DE10213114A1

DE10213114A1 - Verfahren zur periodischen Funkübertragung der Messdaten einer Mehrzahl von Messgeräten aufe inen gemeinsamen Empfänger

Info

Publication number: DE10213114A1
Application number: DE2002113114
Authority: DE
Inventors: Holger Birke; Ulrich Pfeiffer
Original assignee: Kundo Systemtechnik GmbH
Current assignee: Kundo Systemtechnik GmbH
Priority date: 2002-03-23
Filing date: 2002-03-23
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2022-03-24
Also published as: DE10213114B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur periodischen Funkübertragung der Messdaten einer Mehrzahl von Messgeräten auf einen gemeinsamen Empfänger, insbesondere der Verbrauchsdaten von Wärmemengenzählern, Heizkostenzählern sowie Wasserzählern, bei dem die Messgeräte die Messdaten periodisch in einem Zeitfenster senden und bei dem sich der Empfänger zum Empfang der gesendeten Messdaten in Empfangsbereitschaft befindet. Um die Stromaufnahme im Empfänger zu verringern, wird vorgeschlagen, dass der Empfänger nur in einem Zeitfenster in Empfangsbereitschaft versetzt wird, wenn die Übertragung der Messdaten eines bestimmten Messgerätes erwartet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur periodischen Funkübertragung der Messdaten einer Mehrzahl von Messgeräten auf einen gemeinsamen Empfänger, insbesondere der Verbrauchsdaten von Wärmemengenzählern, Heizkostenverteilern sowie Wasserzählern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ziel und Zweck der erfindungsgemäßen Funkübertragung ist die Übermittlung von Sensordaten einzelner Messgeräte über Funk an einen zentralen Datensammler, damit die einzelnen Messwerte zeitlich versetzt und zentral gesammelt sowie elektronisch ausgelesen werden können. Eine Funkübertragung eignet sich hierfür besonders, weil das System damit keinerlei Verkabelung benötigt.
Das besondere Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Verbrauchsdaten von Wärmemengenzählern, Wasserzählern sowie Heizkostenverteilern in einem zentralen Datensammler zur Verfügung gestellt werden sollen. Somit wird das System hauptsächlich im Hausbereich eingesetzt. Dabei erfolgt die Messdatenübertragung beispielsweise 1 mal pro Monat. Beispielsweise können mit dem System die Messdaten von beispielsweise 1.000 Messgeräten betrieben werden, wobei die Systemlebezeit auf 10 Jahre ausgelegt ist.
Bei der bisherigen Verbrauchsdatenerfassung im vorbeschriebenen Hausbereich kann die Übertragung der Messdaten durch die Messgeräte beispielsweise alle 2 Stunden erfolgen. Kennzeichnend hierfür ist jedoch, dass sowohl die Übertragungsfrequenz als auch der Zeitpunkt der Übertragung im Laufe der Zeit driftet. Der Empfänger zum Empfang der Messdaten befindet sich im Dauerbetrieb. Die gesamte Frequenz wird gescannt. Aufgrund des Dauerbetriebs ist nachteiligerweise eine hohe Stromaufnahme erforderlich. Dies macht es notwendig, den Empfänger mit einem Netzanschluss zu versehen, was aufwendig und damit teuer ist. Auch das vorbeschriebene Scannen der Frequenzen ist aufwendig und damit teuer.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur periodischen Funkübertragung der Messdaten einer Mehrzahl von Messgeräten auf einen gemeinsamen Empfänger zu schaffen, welches es erlaubt, die Stromaufnahme im Empfänger zu verringern.
Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.
Die Vorteile, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden sind, sowie vorteilhafte Weiterbildungen hiervon werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachfolgend erläutert:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Funkübertragung der Messdaten einer Vielzahl von Messgeräten MG im Hausbereich auf gemeinsame Datensammler sowie von dort aus auf einen gemeinsamen Master-Datensammler;
Fig. 2a einen schematischen Zeitablauf der Verfahrensdurchführung;
Fig. 2b ein vergrößerter Detailausschnitt aus dem Schaubild in Fig. 2a im Bereich des gestrichelten Ovals.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Messdatenübertragungsverfahrens besteht darin, den für sämtliche Messgeräte gemeinsamen Empfänger nicht mehr - wie bisher - im Dauerbetrieb zu betreiben, sondern den Empfänger nur in bestimmten Zeitintervallen in Empfangsbereitschaft zu versetzen, in denen dann von den Messgeräten ausgesendete Messdaten empfangen werden sollen bzw. können. Hierzu ist es erforderlich, die beiden Zeitfenster zu synchronisieren. Bezüglich des Systemaufbaus erfolgt eine unidirektionale Funkübertragung zwischen den Messgeräten und den Datensammlern (Empfänger). Die Weiterleitung der Messdaten der Messgeräte erfolgt auf bidirektionaler Basis zwischen den Datensammlern bis zu einem Master-Datensammler. Ein System kann bis zu 1.000 Messgeräte, 9 Datensammler sowie 1 Master-Datensammler beinhalten. Das Minimalsystem ist bis zu 100 Messgeräte und 1 Datensammler ausgelegt. Eine Erweiterung auf 8.000 Messgeräte ist denkbar und möglich.
