一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置和方法
【專利摘要】一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置和方法，特別是用于水、氣、熱力計(jì)量量采集的系統(tǒng)裝置和方法，是用聲波通過(guò)流體管道傳送信息，并通過(guò)水、氣、熱力計(jì)量量計(jì)量節(jié)點(diǎn)利用管道中的流體發(fā)電和利用管內(nèi)外溫差發(fā)電，使整個(gè)裝置不需要外部電源，不需要安裝通信線路，也不需要更換電池，有很好的安裝維護(hù)特性。本發(fā)明可以廣泛用于通過(guò)管道輸送的水、氣、熱力的場(chǎng)合進(jìn)行遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集。
【專利說(shuō)明】一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置和方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置和方法，特別是用于水、氣、熱力數(shù)據(jù)采集管理的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用管道輸送物理量的場(chǎng)合如供水、供氣、供熱等場(chǎng)合要實(shí)現(xiàn)用水量、用氣量、用熱量的數(shù)據(jù)采集和管理，往往很困難。原因是:
[0003](I)安裝水、氣、熱力等計(jì)量表計(jì)的地方往往無(wú)市電提供或者出于對(duì)安全的考慮不希望用市電，而使用電池(包含可充電電池)有個(gè)維護(hù)問題。
[000 4](2)環(huán)境屏蔽，無(wú)線信號(hào)弱，無(wú)法使用小無(wú)線通信技術(shù)。
[0005](3)通常安裝帶管道設(shè)備的建筑物都建有單獨(dú)的工作間，使用有線方式安裝通信線路也十分困難。
[0006]這些原因都造成水、氣、熱數(shù)據(jù)采集技術(shù)推廣困難。
[0007]公知技術(shù)一般都采用既能供電又能通信的M-BUS數(shù)據(jù)總線，用有線的方式將水、氣、熱力智能計(jì)量?jī)x表連接起來(lái)進(jìn)行通信?，F(xiàn)在節(jié)水、節(jié)氣、節(jié)能成為一種國(guó)策。水、氣、熱的數(shù)據(jù)采集多數(shù)還是靠人工抄表。遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集多數(shù)用M-BUS穿線連接，利用M-BUS既能供電又能通信的優(yōu)點(diǎn)，但這種辦法改造工程巨大，維護(hù)工程量也巨大，影響了它的推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是發(fā)明一種裝置和方法，不用很大的工程投入，不用安裝通信線路，只需在有流體管道的流體物理量計(jì)量表計(jì)的安裝處，安裝上本發(fā)明的裝置或者使用本發(fā)明的方法就可以實(shí)現(xiàn)水、氣、熱等計(jì)量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方采集和管理。
[0009]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:輸送水、氣、熱等流體的場(chǎng)合都有管道相連接，在用戶側(cè)的水、氣、熱等計(jì)量表計(jì)(以下簡(jiǎn)稱計(jì)量節(jié)點(diǎn))處安裝智能終端；選擇一個(gè)方便安裝又能通過(guò)管道聲波通信的地方安裝集中器或者中繼器。在這里:
[0010]智能終端是至少包含有下述功能單元的智能裝置:
[0011]a、擁有被系統(tǒng)識(shí)別的通信地址碼；
[0012]b、有讀取管道中流體計(jì)量量讀值的“中央處理單元”，智能終端的通信地址碼可以認(rèn)定為該計(jì)量節(jié)點(diǎn)的地址，而智能終端中的計(jì)量量讀值即為該計(jì)量節(jié)點(diǎn)的計(jì)量量讀值。計(jì)量量是指要計(jì)量的物理量的使用數(shù)值，比如計(jì)量用水量的噸數(shù)，計(jì)量用氣量的立方數(shù)，計(jì)量熱量的大卡數(shù)等；
[0013]C、“中央處理單元”能夠按照(集中器能夠解釋的)通信協(xié)議對(duì)要進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制，生成“發(fā)送電信號(hào)數(shù)據(jù)包”;
[0014]d、有將“發(fā)送電信號(hào)數(shù)據(jù)包”換能為聲波信息包向流體管道發(fā)送的電聲換能器。
[0015]集中器是至少包含有下述功能單元的智能裝置:
[0016]a、設(shè)計(jì)安裝有與遠(yuǎn)方主站進(jìn)行雙向通信的通信單元。通信單元的一個(gè)實(shí)施例是GPRS等公用無(wú)線信道；通信單元的一個(gè)實(shí)施例是光纖信道。
[0017]b、設(shè)計(jì)安裝有能接收經(jīng)流體管道發(fā)送的、來(lái)自智能終端或中繼器聲波信號(hào)的電聲換能器；
