專利名稱：戶內通信網絡架構及架構方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，特別涉及一種戶內通信網絡架構及架構方法。
背景技術：
隨著科技的發展、人民生活水平的提高，人們對家居環境提出了越來越嚴格的要求，舒適、自然、安全、健康、高效、方便已逐漸成為現代家居設計中的發展趨勢。現在，家居環境的設計重心逐漸轉向以人為本，以人的生活方式為中心，智能家居(Smart Home)系統就是為了適應這種人性化、智能化的需求而提出的；同時，智能家居也是IT技術(特別是計算機技術)、網絡技術、控制技術向傳統家電產業滲透發展的必然結果。與傳統家居簡單、分散的運作方式不同。智能家居在家庭自動化和信息化方面有了質的飛躍。其中家庭自動化的主體是對家庭內部家電、照明等電氣設備的控制，通過集中或者分布式網絡架構實現家庭內部照明和家電設備互聯，并且住戶可以通過手機、網絡等平臺實現對家庭內部設備的遠程控制。另一方面，家庭信息化要實現在家庭內部方便快捷的獲取多種媒介提供的信息服務，包括網絡、電視和通信業務等，能夠實現居住者與家電設備的信息交互，感知電器設備狀態，了解家庭能源消耗情況，并能夠實時的從電力、電信、銀行等業務中心獲得服務。適用于智能家居應用條件的通信方式的研究和智能家居通信架構的搭建是智能小區建設的重要技術支撐，也是智能電網成功運行的基礎需求。智能家居是一個新興的領域，對它的研究現在還處在初級階段，但是全球對智能家居產品的需求是巨大的。家庭內部組網技術是智能家居中的關鍵技術。家庭內部組網技術主要解決各種信息家電之間的信息傳輸，它能把家庭外部連接傳入的信息傳輸到相應的家電上去，同時可以把家庭內部信息傳輸到外部連接上。由于目前的通信網絡技術在家庭應用環境中都存在短板，不同傳輸技術將在家庭網絡內互相協作，共同發展。未來的家庭中將采用兩種或多種傳輸技術的組合，這樣才能夠真正的達到對家居控制的方便、靈活和可靠的要求。近年來，國際上許多大公司提出了相應的解決方案，但迄今為止，分析以上所有流行的家居通信系統可以發現，這一領域的國際標準尚未成熟，因此，有必要對家居網絡做深入的研究，為智能家居技術的發展提供技術保障。美國XlO智能家居通信組網系統是以遵循XlO協議(電力線載波協議)的設備組成的系統，用Xio的兼容產品可以通過電力線互相通信，不需要重新鋪設控制線路，電力線在提供電流的同時又可以像網線一樣傳送控制指令，從而實現對智能家居內部功能單元進行網絡化的控制。Xio系統主要由兩部分組成發射部分和接收部分(就通信指令而言)，通信指令以廣播的形式在電力線上的傳送，在理想狀態下可以達到21公里，但是由于電力線上帶有很多負載設備，所以控制指令會有所衰減，一般在家庭環境下傳送距離可達到500米。該技術的缺點是首先，XlO系統的穩定性還需要進一步提高。由于電力線系統中存在各種干擾信號，以及家居環境中的各種電器的啟停、拔插等操作都會產生各種噪聲信號，進而影響到XlO系統本身的穩定性；其次，XlO系統中的設備大多數是單向通信的，即要么只是發送控制信號，要么只是接收信號；再次，Xio系統的傳輸距離近，速率低，并且一般只有256個地址可以分配。該技術存在的缺點是首先，XlO系統的穩定性還需要進一步提高。由于電力線系統中存在各種干擾信號，以及家居環境中的各種電器的啟停、拔插等操作都會產生各種噪聲信號，進而影響到XlO系統本身的穩定性；其次，XlO系統中的設備大多數是單向通信的，即要么只是發送控制信號，要么只是接收信號；再次，XlO系統的傳輸距離近，速率低，并且一般只有256個地址可以分配。Lonworks智能家居網絡是由美國Echelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。Lonworks網絡架構主要應用于智能家居和樓宇自動化方面，它包括建筑物監控系統的所有領域，即入口控制、電梯和能源管理、消防、救生、供暖通風、測量、保安等。在建筑業中，Lonworks網絡架構中的介質訪問控制層，即IS0/0SI七層協議中的第1、2層，已經被接納為建筑自動化控制網絡標準，同時也被美國國家標準協會(ANSI)制定的有關標準所采納。Lonworks網絡架構采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通信速率從300bps至1. 