Die Funkübertragung basiert auf dem Protokoll, welches durch die CEN TC294 definiert wurde. Es wird dabei der Frequenzbereich 868 bis 870 MHz benutzt. Für die Datenübertragung von den Messgeräten zum Datensammler ist das Frequenzband mit 1% Duty-Cycle vorgesehen. Zur Übertragung zwischen den Datensammlern wird das Frequenzband mit 10% Duty-Cycle genutzt. Die Datensammler sind dabei in der Lage, auf allen 4 zugelassenen Frequenzen im bidirektionalen Betrieb zu arbeiten, so dass damit ein Realtime-Betrieb möglich ist.
Aufgrund des Batteriebetriebs geht der Empfänger nur zu bestimmten sowie kurzen Zeitpunkten auf Empfang. Ebenfalls ist die Energie des Senders, nämlich der Messgeräte begrenzt. Die Sendedauer ist dabei durch die Duty-Cycle-Regelung begrenzt. Das Messgerät wird dabei nur mit einem Sender ausgestattet, da ein Transciver zu kostenintensiv ist. Dementsprechend ist die Kommunikation zwischen den Messgeräten und dem Datensammler unidirektional.
Die Daten, welche von den Messgeräten zu den Datensammlern gesendet wurden, werden zwischen den Datensammlern ausgetauscht. Hierbei wandern die Daten zum Master- Datensammler durch. Damit dies funktioniert, führt der Master-Datensammler beim Initialisieren eine Netzwerksuche durch, welche die einzelnen Datensammler (die dem Master- Datensammler zuvor mitgeteilt wurden) sucht. Der Netzwerkaufbau, der den Weg des Datenflusses definiert, wird dann den einzelnen Datensammlern vom Master-Datensammler aus mitgeteilt. Hierbei werden auch Alternativpfade berücksichtigt. Dies bedeutet in letzter Konsequenz, dass ein Messgerät von dem Datensammler N auch von den Datensammlern N - 1 oder N + 1 übernommen werden kann, wenn der Datensammler N nichts empfängt. Außer dem vorbeschriebenen Backbone in Linienstruktur können Topologien in stern-, kamm- oder baumförmiger Struktur oder einer Mischung aus allen aufgebaut werden.
Wie nachfolgend noch auszuführen sein wird, besteht jedes Funktelegramm aus einem Synchronisationstelegramm und einem Datentelegramm. Diese Telegramme sind für jede Datenübertragung identisch aufgebaut. Lediglich das Datentelegramm kann von unterschiedlicher Länge sei, was im Telegramm hinterlegt ist. Es können somit unterschiedlichste Daten von verschiedenen Sendern empfangen werden.
Zur optimalen Energieausnutzung muss der Empfänger wissen, wann der Sender sendet. Hierbei ist zu beachten, dass der Empfänger und der Sender aufgrund der Quarzdrift der Hardware nur eine begrenzt genaue Zeitbasis besitzen. Deswegen wird gemäß der Weiterbildung in Anspruch 2 eine Synchronisation vorgeschlagen. Die Grundidee besteht darin, dass der Empfänger, wenn er die Synchronisationsdaten empfängt, in Bereitschaft versetzt wird, dass nach den Synchronisationsdaten die Messdaten übertragen werden und empfangen werden sollen. Bei der Übermittlung des Funktelegramms wird somit zwischen den Synchronisationstelegrammen und dem Datentelegramm unterschieden. Der Sender sendet beispielsweise 30 Sekunden lang Synchronisationstelegramme mit einem Pausenverhältnis von 1 : 4, welche auf den Zeitpunkt der Sendung des Datentelegramms hinweisen. Als Letztes wird dann das Datentelegramm selbst gesendet. Dies wiederholte sich ca. alle 25 Stunden, um so eine Kollision mit den Sendeaktivitäten anderer Messgeräte zu vermeiden.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 schlägt vor, dass die Synchronisationsdaten Kenndaten des jeweiligen Messgerätes beinhalten, so dass aufgrund der Synchronisationsdaten identifizierbar ist, um welches Messgerät es sich gerade handelt.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 4 stellt einen Kompromiss für die Stromverbrauchsbilanz zwischen dem Empfänger und den Messgeräten dar.
