CN1868138A - 用于在交流供电网络上进行数据收集的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网络通信工程，并用于从电表、量热计、水表、气表等等自动收集数据的系统中。技术效果是，大大简化了从单元的内部结构，增加了系统的噪声耐量。该效果是通过使用系统供电线电压的基波的过零点作为字符同步事件来实现的。

Description

用于在交流供电网络上进行数据收集的系统

技术领域

本发明涉及在交流(ac)供电网络上进行数据收集和通信，并能够用于从远程传感器(电表，水表，量热计，等等)低速获取数据，和/或在远程终端设备(道路照明灯，制动器，等等)上实施控制。

背景技术

已知一种用于在交流供电线上进行数据收集的系统(美国专利申请公开NO.6021137，分类号H04J013/02，1997年2月14日公开)，其中，数据收集系统的主单元发送一个所谓的宽带轮询信号，该信号被所有系统从单元同时接收和检测到，响应于该信号，这些从单元开始连续传输数据。这种系统的主要问题在于，所有网络部件都同样的缺乏字符同步事件。这就导致了从单元必须连续的、以实时模式执行对输入电压的复杂数字处理，以搜寻宽带轮询信号的起始段。这种情况对从单元硬件的计算性能提出了高要求，这就大大复杂化和增加了实际实现的成本。

发明内容

本发明解决了这样的问题，即，产生一种耐噪声的、价格便宜的数据收集系统，该系统可以从多个联接到交流供电网络的低速传感器收集数据，这些低速传感器例如是电表、水表、量热计等等。

技术效果是，从材料上简化了从单元的内部结构，增加了系统的噪声耐量。可以获得实现本发明的技术效果，这是因为，数据收集系统的每一个部件都包括一个具有滞后的比较器作为硬件的一部分，该比较器的参考输入联接到网络第一导线，该比较器的信号输入联接到网络第二导线。比较器状态触发点作为字符同步事件，也就是，对于某个给定部件而言用作每下一比特的信号启动传输或接收，或者使得内部半周期计数器的计数加一。

比如电表、量热计、水表、气表等等的数据源的通用特性是，在24小时内才会产生相当小量的信息。因此，例如，作为常规，当测定能源花费时，每个月从标准单计量和单相供应计量表上读取一次。大家清楚的是，这种计量表产生信息的平均速率是非常低的(每月大约6个十进制数字)，所以对于交流网络使用传统的平均调制解调器和低速调制解调器(具有每秒数千比特或甚至数百比特的传输率)来收集变化如此之慢的数据是没有必要的，并相对于理论上的可能情况，人为的导致这种数据收集系统产生大量的复杂因素和低噪声稳定性。数据收集系统(图1)采用一个主单元1以及多个从单元2，所有系统单元都电联接到网络3的同一段。主单元和从单元的内部结构非常相似，包括下面的相同部件：一个保护和信号联接设备4、带通滤波器5、模数转换器(ADC)6、低通滤波器7、数模转换器(DAC)8、具有滞后的比较器9、中断输入10。区别在于，系统主单元包括一个存储器块11、前端接口单元12、大功率数字信号处理器13以及通信通道14；相对简单和廉价的从单元整个构建在一个通用微控制器15上，该微控制器经一个通信通道16从一个本地传感器接收数据，该数据将被传输到主单元。系统运行频带是20到95千赫兹。