2Mbps不等，直接通信距離可達2700m(781ibpS，雙絞線)，而且可以支持多種通信介質。Lonworks網絡架構所采用的LonTalk協議被封裝在稱之為Neuron的神經元芯片中。集成芯片中有3個CPU，一個用于完成開放互連模型中第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實現介質訪問的控制與處理；第二個用于完成第3飛層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計時、網絡管理，并負責網絡通信控制，收發數據包等。第三個是應用處理器，執行操作系統服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實現CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區和應用緩沖區。該技術的缺點是首先，Lonworks網速度較慢，最快僅為1. 2Mb/s ；其次，Lonworks的實時性、處理大量數據的能力有些欠缺；再次，由于Lomrorks依賴于Echelon公司的Neuron芯片，所以它的完全開放性也受到一些質疑。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種支持載波和微功率無線通信模式的戶內通信網絡架構及架構方法。根據本發明的一個方面，提供一種戶內通信網絡架構包括智能交互管理終端、采集模塊；所述采集模塊，采集用水信息、用氣信息或電器用電信息，將用水信息、用氣信息以微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端，將電器用電信息以載波或微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端；所述智能交互管理終端以微功率無線的方式接收所述用水信息、用氣信息，以載波或微功率無線的方式接收所述電器用電信息，并將上傳到用以對所述用水信息、用氣信息或電器用電信息進行處理的外部處理中心。根據本發明的另一個方面，提供一種戶內通信網絡架構方法包括采集用水信息、用氣信息或電器用電信息；
通過載波的方式將所述用水信息、用氣信息上傳至對所述用水信息、用氣信息進行處理的外部處理中心；
通過載波或微功率無線的方式將所述用電信息上傳至對所述用電信息進行處理的外部處理中心。根據本發明提供的戶內通信網絡架構及架構方法同時支持載波和微功率無線通信模式，通過載波或微功率無線與智能插座、智能電表進行數據通訊，通過微功率無線與
4智能水表、智能氣表進行通訊，從而避免了單一通信模式的功能缺陷，有效地拓寬了信息通道，提高了通信速率，消除了信號盲區。真正做到了低功耗，高性能，全覆蓋。
圖1是本發明實施例提供的戶內通信網絡架構的結構框圖；圖2是本發明實施例提供的戶內通信網絡架構一具體示例；
圖3是本發明實施例提供的戶內通信網絡架構方法的示意圖。本發明目的、功能及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施例方式如圖1所示，本發明實施例提供的戶內通信網絡架構包括智能交互管理終端、采集模塊。其中，采集模塊采集用水信息、用氣信息或電器用電信息，將用水信息、用氣信息以微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端，將電器用電信息以載波或微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端。智能交互管理終端以微功率無線的方式接收所述用水信息、用氣信息，以載波或微功率無線的方式接收所述電器用電信息，并將上傳到用以對所述用水信息、用氣信息或電器用電信息進行處理的外部處理中心。采集模塊包括智能插座、智能水表、智能氣表、智能電表或智能家電。外部處理中心包括用于對家庭用水信息、用氣信息或電器用電信息進行采集和處理的家庭能效管理中心、外部電力業務管理中心、外部燃氣管理中心、電信或銀行業務管理中心。智能插座用于記錄和顯示連接在該智能插座的電器設備的用電信息，及接收遠程的控制命令。用電信息包括電壓、電流、功率、電能量。