.15.4、GB/T15629.15、GB/T26790.1、 zigbee、等自组网的无线网络协议，通过主节点和从节点之间的自协商多跳网络，或者通过 指定路由的集中器-采集器/中继器/无线表-无线表多级传输方式来实现在集中器和无线 表之间的数据传输。
[0006] 常用的组网方法需要主节点周期性的发出数据W确定微功率无线网络中各个设 备的最佳路径，从节点周期性唤醒并响应主节点的网络维护命令。该组网方法适用于功耗 要求不高的场合，如电力抄表;不适用于功耗要求很高的场合如水表、气表的自动化抄表， 一般要求1节电池能工作8年W上。常见的方法:通过指定抄表时间窗口来实现。运样的方法 无法实时操作从节点，同时对从节点的时钟准确性和功耗等都提出了较高的要求，主节点 需要一个较为复杂的过程才能计算出到从节点的最优路径，当网络节点数量超过一定数量 时，运一过程相当耗时，功耗会明显增大，系统的稳定性和可靠性也会变差。
[0007] 当网络规模大到一定程度时，常用的信道冲突检测算法CSMA-CA会失效。如：当主 节点位于中间，从节点A和B位于2侧，从节点A无法判断另一个从节点B是否在使用信道通 信，当A、B在某时刻都给主节点发送数据时，会导致通信失败。
【发明内容】
[000引本发明提供了一种微功率无线抄表方法，其可W减少通讯冲突，提高通信成功率， 减少电池能量消耗，降低硬件成本。
[0009]为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种微功率无线抄表方法，包 括:主站和主节点间采用GPRS通信，主辅节点间使用LPR微功率无线通信，从节点与主辅节 点间使用WR微功率无线通信；主辅节点间的通信使用信道组A，从节点和主辅节点间通信 使用信道组B;主辅节点将每次与每个从节点的通信数据、帖场强、丢包率等信息上传到主 站，主站根据上传的所述信息统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径;主辅节点与 从节点通信时，当从节点的唤醒周期加上数据通讯时间小于5秒时，设定前导码发送时长稍 大于从节点的唤醒周期W有效唤醒从节点，且主节点采用两个工作频点不同的微功率无线 模块，一个用于接收从节点的数据，一个用于发送数据给从节点，当接收模块接收到相关从 节点的数据时，主节点结束本轮通讯；当批量读取从节点数据时，由主节点发抄表广播帖， 广播帖包括前导码、地址信息、网络ID、批量抄表命令码、网络(节点）规模、当前时间、启动 时间和结束时间等信息，当所有的主辅节点发抄表广播帖完成后，主辅节点进入接收状态； 当主站点抄或控制某个从节点时，当主辅节点都具备GPRS通信功能时，主站根据上传的信 息，自动统计分析并得出最优的路径，将通信信息发到对应的主辅节点，由主辅节点转发到 对应的从节点上，从节点将要回的信息发给对应的主辅节点，主辅节点把信息转发到主站。
[0010] 优选地，当批量读取从节点数据时，从节点收到批量抄表命令码后，根据接收到的 无线信号场强，优先选取信号场强度强的主辅节点作为发送数据的目的地址;从节点根据 自己的短地址和启动时间的信息，自动计算自己的发送时间槽，然后在合适的时间内将通 信数据发给主辅节点。
[0011] 优选地，当批量读取从节点数据时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果主辅 节点都具备GPRS和主站通信，那么主辅节点自动上传从节点的信息通到主站。
[0012] 优选地，当批量读取从节点数据时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果只有 主节点具备GPRS和主站通信，那么主节点根据配置的辅节点地址，下发上传命令到辅节点， 辅节点收到命令后上传收到的从机信息，主节点转发到主站，主节点记录相应的辅节点信 息。
[0013] 优选地，当主站点抄或控制某个从节点时，当主辅节点都具备GPRS通信功能时，如 果只有主节点具备GPRS通信功能，则主站根据上传得信息，自动统计分析计算出最优路径， 主站将通信信息和最优路径信息发给主节点，主节点根据路径信息选择合适的目的地址转 发信息，W此类推直到从节点。
[0014] 优选地，网络工作信道组号的确定与设置方法如下：（A)主站根据安装位置和现场 收集的无线底噪信息，确定可用的信道组，并根据地图判断周边有无相同的网络在工作，最 后人工或自动生成可用的信道组号；（B)主站生成的信道组号可W远程或本地配置到主、辅 节点；（C)从节点在安装前通过红外接口设置必要的参数，如：网络ID，网络短地址（从节点 PN号）、工作信道组号等信息。
[0015] 本发明采用多信道组和TDMA相结合的不需组网的通信方法，可W减少通讯冲突， 提高通信成功率，减少电池能量消耗，降低硬件成本。
【附图说明】
[0016] 图1示意性地示出了信道组使用示意图；
[0017]图2示意性地示出了主/辅节点与从节点通信流程；
