無線自組網水表抄表系統和抄表方法
【專利摘要】本發明公開了一種無線自組網水表抄表系統采用無線集中器、路由節點和水表節點組成的三層網絡結構，同時，公開了一種抄表方法，通過利用路由節點對水表節點的獲取和數據轉發，有效規避水表節點做路由方案中，各水表節點耗電不均的情況；兼具異步網絡和同步網絡的優點，能夠實現同步網絡的快速抄表和迅速響應，能夠實現異步網絡的極低功耗休眠同時規避了異步網絡抄表速度慢的缺點。
【專利說明】
無線自組網水表抄表系統和抄表方法
技術領域
[0001]本發明屬于水表抄表領域，尤其涉及一種無線自組網水表抄表系統和抄表方法。
【背景技術】
[0002]現有技術中的水表抄表系統常采用兩層網絡結構，即集中器+節點，節點兼做路由的網絡在工作時，由于哪個節點作為路由是不可控的，而作為路由的耗電量相對于普通節點要大很多，這樣就會造成做路由的節點和普通節點之間的耗電不均。
[0003]路由轉發水表數據有兩種方式，一種為異步網絡，一種為同步網絡，如圖1所示，異步網絡在抄表時，需要發送一串喚醒碼，喚醒碼時長要大于圖中的T_listening(Listeningtime si ice )+T_sleep( Sleep time slice)，一旦節點在偵聽時間內收到喚醒碼則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，平均喚醒后接收時長為T_listening/2+T_sleep+T_data(數據長度)；而同步網絡相對來說功耗就小的多，其平均喚醒接收時長為T_Sleep+T_data，因此，同步網絡相較于異步網絡在抄表速度和抄表功耗上都有很大的優勢;然而單純采用同步網絡，由于終端的RTC晶振精度等問題，需要頻繁的發送同步幀進行網絡同步，以防止失步造成的數據通信失敗。
[0004]現有技術中各水表節點在收到抄表命令后采用隨機時隙發送數據，其內部的隨機數生成程序先生成一個隨機時隙，其范圍小于最大時隙允許范圍，其后節點進入休眠，等待發送時隙到來將信息進行發送，由于時隙為隨機生成，存在一定的碰撞概率，因此采用多次重發的機制，即節點未收到正確的應答，將重新生成下一個發送時隙，如此往復，直到收到正確的應答信號或者達到最大重發次數限制。這樣的抄表方式碰撞率高，直接導致抄表效率低的問題。
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種無線自組網水表抄表系統和抄表方法，采用三層網絡結構，采用固定路由，能夠提高網絡整體的可靠性。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明中的無線自組網水表抄表系統，包括:無線集中器、路由節點和水表節點，水表節點分布在用戶端，各水表節點一方面直接與無線集中器連接，另一方面通過路由節點與無線集中器進行連接;所述無線集中器用于遠程獲取水表節點的水表數值;所述水表節點用于直接或間接向無線集中器發送水表數值;所述路由節點用于轉發水表節點的水表數值。
[0007]其中，所述無線集中器包括存儲單元、數據處理單元、數據發送單元和數據接收單元，所述存儲單元用于存儲系統中各路由節點和水表節點的信息，路由節點的信息包括物理地址和無線集中器為其分配的IP地址，水表節點的信息包括物理地址、水表數值和無線集中器為其分配的IP地址;所述數據處理單元用于為系統中路由節點和水表節點分配IP地址，每個節點的IP地址唯一;所述數據發送單元用于向各節點發送喚醒命令或應答信號，無線集中器通過向與其連接的各節點發送喚醒命令來獲取各節點的物理地址，并在應答信號中發送為各節點分配IP地址;所述數據接收單元用于接收各節點發送的信息。
[0008]其中，所述水表節點包括抄表單元、存儲單元、數據發送單元和數據接收單元，所述抄表單元用于獲取用戶的水流量并形成水表數值;所述存儲單元用于存儲無線集中器為該水表節點所分配的IP地址;所述數據發送單元用于發送該水表的物理地址和水表數值；所述數據接收單元用于接收無線集中器發送的喚醒命令、應答信號，以及路由節點發送的廣播命令和轉發無線集中器的應答信號。