[0018]C、電聲換能器接收到來(lái)自智能終端或中繼器聲波信號(hào)后，集中器有“中央處理單元”能夠按照集中器、中繼器、智能終端共同約定的通信協(xié)議，將電聲換能器輸出的信息包解調(diào)出智能終端發(fā)出的“發(fā)送電信號(hào)數(shù)據(jù)包”，并對(duì)該信息包進(jìn)行處理。
[0019]本發(fā)明裝置中使用的中繼器是一種選擇性使用的裝置。它在接收到來(lái)自智能終端、集中器、另一級(jí)中繼器的聲波信息包后，只在根據(jù)協(xié)議需要轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，才自動(dòng)按設(shè)計(jì)的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。它在集中器與智能終端通信良好時(shí)是不一定需要的，是一種根據(jù)實(shí)際需要選擇的裝置。中繼器既可以獨(dú)立設(shè)計(jì)為一種設(shè)備，也可以直接由智能終端(第二功能)“虛擬”實(shí)現(xiàn)。下述給中繼器的定義，包含獨(dú)立的中繼器和由智能終端“虛擬”的中繼器二種形式的裝置。
[0020]中繼器是至少包含有下述功能單元的智能裝置:
[0021]a、設(shè)計(jì)安裝有能接收來(lái)自智能終端、集中器、另外中繼器聲波信息包的通信單元。
[0022]b、中繼器的處理單元在接收到聲波信息包后，能根據(jù)約定的通信協(xié)議，在需要轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)自動(dòng)按設(shè)計(jì)的協(xié)議進(jìn)行信息包轉(zhuǎn)發(fā)。
[0023]c、信息包轉(zhuǎn)發(fā)也用聲波通過(guò)電聲換能器轉(zhuǎn)發(fā)。
[0024]本發(fā)明有二種工作模式:一種是以集中器為主動(dòng)方工作模式，另一種是智能終端為主動(dòng)方工作模式。
[0025]智能終端為主動(dòng)方工作模式是這樣工作的:智能終端向集中器發(fā)送信息不是根據(jù)集中器發(fā)送過(guò)來(lái)的指令發(fā)送，而是根據(jù)協(xié)議由智能終端主動(dòng)向集中器發(fā)送。智能終端至少會(huì)設(shè)計(jì)“當(dāng)前計(jì)量量讀值”和“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”貯存單元。智能終端至少會(huì)完成下述工作任務(wù):在巡查“當(dāng)前計(jì)量量讀值”時(shí)，發(fā)現(xiàn)“當(dāng)前計(jì)量量讀值”和“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”相比不一致時(shí)，智能終端會(huì)自動(dòng)通過(guò)管道聲波信道上傳“當(dāng)前計(jì)量量讀值”到集中器并把“當(dāng)前計(jì)量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”貯存單元中。確認(rèn)“當(dāng)前計(jì)量量讀值”已經(jīng)上傳到集中器的一個(gè)實(shí)施例是，集中器在正確收到信息包后會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息包。
[0026]集中器為主動(dòng)方工作模式:在這種模式下，集中器總是首先發(fā)起通信、首先發(fā)送帶指令的信息包，智能終端根據(jù)接收到的集中器信息包中的指令作出通信響應(yīng)。
[0027]本發(fā)明中，智能終端與集中器之間的通信:通過(guò)管道使用聲波進(jìn)行通信。集中器、智能終端和中繼器中都有將電信息包轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)的電聲換能器。電聲換能器緊貼流體管道，聲波信號(hào)由電聲換能器傳輸?shù)焦艿?，又?jīng)管道傳輸?shù)接泄艿肋B接的遠(yuǎn)方。集中器、中繼器和智能終端都包含有采集管道中聲波信號(hào)并將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電聲轉(zhuǎn)換器。電聲轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例是帶電極的壓電陶瓷裝置，它既可以發(fā)送聲波也可以接收聲波；電聲轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)實(shí)施例是帶電控端的磁致伸縮裝置；專門用于聲波接收的電聲轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例是一種電容式話筒。電聲轉(zhuǎn)換器在接收到來(lái)自流體管道的聲波信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后至少要進(jìn)行下述處理:
[0028](I)濾波。將不是有用信息頻率段的干擾波、雜波濾掉；
