СИСТЕМА СВЯЗИ ДЛЯ СБОРА ДАННЫХ И СПОСОБ ДЛЯ ПРИЕМА ДАННЫХ В СИСТЕМЕ СВЯЗИ
COMMUNICATION SYSTEM FOR COLLECTING DATA AND METHOD OF RECEIVING DATA IN COMMUNICATION SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к сетям, состоящим из беспроводных приемопередающих устройств (узлов), объединяемых посредством беспроводной линии в единую сеть, а также к применяемым в этой сети методам передачи различных видов информации, получаемой от устройств считывания с датчиков, которыми могут быть: полевые устройства, сенсоры, счетчики электроэнергии, газа, воды и т.д., используемых для учета расхода ресурсов.
В настоящее время получили широкое распространение использование распределенных и локальных сетей в сфере связи для маршрутизации радиосообщений между процессором управления, устройствами для считывания и датчиками, при этом устройства для считывания (интерфейсы) беспроводной сети поддерживаются в состоянии низкого энергопотребления за исключением периода осуществления связи, при этом до окончания периода связи устройство для считывания работает в режиме полного энергопотребления.
Метод построения таких сетей включает задание идентифицирующих параметров, которые определяют многоадресные группы интерфейсов для каждой временной сети, и опознавание этих временных сетей, используя упомянутые идентифицирующие параметры. Идентифицирующие параметры для определения многоадресных групп, образующих временную сеть, задают передачей через один из интерфейсов идентифицирующего тестового сообщения и ожиданием в течение определенного времени соответствующего ответного сообщения. Интерфейсы в зависимости от того, входят они или не входят в данную многоадресную группу, посылают соответствующее ответное сообщение или не отвечают на тестовое сообщение.
Существует несколько типов сбора данных:
1) Дистанционное считывание показаний, называемое «Walk by» («проходя мимо»), в котором человек, снимающий показатели - контролер, снимает показания счетчиков, имеет переносной терминал, оснащенный радио-интерфейсом, по которому показатели собираются в центральном контроллере (RU 2247396 C1, опубл. 27.02.2005).
В данной системе используются датчики, работающие с периодическим прослушиванием радиоканала, способные прослушивать радиоканал в течение времени, перекрывающего период передачи запросов считывающим устройством, что приводит к повышенному энергопотреблению при нахождении вне зоны действия опрашивающих устройств, постоянно находящихся в активном режиме.
2) Дистанционное считывание показаний, основанное на стандартной постоянной сети («fixed network»).
Известен способ связи для дистанционного считывания показаний счетчиков, в котором считывание показаний счетчиков контроллерами осуществляется в дециметровом диапазоне UHF, а передача информации между контроллерами осуществляется в метровом диапазоне VHF (WO 2008/107261 A1, опубл. 12.09.2008).
Этот метод также приводит к повышенному энергопотреблению при нахождении вне зоны действия опрашивающих устройств.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является автоматическая система учета коммунальных услуг, включающая устройство обработки информации в виде центрального концентратора и связанных с ним по телекоммуникационным каналам промежуточных концентраторов, собирающих информацию с блоков опроса счетчиков. (RU 69653 U1, опубл. 27.12.2007).
Недостатком известного технического решения является большое количество начальных коллизий (столкновений), возникающих при обработке информации при одновременном ответе нескольких блоков опроса счетчиков, что приводит к снижению пропускной способности радиоканалов и, как следствие, увеличению времени сбора данных; кроме того, блок опроса счетчиков передает только положительное подтверждение без указания от какого устройства принят запрос, и отрицательное подтверждение (коллизия), что приводит к нарушению работы системы; при передаче данных по радиоканалу всегда существует вероятность их искажения по причинам, носящим случайный характер, например из-за помех; в известном решении отсутствует возможность повторной передачи данных в пределах цикла опроса; блоки опроса счетчиков с батарейным питанием, работающие в режиме с периодическим прослушиванием радиоканала, не могут быть обнаружены сразу с начала прослушивания, т.к. должны дождаться начала нового цикла.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении коэффициента использования пропускной способности, уменьшении энергопотребления и времени сбора данных.