[0009]其中，所述路由節點包括數據發送單元和數據接收單元，數據發送單元用于向無線集中器發送自身的物理地址，以及在系統中發送廣播命令來獲取無線集中器未直接獲取到的節點信息并通過自身IP地址轉發這些節點信息;數據接收單元用于接收各節點發送的應答信號，以及向各節點轉發無線集中器所分配的IP地址。
[0010]相應地，本發明還公開了一種無線自組網水表抄表方法，該方法包括以下步驟:
[0011]步驟1:無線集中器為直接獲取到的路由節點和水表節點進行IP地址的分配，并存儲相應的節點信息；
[0012]步驟2:無線集中器通過已知路由節點為未知節點分配IP地址，所述已知路由節點是指無線集中器中已經存儲了物理地址和IP地址的路由節點，所述未知節點包括無線集中器中尚未存儲物理地址和IP地址的路由節點和水表節點；
[0013]步驟3:各水表節點通過自身IP地址直接或間接向無線集中器發送水表數值。
[0014]其中，步驟I中無線集中器為直接獲取到的路由節點和水表節點分配IP地址，包括以下步驟:
[0015](I)無線集中器向與其連接的各節點發送喚醒命令；
[0016](2)路由節點在接收到喚醒命令后，向無線集中器發送第一應答信號，路由節點的第一應答信號包含了自身的物理地址;各水表節點在接收到喚醒命令后，向無線集中器發送第一應答信號，水表節點的第一應答信號包含了自身的物理地址和水表數值；
[0017](3)無線集中器判斷接收到的第一應答信號中包含的物理地址是否已經分配IP地址，若無則為接收到的路由節點和水表節點分別分配IP地址，向接收到的路由節點和水表節點發送第二應答信號，在所述第二應答信號中包含有為這些節點分配的IP地址；
[0018](4)接收到第二應答信號的路由節點和水表節點存儲無線集中器為自身分配的IP地址，并向無線集中器發送第三應答信號；
[0019](5)無線集中器接收第三應答信號，將獲取到的路由節點的物理地址和IP地址進行存儲;將獲取到的水表節點的物理地址、IP地址和水表數值進行存儲；
[0020]反復執行上述步驟(I)至(5)，直至完成預先設置的執行次數。
[0021]其中，無線集中器通過已知路由節點為未知節點分配IP地址，包括以下步驟:
[0022](I)各已知路由節點在系統中發送廣播命令；
[0023](2)系統中的各節點接收到廣播命令后，若自身未存儲IP地址，即確定自身為未知節點，則向各已知路由節點發送第一應答信號，未知路由節點的第一應答信號中包括了自身的物理地址，水表節點的第一應答信號包含了自身的物理地址和水表數值；
[0024](3)各已知路由節點將接收到未知路由節點和未知水表節點的信息通過自身的IP地址傳送給無線集中器；
[0025](4)無線集中器將已知路由節點轉發來的各未知節點信息進行存儲，并為這些未知節點分配IP地址，建立路由列表信息，所述路由列表信息記錄了路由節點的轉發過程；
[0026](5)各已知路由器按照路由列表信息為其獲取的各未知節點轉發無線集中器分配的IP地址；
[0027](6)各未知節點在收到已知路由轉發的IP地址后，進行存儲；
[0028]反復執行上述步驟(I)至(6)，直至完成預先設置的執行次數。
[0029]有益效果:本發明中的無線自組網水表抄表系統采用無線集中器、路由節點和水表節點三層網絡結構，由于路由節點是固定的，使用時可以針對路由節點耗電大的特點，在路由節點上采用容量更大的電池，這樣網絡整體的可靠性會大大提高;本發明中的網絡結構采用同步和異步相結合的抄表方式，開始抄表前全網絡進行一次異步喚醒，同時同步所有節點和路由，后續的數據傳輸采用同步模式;相應地，本發明的抄表方法采用多次重發，三次握手，確保通信成功率;進一步加入動態IP分配算法，集中器給節點應答的同時會分配一個IP地址，以后抄表時，節點只需根據自己的IP地址來生成發送時隙，由于在同一個網絡中IP地址是不重復的，因此發生碰撞的概率將會極低，因此重復的次數也會很少，并且不會有空時隙的存在，這樣優化了通信成功率和通信速度，提升了信道利用率。
【附圖說明】
[0030]圖1是現有技術中異步抄表網絡的數據傳輸時隙圖；
[0031]圖2是本發明中無線自組網水表抄表系統的結構示意圖；
[0032]圖3是本發明中無線自組網水表抄表方法的流程圖；
[0033]圖4為路由列表框架示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合實施例對本發明作更進一步的說明。