附图说明

在附图中，给出了关于如何实现在交流供电网络上进行数据收集的系统以及在此基础上形成的通信系统的解释性材料。

图1是数据收集系统的方块图。

图2给出了在数据收集系统中互换的通用结构。

图3详细示出通过系统主单元发送的定时信号的调制方法。

具体实施方式

数据收集系统以下面的方式运行(图1、2)。比较器9拾取主电压17变成零18的时刻，因此产生对于整个系统实际同步的一序列计时标19，其用于所有部件的主(primary)(比特)定时。系统主单元发送一个严格周期性长定时信号20，该信号由所有系统从单元同时接收和检测到。连续定时信号20被数据传输间隔21中断，在该间隔期间，系统主单元仅以接收模式运行，响应于每一个定时信号，从单元以时间共享(time-share)模式传输它们的数据到主单元，一次一个比特地传输。这样，第一从单元在数据传输间隔的第一比特区间内传输它的数据22，第二从单元在第二比特区间内传输它的数据23，第三从单元在第三比特区间内传输它的数据24，依此类推。数据传输间隔的总体持续时间是这样选择的，即，所有系统从单元都有足够的时间来发送它们的下一比特数据。定时信号和数据传输间隔共同组成一个传输帧25。为了调制由系统主单元1传输的定时信号20，使用一种变型的相对相位调制的方法(图3)。首先以数字形式由系统主单元的数字信号处理器13产生定时信号20；然后在DAC8中它被整形为阶跃电压，并在低通滤波器7中得以平滑，然后经联接设备4发送到网络3。定时信号包括多重比特间隔，在这些间隔期间，系统主单元传输独特的256比特同步序列；每一个比特在网络电压的一个半周期期间被传输，并被编码成四个正弦波振荡的连续传送段(片)26-29，被传输的数据被编码成用于所有四个片的一序列初始相位。二进制码的“0”位由一序列初始相位{0°，90°，0°，90°}传输，“1”位由一序列{0°，90°，180°，270°}传输。这种调制方案虽然能量效率低于传统的二进制码片调制，但是具有接收器在信号检测和解调上的计算付出双倍减少的优点，这是因为，不同于传统的方案，该方案不必在这种情况下同时保持两个信号处理的正交(quadrature)通道。根据线性法则，通过利用八倍于传输单比特的周期频率选择，实现定时信号的频谱散射，而传输频率这样选择，即，首先它们应当均匀隔开，第二它们应当均匀填充在系统运行频率范围内。因此，定时信号的第一个比特以第一、最低频率传输，这对于每一个从单元都是已知的，第二个比特以每一个从单元已知的第二频率传输，依此类推，直至最后的、最高的第八频率。在此之后，一序列频率选择倍重复31次之多，通过利用实际上整个运行频率范围，使得同步序列的所有256比特都被传输。