[0029](2)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。電聲轉(zhuǎn)換器將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，電信號(hào)送解調(diào)器處理前不僅要進(jìn)行濾波處理，還需要對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行增益自動(dòng)調(diào)節(jié):當(dāng)接收信號(hào)太弱時(shí)，要將信號(hào)放大到適合處理的幅度；當(dāng)接收信號(hào)太強(qiáng)時(shí)，要將信號(hào)衰減到適合處理的幅度。信號(hào)放大倍數(shù)和衰減倍數(shù)由輸出幅度反饋實(shí)現(xiàn)。通過(guò)自動(dòng)調(diào)整獲得最佳信號(hào)幅度送解調(diào)器解調(diào)出需要的信息包。
[0030]本發(fā)明的方法，至少有:
[0031](I)制定集中器、中繼器、智能終端都能進(jìn)行相互通信的通信協(xié)議和技術(shù)規(guī)范，確定聲波頻率、調(diào)制方式和通信協(xié)議；
[0032](2)安裝有能向流體管道發(fā)送聲波信號(hào)和能接收流體管道聲波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電聲換能器。
[0033]本發(fā)明采用聲波信號(hào)由流體管道傳送，而流體計(jì)量器具安裝的地方都有管道，因此用本發(fā)明的方法解決這類場(chǎng)合的通信和信息管理優(yōu)勢(shì)明顯，實(shí)施方便。
【具體實(shí)施方式】
[0034]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，智能終端本身可有設(shè)計(jì)有管道內(nèi)流體計(jì)量量的計(jì)量裝置，計(jì)量量的計(jì)量裝置也可以是智能終端外部的獨(dú)立設(shè)備。智能終端有使用管道內(nèi)流體流動(dòng)作動(dòng)力的發(fā)電機(jī)；另一個(gè)實(shí)施例是利用管道內(nèi)的溫度與外部溫度不一致，由溫差發(fā)電半導(dǎo)體元件發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能或由溫差發(fā)電元件提供的電能，經(jīng)過(guò)蓄能元件后供智能終端使用。蓄能元件的一個(gè)實(shí)施例是大容量的電容(法拉級(jí))。智能終端在電源電壓足夠時(shí)會(huì)根據(jù)設(shè)定的程序去讀取“當(dāng)前計(jì)量量的讀值”，同時(shí)和“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”進(jìn)行比較，如果數(shù)值已發(fā)生變化，智能終端就根據(jù)程序，將“當(dāng)前計(jì)量量讀值”通過(guò)電聲換能器以聲波形式經(jīng)流體管道上傳給集中器，并在上傳成功后將“當(dāng)前計(jì)量量的讀值”保存到“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”貯存單元中。作為一個(gè)實(shí)施例，計(jì)量量的計(jì)量裝置可以在無(wú)電源的情況下計(jì)量，而計(jì)量量的字輪或顯示器在有電源時(shí)可以直接讀取計(jì)量量讀值。由于管道內(nèi)的流體不一定總在流動(dòng)，但在計(jì)量量使用時(shí)總會(huì)有管內(nèi)流體的流動(dòng)，流體流動(dòng)時(shí)發(fā)電機(jī)就會(huì)發(fā)電；而流體有流動(dòng)才會(huì)有計(jì)量量的計(jì)量，才會(huì)有數(shù)據(jù)要上傳給集中器，而這段時(shí)間正好是發(fā)電機(jī)有電能輸出的時(shí)候。在這整個(gè)過(guò)程中，首先工作電源來(lái)自流體流動(dòng)，不需要外部電源和電池，有電池時(shí)也只是備用和補(bǔ)充；其次，通信信道是自身管道。于是使用本發(fā)明的裝置和方法，只需在計(jì)量裝置處安裝本發(fā)明的智能終端和流體驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(一個(gè)實(shí)施例，發(fā)電機(jī)和智能終端是一體化的)就能實(shí)現(xiàn)計(jì)量量的數(shù)據(jù)采集和上傳。由于智能終端在計(jì)量量讀值有改變時(shí)就會(huì)將“當(dāng)前計(jì)量量讀值”上傳到集中器中，因此集中器中貯存的每個(gè)智能終端的計(jì)量量讀值，實(shí)際上就是每個(gè)智能終端所管理計(jì)量節(jié)點(diǎn)的實(shí)際讀值。在這種情況下，遠(yuǎn)方主站要讀取每個(gè)智能終端計(jì)量量讀值，只需要將集中器中保存的對(duì)應(yīng)智能終端的計(jì)量量讀值上傳遠(yuǎn)方主站就可以實(shí)現(xiàn)。