[0035]圖2中的無線自組網水表抄表系統，包括無線集中器、路由節點和水表節點，水表節點分布在用戶端，各水表節點一方面直接與無線集中器連接，另一方面通過路由節點與無線集中器進行連接;所述無線集中器用于遠程獲取水表節點的水表數值;所述水表節點用于直接或間接向無線集中器發送水表數值;所述路由節點用于轉發水表節點的水表數值;該抄表系統中任意節點之間都存在物理連接，只是最終形成的數據傳輸網絡需要通過無線集中器直接或間接獲取各節點信息建立連接。
[0036]無線集中器包括存儲單元、數據處理單元、數據發送單元和數據接收單元，所述存儲單元用于存儲系統中路由節點和水表節點的信息，路由節點的信息包括物理地址和無線集中器為其分配的IP地址，水表節點的信息包括物理地址、水表數值和無線集中器為其分配的IP地址;所述數據處理單元用于為系統中路由節點和水表節點分配IP地址，每個節點的IP地址唯一;所述數據發送單元用于向各節點發送喚醒命令或應答信號，無線集中器通過向與其連接的各節點發送喚醒命令來獲取各節點的物理地址，并在應答信號中發送為各節點分配IP地址;所述數據接收單元用于接收各節點發送的信息。所述水表節點包括抄表單元、存儲單元、數據發送單元和數據接收單元，所述抄表單元用于獲取用戶的水流量并形成水表數值;所述存儲單元用于存儲無線集中器為該水表節點所分配的IP地址;所述數據發送單元用于發送該水表的物理地址和水表數值;所述數據接收單元用于接收無線集中器發送的喚醒命令、應答信號，以及路由節點發送的廣播命令和轉發的應答信號。所述路由節點包括數據發送單元和數據接收單元，數據發送單元用于向無線集中器發送自身的物理地址和獲取到的各節點的信息，以及在系統中發送廣播命令來獲取無線集中器未直接獲取到的節點信息;數據接收單元用于接收各節點發送的應答信號，以及向各節點轉發無線集中器所分配的IP地址。
[0037]本發明針對上述無線自組網水表抄表系統提供了一種抄表方法，如圖3所示，該抄表方法包括以下步驟:
[0038]步驟1:無線集中器為直接獲取到的路由節點和水表節點進行IP地址的分配，具體包括以下步驟:
[0039](I)無線集中器向與其連接的各節點發送喚醒命令，該步驟在喚醒所有路由節點和水表節點的同時，將無線集中器、路由節點、水表節點進行同步；
[0040](2)路由節點在接收到喚醒命令后，向無線集中器發送第一應答信號，路由節點的第一應答信號包含了自身的物理地址;各水表節點在接收到喚醒命令后，向無線集中器發送第一應答信號，水表節點的第一應答信號包含了自身的物理地址和水表數值；
[0041](3)無線集中器利用接收到的第一應答信號中包含的物理地址來檢查該物理地址是否已經分配IP地址，若無則為接收到的路由節點和水表節點分別分配IP地址，向接收到的路由節點和水表節點發送第二應答信號，在所述第二應答信號中包含有為這些節點分配的IP地址；
[0042](4)接收到第二應答信號的路由節點和水表節點存儲無線集中器為自身分配的IP地址，并向無線集中器發送第三應答信號；
[0043](5)無線集中器將接收到的路由節點的物理地址和IP地址進行存儲;將接收到的水表節點的物理地址、IP地址和水表數值進行存儲；
[0044]反復執行上述步驟(I)至(5)，直至完成預先設置的執行次數，所述執行次數根據系統中水表節點的個數以及距離無線集中器的距離來進行設置。
[0045]為了便于描述，對于無線集中器中已經存儲了物理地址和IP地址的節點稱為已知節點，沒有存儲的稱為未知節點。
[0046]步驟2:無線集中器通過已知路由節點為未能直接獲取到的未知路由節點和水表節點分配IP地址，具體包括以下步驟:
[0047](I)各已知路由節點在系統中發送廣播命令；
[0048](2)系統中的各節點接收到廣播命令后，若自身未存儲IP地址，即確定自身為未知節點，則向各已知路由節點發送第一應答信號，未知路由節點的第一應答信號中包括了自身的物理地址，水表節點的第一應答信號包含了自身的物理地址和水表數值；
[0049](3)各已知路由節點將接收到未知路由節點和未知水表節點的信息通過自身的IP地址傳送給無線集中器；
[0050](4)無線集中器將已知路由節點轉發來的各未知節點信息進行存儲，并為這些未知節點分配IP地址，建立路由列表信息，所述路由列表信息記錄了路由節點的轉發過程；