[0018] 图3示意性地示出了主/辅节点与从节点通信过程；
[0019] 图4示意性地示出了双无线模块主/辅节点与从节点通信流程；
[0020] 图5示意性地示出了只有主节点广播抄表过程；
[0021 ]图6示意性地示出了有主节点和辅节点的抄表过程；
[0022] 图7示意性地示出了主辅节点间通信过程；
[0023] 图8示意性地示出了主站与从节点通信过程A;
[0024] 图9示意性地示出了主站与从节点通信过程B。
【具体实施方式】
[0025] W下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可W由权利要求限定 和覆盖的多种不同方式实施。
[0026] 本发明特别适用于基于电池供电的微功率通信，如水表、燃气表集抄等，主要针对 基于电池供电的微功率无线网络的特点和存在的问题，提出一种采用多信道组和TDM相结 合的不需组网的通信方法，可W减少通讯冲突，提高通信成功率，减少电池能量消耗，降低 硬件成本。
[0027] 本方法的要点如下：
[0028] 1、系统主要由主站（抄表平台）、主节点（具有：路由、网关、协调器功能），辅节点 (具有:路由、网关功能)和从节点(表/终端)组成。主站和主节点间采用GPRS通信，主辅节点 间使用LPR微功率无线通信，从节点与主辅节点间使用LPR微功率无线通信，辅节点可W具 备GPRS通信功能直接和主站通信。主站能记录和主节点的通信信息，根据运些信息分析出 主、辅节点和从节点的路径关系及主站与从节点的通信路径。
[0029] 2、为了减小从节点的功耗，减少碰撞，提高通信成功率，系统采用信道组的方式， 即上行和下行工作在不同的中屯、频点上。一个网络内使用2个信道组，即主辅节点间的通信 在信道组A，从节点和主辅节点间通信在信道组B。如图示例：从节点使用上行471MHz，下行 475MHz的中屯、频点信道组A;辅节点与主节点使用上行473MHz，下行477MHz的中屯、频点信道 组B。
[0030] 3、在通信过程中的某个时刻和某个中屯、频点上，网络中只有1个节点在发送数据， 从而避免了通信冲突。
[0031] 4、从节点与主辅节点间没有组网过程，也就没有网络维护的过程，可W降低各节 点的功耗。主辅节点将每次和每个从节点的通信数据、帖场强、丢包率等信息上传到主站。 主站根据上传的通信信息，统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径。主辅节点与主 站的报文格式如下：
[0032]
[0035]数据域报文格式
[(
[(
[0036] 说明：校验和，从帖起始符开始到校验和之前的所有各字节的二进制算术累加，不 计超过1字节的溢出值，从节点报文的第33字节为帖场强信息。
[0037] 5、主辅节点与从节点通信
[0038] A)当从节点的唤醒周期加上数据通讯时间小于5秒时，可W设定前导码发送时长 稍大于从节点的唤醒周期就可W有效唤醒从节点；
[0039] B)当从节点的唤醒周期超过5秒，主节点应能唤醒从节点；
[0040] C)设前导时间2s，有效通信时间不大于Is,从机唤醒周期为6s，起始时间为T0,为 了能唤醒从节点，主节点发送数据:第一次起始为TO，第二次起始时间为T0+4S，第=次发送 数据的起始时间为T0+8S;第四次起始时间为T0+13S，第五次起始时间为T0+17s。经过上述5 次或者前3次发数据，从机可W有效地接收到主节点的数据。
[0041] D)设前导时间2s，有效通信时间不大于Is,从机唤醒周期为8s，起始时间为T0,为 了能唤醒从节点，主节点发送数据:第一次起始为TO，第二次起始时间为T0+4S，第=次发送 数据的起始时间为TO+lOs;第四次起始时间为T0+14S。经过上述4次发数据，从机可W有效 地接收到主节点的数据。
[0042] E)提高通信效率，主节点采用2个微功率无线模块，一个用于接收从节点的数据， 一个用于发送数据给从节点，2个模块的工作频点不同，当接收模块接收到相关从节点的数 据时，主节点结束本轮通讯。
[0043] 6、批量读取从节点数据的通信过程：
[0044] A)由主节点发抄表广播帖，帖的内容包括:前导码、地址信息、网络ID、批量抄表命 令码、网络(节点)规模、当前时间、启动时间和结束时间等信息。
[0045] 报文格式如下表：
[0046]
[C
[C
[0049] 载荷格式
[0050] B)由主节点依次通知辅节点发抄表广播帖。当所有的主辅节点发抄表广播帖完成 后，主辅节点进入接收状态。
[0051] C)从节点收到批量抄表命令后，根据接收到的无线信号场强，优先选取信号场强 度强的主辅节点作为发送数据的目的地址。从节点根据自己的短地址和启动时间的信息， 自动计算自己的发送时间槽，然后在合适的时间内将通信数据发给主辅节点。
[0052] 从节点时间槽分配
[0化3]