[0035]本發(fā)明的裝置和方法，不僅安裝、實(shí)施起來(lái)非常簡(jiǎn)單方便，而且長(zhǎng)壽命、運(yùn)行維護(hù)工作量小，可以廣泛用于水、氣、熱力的數(shù)據(jù)采集。
[0036]發(fā)明的進(jìn)一步說(shuō)明
[0037]—種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置，至少有管理一片區(qū)的集中器、有能接收發(fā)送信息的智能終端、有智能終端與集中器間進(jìn)行通信的信道，其特征是:
[0038]a.智能終端與集中器之間的通信在發(fā)送時(shí)是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號(hào)后經(jīng)換能器換能為聲波信號(hào)再經(jīng)過(guò)管道傳送的，
[0039]b.智能終端與集中器之間的通信在接收時(shí)是將來(lái)自管道的聲波信號(hào)換能為電信號(hào)再解調(diào)為通信信息供智能終端或集中器處理器使用，
[0040]c.發(fā)送信息換能器和接收信息換能器有兩者合一的一體化換能器和兩者分體的分體化換能器兩種形式。
[0041]一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置的智能終端，其特征是:智能終端的電源是由流經(jīng)管道的水、氣、熱力流體作為驅(qū)動(dòng)力的發(fā)電機(jī)提供或補(bǔ)充的。
[0042]一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置的的智能終端，其特征是:
[0043]a、智能終端裝有計(jì)量量字輪直讀電路和裝置，
[0044]b、在電源滿足工作條件時(shí)，智能終端會(huì)按程序讀取計(jì)量量字輪讀值，當(dāng)“當(dāng)前計(jì)量量讀值”和“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”相比發(fā)生變化后，智能終端會(huì)自動(dòng)通過(guò)管道聲波信道上傳“當(dāng)前計(jì)量量讀值”到集中器并把“當(dāng)前計(jì)量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”貯存單元中。
[0045]一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置中將調(diào)制后的電信號(hào)換能為聲波信號(hào)再經(jīng)過(guò)管道傳送和接收來(lái)自管道的聲波信號(hào)換能為電信號(hào)再解調(diào)為通信信息供智能終端或集器裝置的特征是:在“中央處理單元”和管道之間有電聲換能裝置。
[0046]—種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置中的電聲換能裝置，其特征是:電聲發(fā)送裝置是壓電陶瓷頭(片)，電聲接收裝置是音頻接收器。
[0047]一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)方法，至少有以下包括步驟和特征步驟:
[0048]第一包括步驟，在系統(tǒng)中至少安裝有管理一片區(qū)的集中器、有能接收發(fā)送信息的智能終端、有智能終端與集中器間進(jìn)行通信的管道信道，
[0049]第二特征步驟，將智能終端和集中器的通信單元中電聲換能器在發(fā)送時(shí)是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號(hào)后經(jīng)換能器換能為聲波信號(hào)再經(jīng)過(guò)管道傳送到對(duì)方，智能終端和集中器的通信單元中電聲換能器在接收時(shí)是將來(lái)自管道的另一方聲波信號(hào)換能為電信號(hào)再解調(diào)為通信信息供智能終端處理器或集中器處理器。
[0050]一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)方法，至少有以下特征步驟:
[0051]第一特征步驟，在智能終端處安裝由管道內(nèi)物理量流動(dòng)時(shí)能發(fā)電的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，經(jīng)貯能后供智能終端工作時(shí)使用，
[0052]第二特征步驟，在智能終端處安裝計(jì)量量字輪直讀電路和裝置，
[0053]第三特征步驟，在智能終端電源滿足工作條件時(shí)，由智能終端設(shè)計(jì)的程序讀取計(jì)量量字輪讀值，然后比較當(dāng)前計(jì)量量讀值和“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”，如果相比讀值已不一樣，智能終端就自動(dòng)通過(guò)管道聲波信道上傳當(dāng)前計(jì)量量到集中器并把當(dāng)前計(jì)量量讀值保存到“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”貯存單元中。
[0054]一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)方法，至少有以下特征步驟:在“中央處理單元”和管道之間安裝有電聲換能裝置。