[0051](5)各已知路由器按照路由列表信息為其獲取的各未知節點轉發無線集中器分配的IP地址；
[0052](6)各未知節點在收到已知路由轉發的IP地址后，進行存儲；
[0053]反復執行上述步驟(I)至(6)，直至完成預先設置的執行次數。
[0054]步驟3:經過步驟I和步驟2的節點獲取，無線集中器中已經存儲了各路由節點和水表節點的信息，后續抄表時，各水表節點通過自身IP地址并結合路由列表信息向無線集中器發送水表數值。
[0055]本發明中以圖4為例說明已知路由節點獲取未知節點的過程，相應內容以路由列表信息存儲在無線集中器，如圖4所示，路由節點I為無線集中器直接獲取到的路由，其余路由節點為無線集中器未直接獲取到的路由，即未知路由，路由節點I獲取到路由節點2和水表節點3后并向無線集中器進行轉發，無線集中器記錄路由節點I與路由節點2、水表節點3之間的獲取關系，形成路由列表，并為路由節點2和水表節點3分配IP地址，使其成為已知節點，無線集中器在為路由節點2和水表節點3分配IP地址的時候涉及兩個因素，一是IP地址的唯一分配，二是路由列表記錄的轉發關系;路由節點2和水表節點3獲取無線集中器為其分配的IP地址需要經過路由節點I的轉發。在后續執行步驟(I)至(6)的過程中，路由節點2獲取到了水表節點4和路由節點5，路由節點2利用自身的IP地址通過路由節點I的轉發向無線集中器發送獲取到的節點信息，無線集中器進行路由列表的更新，此時的路由列表中便記錄了路由節點I至路由節點5之間的獲取關系;水表節點4和路由節點5獲取無線集中器為其分配的IP地址需要經過路由節點I和路由節點2的相繼轉發。在后續執行步驟(I)至(6)的過程中，路由節點5又獲取到了路由節點6和水表節點7，但路由節點6未在獲取到新的未知節點，路由列表的更新至此;水表節點7和路由節點6獲取無線集中器為其分配的IP地址需要依次經過路由節點1、路由節點2和路由節點5的相繼轉發。
[0056]對于無線集中器直接可以獲取到的水表節點，其可以直接通過自身IP地址向無線集中器發送水表數值;而對于無法直接向無線集中器發送水表數值的水表節點需要經過路由節點的轉發，其向無線集中器發送水表數值的轉發過程與其獲取自身IP的轉發過程是相反的，例如，對于上述水表節點3向無線集中器發送其水表數值時則需要經過路由節點I的轉發，同理，水表節點4向無線集中器發送其水表數值時則需要依次經過路由節點2和路由節點I的相繼轉發;水表節點7向無線集中器發送其水表數值時需要依次經過路由節點5、路由節點2和路由節點I的相繼轉發。
[0057]上述過程中已經分配IP地址的路由節點即已知路由節點可以在抄表時用于數據轉發，而已知水表節點不負責數據轉發，僅采用路由節點進行數據轉發，使用時便可以針對路由節點耗電大的特點，在路由節點上采用容量更大的電池，這樣網絡整體的可靠性會大大提尚O
[0058]本發明中的無線自組網水表抄表系統采用路由節點進行節點獲取和數據轉發，可以隨抄隨組，網絡中添加刪除路由節點和水表節點時，系統均能快速識別，不需要人為干預，同時多徑的路由設計使得系統在每次抄表時總能選擇到信號最優的路徑，大大提高了一次抄表的成功率。
[0059]另外，本發明中的無線集中器還可以根據用戶的設定，在預設的時間點對水表節點進行定時抄表，用戶只需要讀取集中器中抄讀的數據，大大提高了用戶的抄表效率。
[0060]以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種無線自組網水表抄表系統，其特征在于，包括:無線集中器、路由節點和水表節點，水表節點分布在用戶端，各水表節點一方面直接與無線集中器連接，另一方面通過路由節點與無線集中器進行連接;所述無線集中器用于遠程獲取水表節點的水表數值;所述水表節點用于直接或間接向無線集中器發送水表數值;所述路由節點用于轉發水表節點的水表數值。2.根據權利要求1所述的無線自組網水表抄表系統，其特征在于，所述無線集中器包括存儲單元、數據處理單元、數據發送單元和數據接收單元，所述存儲單元用于存儲系統中各路由節點和水表節點的信息，路由節點的信息包括物理地址和無線集中器為其分配的IP地址，水表節點的信息包括物理地址、水表數值和無線集中器為其分配的IP地址;所述數據處理單元用于為系統中路由節點和水表節點分配IP地址，每個節點的IP地址唯一;所述數據發送單元用于向各節點發送喚醒命令或應答信號，無線集中器通過向與其連接的各節點發送喚醒命令來獲取各節點的物理地址，并在應答信號中發送為各節點分配IP地址;所述數據接收單元用于接收各節點發送的信息。