从单元的比特接收器以下面的方式运行。从网络3开始，定时信号通过联接设备4、带通滤波器5，进而在ADC6中被转换成数字形式，并在严格对应于接收器在给定时间被调谐的频率的半周期的相同间隔，由微控制器15进行采样。ADC奇数样本则通过微控制器添加到信号累加器当中，而偶数样本从其中提取。在接收的每一个比特定时信号的每一片的末尾，信号累加器的内容被保存，此后累加器置零。因此，通过完成最后的第四片，四个号码X₁、Y₁、X₂、Y₂被保存在微控制器的存储器中。容易看到，成对的这些号码是从单元接收器的本地振荡器信号矢量在主单元传输器的振荡器正交轴上的投影(projection)。在这种情况下，如果系统主单元以给定比特间隔已经传输了‘0’，那么矢量{X₁，Y₁}和{X₂，Y₂}将指向一个方向，如果‘1’被传输，那么，将指向相反方向。通过在复平面中将矢量{X₁，Y₁}乘以相邻的矢量{X₂，Y₂}，从单元接收器终止比特解调，接着，确定产品的实数部分的符号，在这种情况下，将是X₁X₂-Y₁Y₂。如果所测定的实数部分符号是正的，那么是传输了‘0’；如果它是负的，那么是传输了‘1’。微控制器采样输入信号并且等于被接收的信号载波的频率的两倍的频率，一比特一比特地变化，并具有和系统主单元的传输器相同的周期规律。由接收器解调的定时信号比特然后进入一个FIFO(先入先出)类型的256比特串行移位寄存器。每当下一个比特进入该寄存器，该寄存器的内容就和接收器已知的同步序列进行比较；如果出现许多位的重合超过了一些预定门限值，其中该门限值从噪声的给定假警报概率中选择，那么该定时信号假定是由接收器来检测的。在这种情况下，对于下一个比特间隔，根据系统主单元传输器的下一个比特通信的预期频率，接收器线性改变其载波频率(频率扫描)。所述的接收器运行的机理使得它不仅可以发现定时信号本身，还可以发现其调制的事实。例如，在最简单的情况下，主单元可以传输对应于正向同步序列的定时信号，反向同步序列也就是所有的零位都已经被置换成一位的序列，反之亦然。在这种情况下，接收器对重合的位数P进行计数，同时，对移位寄存器的内容和已知正向同步序列之间的非重合位数N进行计数。如果P或者N超过了预定方向门限值，则认为同步序列已经被接收器检测到，同时，主单元已经将‘0’或者‘1’的比特值分别传输到所有从单元。从单元接收器具有两个基本的运行模式-定时信号搜索模式和在线模式。在启动电源之后，马上进入搜索模式。该模式的主要目的是建立每个从单元和系统主单元之间的帧同步。从单元接收器本身实际上在其所有模式中的运行都是一样的，不同之处在于，在搜索模式中，它是连续运行的，周期性改变其频率扫描的初始相位，直到它和主单元接收器的频率扫描的初始相位重合并且第一定时信号已经被接受到。在此之后，从单元传输器开始周期性运行，每一个数据传输间隔21传输一个比特，并且从单元接收器切换到在线模式，并即时启动，仅仅为了在下一帧25的起点确认定时信号20的预期出现。包含远程传感器状态、并经通信通道16由从单元接收的数据被从单元传输器以64比特分组的形式在每一个帧25内传输一个比特。分组被连续传输，一个接一个，没有停顿。

为了检验本发明是否满足了发明者级的要求，进行一项额外的搜索，搜索和那些不同于原型的特征相符的已知特征。其结果显示，对于本领域技术人员而言，本发明并不是直接根据已知的工程级得出的，因为本发明的技术方案并不是已知的，本发明的技术方案不是采用来自远程传感器的轮询信号，而是采用由系统主单元或一些其它特定设备发送的暂时性定时信号(并不必总是出现)。

工业实用性

因此上述信息证明，通过利用本发明，满足了以下一组条件：

-采用本发明来实现的装置用于电网络通信领域，更具体而言，用于从远程传感器收集数据的系统中；

-通过上述内容或者本申请优先权日之前的已知内容中的装置和方法，证实了实现本发明的可能性，其在附属的权利要求中得以限定；

-实现采用本发明的装置时能够提供申请人预料的技术效果。

Claims (5)

1.一种用于经交流供电网络进行数据收集的系统，包括一个主单元和多个从单元，其中所述主单元发送预定形式的定时信号，该信号包括一个或多个字符，并由所有从单元同时接收，其中所有系统单元都采用系统供电网络电压的基波的过零点作为字符同步事件，主单元以相同间隔严格周期性地发送所述定时信号，而从定时信号终点起，号码为N的从单元在网络基本电压的第N个半周期期间传输数据。

2.根据权利要求1的用于数据收集的系统，其中在暂时没有定时信号的情况下，从单元在网络基本电压的“它们的”半周期内继续传输数据，从定时信号的已知周期值开始计算它们的位置。

3.根据权利要求1和2中任意一个的用于数据收集的系统，其中供应定时信号的源不是系统主单元，而是其它的单独设备。

4.根据权利要求1、2、3中任意一个的用于数据收集的系统，其中定时信号受到调制，并用于从主单元传输广播数据至从单元。

5.根据权利要求1、2、3中任意一个的用于数据收集的系统，其中由主单元和从单元传输的所有信号的持续时间等于网络电压半周期的1/3，并以系统供电线电压的基波的过零点为中心。

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