【權(quán)利要求】
1.一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)裝置，至少有管理一區(qū)域的集中器、有能接收發(fā)送信息的智能終端、有智能終端與集中器間進(jìn)行通信的信道，其特征是: a.智能終端與集中器之間的通信在發(fā)送時(shí)是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號(hào)后經(jīng)換能器換能為聲波信號(hào)再經(jīng)過(guò)管道傳送的， b.智能終端與集中器之間的通信在接收時(shí)是將來(lái)自管道的聲波信號(hào)換能為電信號(hào)再解調(diào)為通信信息供智能終端或集中器中的處理器使用， c.發(fā)送信息換能器和接收信息換能器有兩者合一的一體化換能器和兩者分體的分體化換能器兩種形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能終端，其特征是:智能終端的電源是由流經(jīng)管道的水、氣、熱力流體作為驅(qū)動(dòng)力的發(fā)電機(jī)提供或補(bǔ)充的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝有物理量計(jì)量裝置的智能終端，其特征是: a、智能終端裝有計(jì)量量字輪直讀電路和裝置， b、在電源滿足工作條件時(shí)，智能終端會(huì)按程序讀取計(jì)量量字輪讀值，當(dāng)“當(dāng)前計(jì)量量讀值”和“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”相比不一致后，智能終端會(huì)根據(jù)設(shè)定的程序通過(guò)管道聲波信道將“當(dāng)前計(jì)量量讀值”及其他必要信息傳送到集中器，并把“當(dāng)前計(jì)量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”貯存單元中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述將調(diào)制后的電信號(hào)換能為聲波信號(hào)再經(jīng)過(guò)管道傳送和接收來(lái)自管道的聲波信號(hào)換能為電信號(hào)再解調(diào)為通信信息供智能終端或集中器裝置的特征是:在“中央處理單元”和管道之間有電聲換能裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述電聲換能裝置，其特征是:電聲發(fā)送裝置是壓電陶瓷頭(片)，電聲接收裝置是音頻接收器。
6.一種基于管道聲波通信的系統(tǒng)方法，至少有以下包括步驟和特征步驟: 第一包括步驟，在系統(tǒng)中至少安裝有管理一區(qū)域的集中器、有能接收發(fā)送信息的智能終端、有智能終端與集中器間進(jìn)行通信的管道信道， 第二特征步驟，將智能終端和集中器的通信單元中電聲換能器在發(fā)送時(shí)是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號(hào)后經(jīng)換能器換能為聲波信號(hào)再經(jīng)過(guò)管道傳送到對(duì)方，智能終端和集中器的通信單元中電聲換能器在接收時(shí)是將來(lái)自管道的另一方聲波信號(hào)換能為電信號(hào)再解調(diào)為通信信息供智能終端處理器或集中器中處理器處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述系統(tǒng)方法，至少有以下特征步驟: 第一特征步驟，在智能終端處安裝由管道內(nèi)物理量流動(dòng)時(shí)能發(fā)電的發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，經(jīng)貯能后供智能終端工作時(shí)使用， 第二特征步驟，在智能終端處安裝計(jì)量量字輪直讀電路和裝置， 第三特征步驟，在智能終端電源滿足工作條件時(shí)，由智能終端設(shè)計(jì)的程序讀取計(jì)量量字輪讀值，然后比較“當(dāng)前計(jì)量量讀值”和“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”，如果相比讀值已不一樣，智能終端就按設(shè)定程序通過(guò)管道用聲波信道上傳當(dāng)前計(jì)量量到集中器并把“當(dāng)前計(jì)量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計(jì)量量讀值”貯存單元中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述系統(tǒng)方法，至少有以下特征步驟:在“中央處理單元”和管道之間安裝有電聲換能裝置。
【文檔編號(hào)】H04B11/00GK103944648SQ201410193857
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】潘之凱, 潘艷, 雷悅, 余金城, 許劍冰 申請(qǐng)人:北京納衡儀器儀表有限公司