3.根據權利要求1所述的無線自組網水表抄表系統，其特征在于，所述水表節點包括抄表單元、存儲單元、數據發送單元和數據接收單元，所述抄表單元用于獲取用戶的水流量并形成水表數值;所述存儲單元用于存儲無線集中器為該水表節點所分配的IP地址;所述數據發送單元用于發送該水表的物理地址和水表數值;所述數據接收單元用于接收無線集中器發送的喚醒命令、應答信號，以及路由節點發送的廣播命令和轉發無線集中器的應答信號。4.根據權利要求1所述的無線自組網水表抄表系統，其特征在于，所述路由節點包括數據發送單元和數據接收單元，數據發送單元用于向無線集中器發送自身的物理地址，以及在系統中發送廣播命令來獲取無線集中器未直接獲取到的節點信息并通過自身IP地址轉發這些節點信息;數據接收單元用于接收各節點發送的應答信號，以及向各節點轉發無線集中器所分配的IP地址。5.一種無線自組網水表抄表方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟1:無線集中器為直接獲取到的路由節點和水表節點進行IP地址的分配，并存儲相應的節點信息； 步驟2:無線集中器通過已知路由節點為未知節點分配IP地址，所述已知路由節點是指無線集中器中已經存儲了物理地址和IP地址的路由節點，所述未知節點包括無線集中器中尚未存儲物理地址和IP地址的路由節點和水表節點； 步驟3:各水表節點通過自身IP地址直接或間接向無線集中器發送水表數值。6.根據權利要求5所述的無線自組網水表抄表方法，其特征在于，步驟I中無線集中器為直接獲取到的路由節點和水表節點分配IP地址，包括以下步驟: (11)無線集中器向與其連接的各節點發送喚醒命令； (12)路由節點在接收到喚醒命令后，向無線集中器發送第一應答信號，路由節點的第一應答信號包含了自身的物理地址;各水表節點在接收到喚醒命令后，向無線集中器發送第一應答信號，水表節點的第一應答信號包含了自身的物理地址和水表數值； (13)無線集中器判斷接收到的第一應答信號中包含的物理地址是否已經分配IP地址，若無則為接收到的路由節點和水表節點分別分配IP地址，向接收到的路由節點和水表節點發送第二應答信號，在所述第二應答信號中包含有為這些節點分配的IP地址； (14)接收到第二應答信號的路由節點和水表節點存儲無線集中器為自身分配的IP地址，并向無線集中器發送第三應答信號； (15)無線集中器接收第三應答信號，將獲取到的路由節點的物理地址和IP地址進行存儲;將獲取到的水表節點的物理地址、IP地址和水表數值進行存儲； 反復執行上述步驟(11)至(15)，直至完成預先設置的執行次數。7.根據權利要求6所述的無線自組網水表抄表方法，其特征在于，無線集中器通過已知路由節點為未知節點分配IP地址，包括以下步驟: (21)各已知路由節點在系統中發送廣播命令； (22)系統中的各節點接收到廣播命令后，若自身未存儲IP地址，即確定自身為未知節點，則向各已知路由節點發送第一應答信號，未知路由節點的第一應答信號中包括了自身的物理地址，水表節點的第一應答信號包含了自身的物理地址和水表數值； (23)各已知路由節點將接收到未知路由節點和未知水表節點的信息通過自身的IP地址傳送給無線集中器； (24)無線集中器將已知路由節點轉發來的各未知節點信息進行存儲，并為這些未知節點分配IP地址，建立路由列表信息，所述路由列表信息記錄了路由節點的轉發過程； (25)各已知路由器按照路由列表信息為其獲取的各未知節點轉發無線集中器分配的IP地址； (26)各未知節點在收到已知路由轉發的IP地址后，進行存儲； 反復執行上述步驟(21)至(26)，直至完成預先設置的執行次數。
【文檔編號】H04W84/18GK105933468SQ201610412963
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】曹祥春, 張凱
【申請人】江蘇賽達電子科技有限公司