Eine bevorzugte Weiterbildung schlägt Anspruch 5 vor. Die Grundidee besteht darin, das Synchronisationstelegramm nicht nur ein einziges Mal zu senden (in diesem Fall müsste das Zeitfenster im Empfänger aufgrund der Drift entsprechend groß sein), sondern das Synchronisationstelegramm mehrfach als Paket zu senden, wobei zwischen diesen Sendeaktivitäten eine Pause eingelegt wird, in welcher der Sender nicht in Betrieb ist. Dadurch wird entsprechend Energie eingespart. Die gepulsten Synchronisationstelegramme über den gesamten, erwarteten Zeitraum sowie ein kurzer Empfangsschlitz in der Empfangsbereitschaft des Empfängers gewährleisten eine geringe Energieaufnahme im Empfänger.
Um zu gewährleisten, dass die gepulsten Synchronisationstelegramme auch von dem Empfänger in dem kurzen Empfangsschlitz empfangen werden, schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 ein weitergeführtes Verfahren vor. Die Grundidee ist, dass der Empfänger nur ein Synchronisationstelegramm zu empfangen braucht, um den genauen Zeitpunkt des Datentelegramms zu erfahren. Hierzu wird der Empfänger zum erwarteten Zeitpunkt im Minimum für die Dauer der doppelten Länge des Synchronisationstelegramms plus der Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationstelegrammen geöffnet (siehe auch Fig. 2b). Aufgrund dieser überlappenden Empfangsphase wird gewährleistet, dass der Empfänger ein Synchronisationstelegramm empfängt, auch wenn das Sendesignal zeitlich versetzt kommt. Bis zu dem Zeitpunkt dieses Ereignisses kann der Empfänger in einem energiesparenden Wartemodus bleiben.
Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 7 kann sich der Empfänger außerdem nun rechnerisch auf die Mitte des nächsten Sendefensters einstellen, da dies durch die Gerätenummer des Senders eindeutig bestimmt ist. Dadurch wird eine Zeitdrift-Kompensation geschaffen.
Eine weiter bevorzugte Weiterbildung schlägt Anspruch 8 vor. Wird nämlich kein Synchronisationstelegramm erkannt, so kann sich der Empfänger aus dem letzten Telegramm den Zeitpunkt für das nächste Sendefenster errechnen. Dann muss aber aufgrund der eingetretenen Driften das Zeitfenster im Mittel doppelt so lang aufgehalten werden. Wird dort wieder kein Synchronisationstelegramm empfangen, wird das Zeitfenster viermal so groß etc. Die Wahrscheinlichkeit eines derartigen Effekts wird als Nebeneffekt einer Maßnahme zur Kollisionsvermeidung stark vermindert.
Um die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger einzuleiten, muss eine Initialisierungsphase, d. h. ein Start der Synchronisation stattfinden. Diese wird typischerweise nach der Installation gestartet. Gemäß der Weiterbildung hierfür in Anspruch 9 ist der Empfänger für eine längere Zeit beispielsweise alle 30 sec im Minimum für die Dauer der doppelten Länge des Synchronisationstelegramms plus der Pause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Synchronisationstelegrammen geöffnet. Es können dabei drei Initialisierungsmethoden unterschieden werden. Eine vollautomatische Initialisierungsmethode sieht vor, dass die Sender beim Installieren eine spezielle Kennung mitsenden, welche vom Empfänger erkannt wird. Die Initialisierung dauert eine definierte Zeit. Die Sender senden beim Installieren für eine bestimmte Zeit häufiger. Eine halbautomatische Initialisierungsmethode sieht vor, dass die zu erwartende Gerätezahl übergeben wird. Ansonsten erfolgt der Vorgang wie bei dem zuvor beschriebene vollautomatische Vorgang. Dadurch kann die Initialisierungsdauer begrenzt werden. Eine manuelle Initialisierungsmethode sieht schließlich vor, dass dem Empfänger die zu empfangenden Geräte mitgeteilt werden. Die Initialisierung beginnt nach dem Installieren des Empfängers. Sie dauert so lange, bis alle Geräte erkannt wurden oder bis zum Ablauf eines Timeouts.
Ein zentrales Problem bei der Übertragung von Messdaten von mehreren Messgeräten auf einen gemeinsamen Empfänger ist die Kollisionsvermeidung sowie die Übertragungssicherheit. Damit eine einwandfreie Funktion des Gesamtsystems überhaupt möglich wird, ist es notwendig, die Übertragungssicherheit zu optimieren. Dementsprechend sollten verschiedene Maßnahmen hierzu getroffen werden. Generell ist die natürliche Drift, welche aufgrund der Ungenauigkeit von Taktgeneratoren entsteht, ein "natürliches" Merkmal zur Kollisionsvermeidung.