Сущность изобретения заключается в том, что система связи для сбора данных, содержит распределенную сеть для доставки данных на устройство - инициатор опроса, при этом распределенная сеть содержит множество устройств для считывания значения параметра по меньшей мере, одного датчика, процессор управления, назначаемый инициатором опроса из числа устройств для считывания, предназначен для опроса множества устройств для считывания, при этом процессор управления выполнен с возможностью передачи в распределенную сеть команды опроса на время, которое перекрывает период пробуждения устройств для считывания, имеющих произвольное время пробуждения; приема данных от датчиков, их выбора по приоритету и посылке выбранному устройству для считывания персонального подтверждения, при наличии коллизии - посылки отрицательного подтверждения; устройства для считывания предназначены для приема команды опроса, передачи данных, их прекращения в случае получения персонального подтверждения, и прекращения передачи данных в случае получения отрицательного подтверждения, и возобновления ее через псевдослучайную задержку.
Приоритет определяется по наиболее высокому уровню принимаемого сигнала команды передачи данных от устройства для считывания.
Команда опроса включает в себя информацию о последнем опрошенном устройстве, номере цикла опроса, пороговых значениях качества канала и уровня принимаемого сигнала.
Команда передачи данных устройства для считывания параметра включает в себя номер устройства для считывания и уровень сигнала, измеренный во время приема команды опроса.
Команда персонального подтверждения опроса включает в себя метку в виде номера устройства для считывания.
Отрицательное подтверждение включает в себя указание диапазона уровней принимаемого сигнала, при котором возникла коллизия.
Устройства для считывания параметра сконфигурированы для передачи команд и выполнены в виде набора проводных и беспроводных интерфейсов, соединенных шиной и предназначенных для ретрансляции запроса на выполнение опроса, команды опроса, команд передачи данных и команд о подтверждении/не подтверждении.
Любой интерфейс может быть инициатором цикла опроса, от которого по шине передается запрос на опрос.
Фактом опроса всех устройств для считывания является отсутствие команд передачи данных в течение заданного времени.
Процессор управления уменьшает паузы между командами опроса в случае отсутствия приема команд передачи данных от устройств для считывания.
При этом способ для приема данных в системе связи заключается в том, что устройство - инициатор опроса передает в процессор управления запрос на выполнение опроса, процессор управления передает на распределенную сеть доставки данных, состоящую из устройств для считывания параметра, команды опроса на время, которое перекрывает период пробуждения устройств для считывания, имеющих произвольное время пробуждения; все устройства для считывания, получившие команду опроса, передают свои данные, в процессоре управления при получении данных выбирается команда от устройства для считывания по приоритету; опрошенному устройству для считывания посылается персональное подтверждение, после чего оно прекращает передачу данных, все остальные устройства для считывания продолжают передавать данные до получения персональных подтверждений; при наличии коллизии, возникающей при приеме сигналов с одинаковыми приоритетами, посылается отрицательное подтверждение, устройства для считывания, получившие отрицательное подтверждение, прекращают посылать данные и возобновляют посылку после псевдослучайной задержки.
Приоритет определяется по наиболее высокому уровню принимаемого сигнала команды передачи данных от устройства для считывания.
Команда опроса включает в себя информацию о последнем опрошенном устройстве, номере цикла опроса, пороговых значениях качества канала и уровня принимаемого сигнала.
Команда передачи данных устройства для считывания параметра включает в себя номер устройства для считывания и уровень сигнала, измеренный во время приема команды опроса.
Команда персонального подтверждения опроса включает в себя метку в виде номера устройства для считывания.
Отрицательное подтверждение включает в себя указание диапазона уровней принимаемого сигнала, при котором возникла коллизия.
Устройства для считывания параметра сконфигурированы для передачи команд и выполнены в виде набора проводных и беспроводных интерфейсов, соединенных шиной и предназначенных для ретрансляции запроса на выполнение опроса, команды опроса, команд передачи данных и команд о подтверждении/не подтверждении.
Любой интерфейс может быть инициатором цикла опроса, от которого по шине передается запрос на опрос.
Фактом опроса всех устройств для считывания является отсутствие команд передачи данных в течение заданного времени.
Процессор управления уменьшает паузы между командами опроса в случае отсутствия приема команд передачи данных от устройства для считывания.
Роли процессора управления и устройств для считывания значения параметра задаются устройством - инициатором опроса для каждого цикла опроса.
Устройства визуализируются своим серийным номером, а уровни принимаемого сигнала отображаются с помощью переменного цветового фона, на котором отображаются серийные номера устройств.