[0054] D)所有的从节点与主辅节点通信结束后，当主辅节点都具备GPRS和主站通信时， 主辅节点自动上传从节点的信息通到主站。只有主节点具备GPRS和主站通信时，主节点根 据配置的辅节点地址，下发上传命令到辅节点，辅节点收到命令后上传收到的从机信息，主 节点转发到主站，主节点记录相应的辅节点信息。
[0055] 7、主站点抄或控制某个从节点的通信过程
[0056] A)当主辅节点都具备GPRS通信功能时，主站根据上传的信息，自动统计分析并得 出最优的路径，将通信信息发到对应的主辅节点，由主辅节点转发到对应的从节点上。从节 点将要回的信息发给对应的主辅节点，主辅节点把信息转发到主站。
[0057] B)只有主节点具备GPRS通信功能时，主站根据上传得信息，自动统计分析计算出 最优路径，主站将通信信息和最优路径信息发给主节点，主节点根据路径信息选择合适的 目的地址转发信息，W此类推直到从节点。
[005引8、网络工作信道组号的确定与设置
[0059] A)主站根据安装位置和现场收集的无线底噪信息，确定可用的信道组，并根据地 图判断周边有无相同的网络在工作，最后人工或自动生成可用的信道组号。
[0060] B)主站生成的信道组号可W远程或本地配置到主、辅节点。
[0061] C)从节点在安装前通过红外接口设置必要的参数，如：网络ID，网络短地址(从节 点PN号）、工作信道组号等信息。
[0062] W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种微功率无线抄表方法，其特征在于，包括： 主站和主节点间采用GPRS通信，主辅节点间使用LPR微功率无线通信，从节点与主辅节 点间使用LPR微功率无线通信； 主辅节点间的通信使用信道组A，从节点和主辅节点间通信使用信道组B; 主辅节点将每次与每个从节点的通信数据、帧场强、丢包率等信息上传到主站，主站根 据上传的所述信息统计和分析出主站和从节点间通信的最优路径； 主辅节点与从节点通信时，当从节点的唤醒周期加上数据通讯时间小于5秒时，设定前 导码发送时长稍大于从节点的唤醒周期以有效唤醒从节点，且主节点采用两个工作频点不 同的微功率无线模块，一个用于接收从节点的数据，一个用于发送数据给从节点，当接收模 块接收到相关从节点的数据时，主节点结束本轮通讯； 当批量读取从节点数据时，由主节点发抄表广播帧，广播帧包括前导码、地址信息、网 络ID、批量抄表命令码、网络(节点）规模、当前时间、启动时间和结束时间等信息，当所有的 主辅节点发抄表广播帧完成后，主辅节点进入接收状态； 当主站点抄或控制某个从节点时，如果主辅节点都具备GPRS通信功能，那么主站根据 上传的信息，自动统计分析并得出最优的路径，将通信信息发到对应的主辅节点，由主辅节 点转发到对应的从节点上，从节点将要回的信息发给对应的主辅节点，主辅节点把信息转 发到主站。2. 根据权利要求1所述的微功率无线抄表方法，其特征在于，当批量读取从节点数据 时，从节点收到批量抄表命令码后，根据接收到的无线信号场强，优先选取信号场强度强的 主辅节点作为发送数据的目的地址； 从节点根据自己的短地址和启动时间的信息，自动计算自己的发送时间槽，然后在合 适的时间内将通信数据发给主辅节点。3. 根据权利要求2所述的微功率无线抄表方法，其特征在于，当批量读取从节点数据 时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果主辅节点都具备GPRS和主站通信，那么主辅节 点自动上传从节点的信息通到主站。4. 根据权利要求3所述的微功率无线抄表方法，其特征在于，当批量读取从节点数据 时，所有从节点与主辅节点通信结束后，如果只有主节点具备GPRS和主站通信，那么主节点 根据配置的辅节点地址，下发上传命令到辅节点，辅节点收到命令后上传收到的从节点信 息，主节点转发到主站，主节点记录相应的辅节点信息。5. 根据权利要求1所述的微功率无线抄表方法，其特征在于，当主站点抄或控制某个从 节点时，当主辅节点都具备GPRS通信功能时，主站选择合适的主辅节点，主辅节点将信息转 发给相关从节点；如果只有主节点具备GPRS通信功能，则主站根据上传得信息，自动统计分 析计算出最优路径，主站将通信信息和最优路径信息发给主节点，主节点根据路径信息选 择合适的目的地址转发信息，以此类推直到从节点。6. 根据权利要求1所述的微功率无线抄表方法，其特征在于，网络工作信道组号的确定 与设置方法如下： (A) 主站根据安装位置和现场收集的无线底噪信息，确定可用的信道组，并根据地图判 断周边有无相同的网络在工作，最后人工或自动生成可用的信道组号； (B) 主站生成的信道组号可以远程或本地配置到主、辅节点； (C)从节点在安装前通过红外接口设置必要的参数，如：网络ID，网络短地址(从节点PN 号）、工作信道组号等信息。
【文档编号】G08C17/02GK105957319SQ201610270536
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】薛月兵, 薛海军, 黄本同, 刘炎平
【申请人】深圳三富通讯有限公司