Eine konkrete Maßnahme sieht die Weiterbildung gemäß Anspruch 10 vor. Die Grundidee mit den unterschiedlichen Senderstartzeitpunkten liegt in dem Bestreben zu vermeiden, dass eine Vielzahl der Messgeräte sich gegenseitig auslöschen. Dies kann reduziert werden, indem der Sender seine Sendeperiode mit Beginn der Inbetriebnahme (Fertigungszeitpunkt oder Installation) beginnt.
Eine weitere Möglichkeit sieht die Weiterbildung gemäß Anspruch 11 vor. Da zwei Sender auf ein und demselben Sendefenster liegen können, wird auf den Sendezyklus ein von der Gerätenummer abgeleiteter Offset addiert, welcher im Bereich von +/-25 min liegen kann. Damit driftet der Sendezeitpunkt von jedem Messgerät unterschiedlich hinsichtlich ihrer Sendeperioden. Ein weiterer Aspekt ist folgender: Die Synchronisationstelegramme können im Verhältnis 1 : 4 (Sendesignale: Pause) gesendet werden. In diese Pause passen drei weitere (fremde) Synchronisationstelegramme. Dies wird genutzt, indem in Abhängigkeit einer Zufallszahl der Sendebeginn des Synchronisationstelegramms innerhalb des Sendefensters variiert wird. Dies gewährleistet den Empfang des Synchronisationstelegramms, auch wenn mehrere Sender (je nach Wahrscheinlichkeit) exakt zum selben Zeitpunkt senden. Eine Kollision beim Datentelegramm lässt sich damit nicht verhindern, aber der Empfänger kann zumindest den neuen Sendezeitpunkt berechnen und damit das nächste Empfangsfenster so klein wie möglich halten.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 12 schließlich schafft eine weitere Möglichkeit der Kollisionsvermeidung. Beispielsweise sendet der Sender alle 25 Stunden. Hiermit wandert der Sendezeitpunkt quasi einmal pro Monat rund um die Uhr. Damit geht man fremden, zyklisch sendenden Quellen aus dem Weg.

Claims

1. Verfahren zur periodischen Funkübertragung der Messdaten einer Mehrzahl von Messgeräten auf einen gemeinsamen Empfänger,
insbesondere der Verbrauchsdaten von Wärmemengenzählern, Heizkostenzählern sowie Wasserzählern,
bei dem die Messgeräte die Messdaten periodisch in einem Zeitfenster senden und
bei dem sich der Empfänger zum Empfang der gesendeten Messdaten in Empfangsbereitschaft befindet,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Empfänger nur in einem Zeitfenster in Empfangsbereitschaft versetzt wird, wenn die Übertragung der Messdaten eines bestimmten Messgerätes erwartet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Übertragung der Messdaten von den Messgeräten zunächst Synchronisationsdaten übertragen werden, welche auf den Zeitpunkt der Übertragung der Messdaten hinweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationsdaten Kenndaten des jeweiligen Messgerätes beinhalten.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitfenster zur Übertragung der Synchronisationsdaten größer ist als das Zeitfenster der Empfangsbereitschaft des Empfängers.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationsdaten von den Messgeräten gepulst mehrfach übertragen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger für ein Zeitfenster in Empfangsbereitschaft versetzt wird, welches zumindest eine Periode der gepulsten Synchronisationsdaten der Messgeräte beträgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitfenster zur Empfangsbereitschaft im Empfänger in Abhängigkeit von der Übertragung der letzten Messdaten gestartet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbleiben des Empfangs von Synchronisationsdaten und/oder Messdaten im Empfänger das Zeitfenster im Messgerät und/oder Empfänger von Mal zu Mal vergrößert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Initialisierung eines oder mehrerer Messgeräte die Empfangsbereitschaft des Empfängers in Dauerbetrieb versetzt oder periodisch wiederholt wird bis zum ersten Mal Messdaten empfangen werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstübertragung der Messdaten der Messgeräte zeitlich unterschiedlich gestartet wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstände, in denen die Messgeräte die Synchronisationsdaten und/oder Messdaten senden, von Messgerät zu Messgerät etwas unterschiedlich sind.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitabstände, in denen die Messgeräte die Synchronisationsdaten und/oder Messdaten senden, von 24 Stunden oder ganzzahligen Mehrfachen oder ganzzahligen Teilen hiervon abweichen.