Структура радиосети отображается клетками произвольного расположения с серийными номерами устройств внутри клеток, а количество ретрансляторов от точки доступа до устройства отображается с помощью цветового фона клеток с серийными номерами устройств.
На фиг.1 представлена структурная схема системы связи для сбора данных.
Распределенная беспроводная сеть 1, имеет в общей сложности N узлов 2, где N=1, 2, 3 и т.д. Каждый узел 2 состоит из устройства 3 для считывания значения параметра датчика 4, каждый из которых имеет принимающее средство для приема сигнала, передаваемого передающим средством устройства 3, и передающее средство для передачи сигнала, содержащего информацию о величине зафиксированного значения искомого параметра, принимаемого устройством 3. Устройство 3 для считывания значения параметра является интерфейсом, который выполняет функции ретранслятора, и сконфигурировано для передачи команд, адресованных другим устройствам 3, по двухстороннему радиоканалу 7. Устройство - инициатор опроса 5 является шлюзом между микропроцессорной системой управления и распределенной беспроводной сетью 1. Процессором 6 управления может быть назначено любое устройство 3 для считывания. Устройство 3 для считывания в каждом узле соединено шиной 10 с одним или несколькими датчиками 4.
В качестве датчиков 4 используют счетчики воды, газа, электричества, тепла и т.д. Обмен данными осуществляется между устройствами 3 и 5 по двустороннему радиоканалу 7 с использованием частотной модуляции. Устройства 3 питаются от сети переменного тока или от автономного источника, при этом все устройства 3 находятся в спящем режиме с кратковременным пробуждением для считывания данных с датчиков; причем момент пробуждения каждого из устройств 3 - произвольный, поэтому постоянной синхронизации времени пробуждения не требуется. После пробуждения одного из запрошенных устройств 3, оно ретранслирует команду пробуждения следующему устройству 3 и т.д.
Система связи для сбора данных начинает передачу информационного пакета, содержащего адрес одного из устройств 3 для считывания, которое назначено выполнять функции процессора управления 6 в данном цикле опроса. Процессор управления 6 передает безадресные команды опроса 8 другим устройствам 3 для считывания в течение времени, перекрывающего период пробуждения устройств 3.
Команда опроса 8 устройств 3 включает в себя информацию о последнем опрашиваемом устройстве 3, номере цикла опроса, пороговых значениях качества канала и уровне (приоритете) принятой команды. Все устройства 3, получившие команду опроса, передают считанные с датчика 4 в период пробуждения данные одновременно. Команда передачи данных 9 устройства 3 для считывания параметра включает в себя считанные данные, а также номер устройства для считывания.
При приеме процессором 6 команды передачи данных 9 устройству 3 посылают подтверждение приема. Команда подтверждения приема 8 включает в себя метку в виде идентификационного номера этого устройства 3. Устройство 3, принявшее подтверждение, прекращает выдавать ответы в текущем цикле. В результате этого в цикле опроса уменьшается количество отвечающих устройств 3.
При обнаружении коллизии процессором 6 измеряется уровень этих принимаемых сигналов и передается измеренное значение уровня в очередной команде опроса, при этом предполагается, что в режиме запрос-ответ уровни принимаемого сигнала в обоих направлениях одинаковые. Устройства 3, создавшие коллизию, отвечают на запросы с разной задержкой. Устройства 3, у которых уровень принимаемого сигнала находится в пределах заданного диапазона, распознают данное состояние как коллизию, возникшую по их вине. Единственным способом устранения коллизии от устройств 3 с близким уровнем, является разнесение их ответов во времени.
При наличии коллизии, возникающей при приеме сигналов с одинаковыми приоритетами (уровнями сигнала), посылается отрицательное подтверждение, устройства 3 для считывания, получившие отрицательное подтверждение, прекращают посылать данные и возобновляют посылку после псевдослучайной задержки.
При этом отрицательное подтверждение включает в себя указание диапазона уровней сигнала команды передачи данных, при котором возникла коллизия.
С этого момента устройства 3, создавшие коллизию, пропускают определенное количество запросов процессора 6, которое определяется двумя младшими разрядами десятичного серийного идентификационного номера, после чего снова отвечают на запрос процессора 6. В случае возникновения повторной коллизии количество пропускаемых запросов определяется следующими разрядами серийного идентификационного номера и т.д. Во время пауз, возникающих при устранении коллизий, выполняется прием ответов от других устройств 3 с меньшим уровнем сигнала, что приводит к более эффективному использованию пропускной способности радиоканала.