智能水表是一種利用現代微電子技術、現代傳感技術、智能IC卡技術對用水量進行計量并進行用水數據傳遞及結算交易的新型水表。與傳統水表一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能相比，是很大的進步。智能水表除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行控制，并且自動完成階梯水價的水費計算，同時可以進行用水數據存儲的功能。由于其數據傳遞和交易結算通過IC卡進行，因而可以實現由工作人員上門操表收費到用戶自己去營業所交費的轉變。IC卡交易系統還具有交易方便，計算準確，可利用銀行進行結算的特點。智能氣表具有自動收費功能，一戶一表一卡，用戶將費用交給管理部門，管理部門將購氣量寫入IC卡中，用戶將IC卡中信息輸入智能燃氣表中，智能燃氣表便自動開閥供氣。在用戶用氣的過程中，智能燃氣表中微電腦自動核減剩余氣量，所購氣量用盡，智能燃氣表自動關閥斷氣，用戶需重新購氣方能再次開閥供氣。IC卡還能記錄智能燃氣表的運行情況，在管理機或管理軟件下將表的總用氣量、總購氣量、開關閥狀態等信息進行管理。智能燃氣表可以提高管理效率，有效防止欠費，避免上門抄表，實現節約用氣。適合用于天燃氣、煤氣等流量的計量。帶漏氣報警功能的智能燃氣表可以監測室內可燃氣體的泄漏，當室內可燃氣體泄漏時，該燃氣表的可燃氣體探測器會發出聲光提示，智能燃氣表的液晶屏會顯示報警信息，并自動關閉閥門。智能電表由用戶交費對智能IC卡充值并輸入電表中，電表才能供電，表中電量用完后自動拉閘斷電，從而有效地解決上門抄表和收電費難的問題。同時，用戶的購電信息實行微機管理，方便進行查詢、統計、收費及打印票據等。微功率無線方式采用WillFar的智能無線通信自組網技術。WillFar的智能無線通信自組網技術采用節點雙向自動組網技術，網絡故障全自動修復技術。載波方式是低壓電力線載波方式，其利用輸電線路作為信號的傳輸媒介。載波方式采用過零同步傳輸技術、動態自適應組網技術、異常事件主動上報技術、多通信速率自適應技術和信道數據沖突避免技術。如圖2所示，戶內通信網絡架構包括智能交互管理終端、智能插座、智能家電、智能電表、智能水表和智能氣表。其中，智能交互管理終端是整個智能家居網絡的核心控制設備，同時具備載波和微功率無線通道。智能交互管理終端通過載波或微功率無線與智能插座、智能水表、智能氣表、智能電表和智能家電進行數據通訊。智能交互管理終端具備網絡接口，能夠與用戶電腦相連，接收并響應智能家居能效管理軟件的采集命令，將智能電表、智能水表、智能氣表、智能插座采集的數據上傳到智能家居能效管理軟件。智能家居能效管理軟件能對采集的數據進行查詢、統計、報表生成，還可以向智能交互管理終端發送控制命令以對智能電表、智能水表、智能氣表、智能插座進行控制。智能交互管理終端對外具備網絡接口，通過該網絡接口與外部互聯網相連，能夠將智能電表、智能水表、智能氣表、智能插座采集的數據上傳到外部處理中心，例如，家庭能效管理中心、外部電力業務管理中心、外部燃氣管理中心、電信或銀行業務管理中心等，以方便交費。智能插座主要負責記錄相關電器設備的用電信息，包括電壓、電流、功率、電能量等，對所負載電器的當前電壓、電流、功率和電能量信息進行顯示，并具備載波或者微功率無線通訊能力，實現與室內智能交互管理終端的通訊，向智能交互管理終端上傳電壓、電流、功率和電能量等信息，接收家庭能效管理中心下發的遠程控制命令。如圖3所示，本發明提供一種戶內通信網絡架構方法包括
步驟Si、通過采集模塊采集用水信息、用氣信息或電器用電信息，將用水信息、用氣信息以微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端，將電器用電信息以載波或微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端；
步驟S2、智能交互管理終端以微功率無線的方式接收所述用水信息、用氣信息，以載波或微功率無線的方式接收所述電器用電信息，并將上傳到用以對所述用水信息、用氣信息或電器用電信息進行處理的外部處理中心。網絡架構中的微功率無線通信網絡利用了 WillFar “智能無線通信自組網技術”，此技術可以配合智能電網對智能電表和智能插座實時監控的需要。WillFar無線網絡采用了節點雙向自動組網，網絡故障全自動修復等先進的技術，在快速組網和穩定工作之間找到了完美的結合手段。具有以下技術特點
1、所有節點都具有自動選頻功能；
2、主從節點可以雙向自動快速組網；
3、設置節點檔案可控制和管理自動上報的節點；
4、大容量蜂窩網絡設計可容納更多節點；
5、網絡具有8級深度路由，通訊距離遠；
6、網絡按路徑最短、信號最強的原則自動優化路徑；
7、網絡故障時能自動進行數據搶救和路徑修復。Wi IlFar無線網絡將智能交互管理終端、智能插座、水汽電表采集單元、家庭PC和控制開關作為網絡的組成節點，以智能交互管理終端為中心進行集中控制和信息處理。網絡架構中的低壓電力線載波網絡利用輸電線路作為信號的傳輸媒介，為各種設備提供通信鏈路。由于電力線機械強度高，可靠性好，不需要線路的基礎建設投資和日常的維護費用，因此低壓電力線載波通信技術具有較高的經濟性和可靠性。在低壓電力線載波網絡中，為了提高通信性能，保證通信可靠性，采用了過零同步傳輸技術、動態自適應組網技術、異常事件主動上報技術、多通信速率自適應技術和信道數據沖突避免技術等一系列先進研究成果。下面分別予以介紹。、過零同步傳輸技術該技術利用電力線三相電壓120度相差的獨有特性，以電力線的過零時間為時間基準進行同步處理，有效進行各相位通信時間的微觀劃分，使各相工作在以本相零點為中心的3. 3ms時間內；在電力線通信時，每一個包含過零半波的IOms (電網周波50Hz)時間里，集中器與每相通信單元間，各分時3. :3ms，提高了運行效率。在過零的3. 3ms時間里，電網噪聲最弱，網上干擾最小，阻抗一致性強，大大提高了通信的穩定性和可靠性；三相信號在不同時間片里，以本相過零時刻進行同步處理，不同相的設備由于相位差不同步，不能相互通信，保證了系統精確區分相序；不同相位的準確區分也為中繼的實現提供了可靠的保證，由于跨相抄收而引起的中繼不穩定現象得到了根除。、動態自適應組網技術動態自適應組網技術的核心是網絡中的節點自動尋找最佳的通訊路徑群(不是一條路徑)，進行數據包的轉發，用動態的路由去適應動態的電網。在抄收機制上相當于數據庫的檢索查詢，主要的組網功能由各個智能化的節點來完成。動態自適應組網技術根據當時的網絡媒介狀態動態選擇可達路徑。相較傳統的逐級中繼方法，隨著中繼級數和節點的增加，衍生出的可達路徑將成倍增加，增加了通信成功概率，提高了系統抄收的可靠性。3、異常事件主動上報技術在節點發生異常事件時，節點將根據自身記錄的偵聽信息分辨自身所屬的臺區，并按此臺區號作為目的地址進行上報自身的快速通信號。在執行事件快速上報時，首先要設置快速通信號，其次使能上報，最后進行讀取事件上報的報文操作，上報操作完成后將取消事件使能狀態。這樣就可以避免多臺區出現相同節點的上報所造成的混亂，隨后主站再根據快速通信號對異常事件進行提取。 4、多通信速率自適應技術該技術使得載波通信模塊可以根據現場環境和各速率自身特點自適應速率。路由支持登錄，嘗試學習，自動探測三種工作模式，和50bps，100bps，600bps, 1200bps四種載波速率，這四種載波速率隨著速率的提高，通信距離也有所衰減，客戶可以不同需要來設置不同的通信速率，載波通信模塊會根據現場環境自動選擇中繼路徑及中繼級別，以滿足通信可靠性的需求。5、信道數據沖突避免技術由于低壓電力線通信技術基于民用家庭(辦公)電線，因此無法為每一個端點劃分獨立的物理信道，從而低壓電力線載波通信技術只能基于共享方式。這樣沖突就不能避免，而電力線的拓撲環境比較隨意無序，因此傳統的沖突檢測方式難以進行，作為一種改進方式，載波通信模塊采用載波偵聽多路存取/沖突避免(CSMA)協議訪問公共的電力線信道，輔以自動重傳請求和電力數據包的優先權機制確保傳輸的可靠性。數據包優先等級的靈活設定，使得載波通信方式具有較強的突發業務處理能力，允許電力線上的多幀傳輸，極大的減輕了對網絡收端的要求，使網絡吞吐量達到最大，同時保證了最短延遲時間和最優的信號穩定性。采用本發明的基于載波和微功率無線通信雙模制式的戶內通信網絡架構后，將在如下方面帶來改善(1)戶內電器和智能終端可以根據使用特點選擇通信模式，例如水表、氣表等危險設備可以選用微功率無線通信方式進行控制，冰箱、電視等固定電氣可以使用穩定可靠的載波通信方式，從而避免了單一通信模式的功能缺陷，有效地拓寬了信息通道，提高了通信速率，消除了信號盲區。