Устранение коллизий в точке приема в процессоре 6, возникающих при одновременном ответе нескольких устройств 3, основано на использовании известного в радиотехнике явления захвата, состоящего в избирательном приеме одного из группы одновременно поступающих на вход сигналов. Явление захвата проявляется в успешном приеме сигнала, мощность которого превышает на требуемую величину суммарную мощность остальных конкурирующих сигналов, таким образом, все множество окружающих устройств разбивается на несколько десятков поддиапазонов, различающихся по уровню принимаемого сигнала, при этом коллизии возникают только внутри поддиапазонов. Таким образом, в процессе обнаружения большого количества устройств 3 количество возможных коллизий оказывается существенно меньше, чем при использовании известных методов.
Цикл опроса выполняется заданное время или может закончиться досрочно при заполнении приемного буфера процессора 6, далее ответ со списком обнаруженных устройств 3 и уровней принимаемого сигнала передается в устройство - инициатор опроса 5 по цепочке ретрансляторов в обратной последовательности по радиоканалу 7.
Цикл опроса выполняется для каждого устройства 3, результаты используются для поиска других устройств 3 и автоматического построения маршрутов с контролем уровней сигналов между устройствами 3.
В команде опроса процессором 6 передается серийный номер устройства 3, называемый меткой в качестве подтверждения об обнаружении.
В команде опроса передаются также значения качества принимаемого сигнала для фильтрации маршрутов с плохим качеством и значение уровня принимаемого сигнала для фильтрации устройств 3, создающих коллизию из-за близких уровней принимаемого сигнала.
Для запуска очередного цикла опроса используется последовательная нумерация циклов. При приеме команды опроса 8 с другим номером все устройства 3 возобновляют передачу ответов 9. Таким образом, устройства 3, выведенные из спящего режима командой опроса, не ждут начала очередного цикла, а начинают отвечать в текущем цикле, что приводит уменьшению потребляемой энергии.
Все устройства 3 могут отвечать на запросы процессора 6 синхронно, используя одинаковый код доступа (access code), который в этом случае распознается без ошибок даже при наложении сигналов с одинаковым уровнем. Это позволяет определить факт отсутствия ответа от устройств 3 на начальной стадии приема и не тратить время на прием отсутствующих ответов. В случае отсутствия ответов от устройств 3 из-за их асинхронного выхода в кратковременный режим прослушивания радиоканала процессор 6 увеличивает частоту передачи команд опроса путем уменьшения пауз между запросами.
Это позволяет уменьшить время прослушивания радиоканала и сократить энергопотребление. В отличие от измерения уровня принимаемого сигнала обнаружение ответа устройств 3 по коду доступа обеспечивает правильный результат во всем диапазоне принимаемых уровней сигналов, особенно при работе на предельной чувствительности приемника процессора 6.
Если количество окружающих устройств 3 превышает размер приемного буфера процессора 6, то цикл опроса может быть продолжен путем повторной подачи из устройства - инициатора опроса 5 запроса на выполнение опроса с тем же номером цикла.
Условием, подтверждающим факт обнаружения всех окружающих устройств 3, является отсутствие ответов 9 на команды опроса 8 в течение заданного времени. Для запуска следующего цикла опроса изменяется номер цикла.
Для удобства анализа структура радиосети отображается клетками произвольного расположения с серийными номерами устройств внутри клеток, а количество ретрансляторов от точки доступа до устройства отображается с помощью цветового фона клеток с серийными номерами устройств. Цвет ячейки с номером устройства 3 указывает на количество ретрансляторов между ним и устройством - инициатором опроса 5: цвет меняется от теплых тонов до холодных, что упрощает естественное восприятие результатов.
Для удобства анализа результатов измерения уровней сигнала относительно выбранного устройства 6, все остальные ответившие ему устройства 3 выделяются определенным цветом в зависимости от измеренного уровня принимаемого сигнала, при уменьшении уровня принимаемого сигнала цвет меняется от теплых тонов до холодных, вместе с номером устройства в клетках отображается цифровое значение измеренного уровня. Не ответившие устройства помечаются серым цветом.