真正做到了低功耗，高性能，全覆蓋。(2)在智能家居通信架構的設計中，引入了家居網絡系統的概念，把計算機、音頻設備、視頻設備、各個智能插座、水汽熱采集單元，以及家居智能終端(包括能量管理、保險、安全、加熱、通訊等)連接成為一個整體，實現了家居資源的共享和管理。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種戶內通信網絡架構，其特征在于，包括智能交互管理終端、采集模塊；所述采集模塊，采集用水信息、用氣信息或電器用電信息，將用水信息、用氣信息以微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端，將電器用電信息以載波或微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端；所述智能交互管理終端以微功率無線的方式接收所述用水信息、用氣信息，以載波或微功率無線的方式接收所述電器用電信息，并將上傳到用以對所述用水信息、用氣信息或電器用電信息進行處理的外部處理中心。
2.根據權利要求1所述的戶內通信網絡架構，其特征在于所述采集模塊包括智能插座、智能水表、智能氣表、智能電表或智能家電。
3.根據權利要求1所述的戶內通信網絡架構，其特征在于所述外部處理中心包括用于對家庭用水信息、用氣信息或電器用電信息進行采集和處理的家庭能效管理中心、外部電力業務管理中心、外部燃氣管理中心、電信或銀行業務管理中心。
4.根據權利要求1所述的戶內通信網絡架構，其特征在于所述智能插座用于記錄和顯示連接在該智能插座的電器設備的用電信息，及接收遠程的控制命令；所述用電信息包括電壓、電流、功率、電能量。
5.根據權利要求1至4任一項所述的戶內通信網絡架構，其特征在于所述微功率無線方式采用WillFar的智能無線通信自組網技術。
6.根據權利要求5所述的戶內通信網絡架構，其特征在于所述WillFar的智能無線通信自組網技術采用節點雙向自動組網技術，網絡故障全自動修復技術。
7.根據權利要求1至4任一項所述的戶內通信網絡架構，其特征在于所述載波方式是低壓電力線載波方式，其利用輸電線路作為信號的傳輸媒介。
8.根據權利要求7所述的戶內通信網絡架構，其特征在于所述載波方式采用過零同步傳輸技術、動態自適應組網技術、異常事件主動上報技術、多通信速率自適應技術和信道數據沖突避免技術。
9.一種戶內通信網絡架構方法，其特征在于，包括采集用水信息、用氣信息或電器用電信息；通過載波的方式將所述用水信息、用氣信息上傳至對所述用水信息、用氣信息進行處理的外部處理中心；通過載波或微功率無線的方式將所述用電信息上傳至對所述用電信息進行處理的外部處理中心。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述微功率無線方式采用WillFar的智能無線通信自組網技術；所述載波方式是低壓電力線載波方式，其利用輸電線路作為信號的傳輸媒介；所述外部處理中心包括用于對家庭用水信息、用氣信息或電器用電信息進行采集和處理的家庭能效管理中心、外部電力業務管理中心、外部燃氣管理中心、電信或銀行業務管理中心。
全文摘要
公開了戶內通信網絡架構包括智能交互管理終端、采集模塊；所述采集模塊，采集用水信息、用氣信息或電器用電信息，將用水信息、用氣信息以微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端，將電器用電信息以載波或微功率無線的方式發送給所述智能交互管理終端；所述智能交互管理終端以微功率無線的方式接收所述用水信息、用氣信息，以載波或微功率無線的方式接收所述電器用電信息，并將上傳到用以對所述用水信息、用氣信息或電器用電信息進行處理的外部處理中心。還公開了戶內通信網絡架構方法。本發明避免了單一通信模式的功能缺陷，有效地拓寬了信息通道，提高了通信速率，消除了信號盲區。真正做到了低功耗，高性能，全覆蓋。
文檔編號H04W84/18GK102595654SQ20111000222
公開日2012年7月18日 申請日期2011年1月7日 優先權日2011年1月7日
發明者李順昕 申請人:華北電網有限公司計量中心