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、熱力計量量采集的系統(tǒng)裝置和方法，是用聲波通過流體管道傳送信息，并通過水、氣、熱力計量量計量節(jié)點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，有很好的安裝維護特性。本發(fā)明可以廣泛用于通過管道輸送的水、氣、熱力的場合進行遠方數(shù)據(jù)采集。
【專利說明】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合如供水、供氣、供熱等場合要實現(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、熱力等計量表計的地方往往無市電提供或者出于對安全的考慮不希望用市電，而使用電池(包含可充電電池)有個維護問題。
[000 4](2)環(huán)境屏蔽，無線信號弱，無法使用小無線通信技術(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、熱力智能計量儀表連接起來進行通信。現(xiàn)在節(jié)水、節(jié)氣、節(jié)能成為一種國策。水、氣、熱的數(shù)據(jù)采集多數(shù)還是靠人工抄表。遠方數(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，但這種辦法改造工程巨大，維護工程量也巨大，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量表計的安裝處，安裝上本發(fā)明的裝置或者使用本發(fā)明的方法就可以實現(xiàn)水、氣、熱等計量數(shù)據(jù)的遠方采集和管理。
[0009]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:輸送水、氣、熱等流體的場合都有管道相連接，在用戶側(cè)的水、氣、熱等計量表計(以下簡稱計量節(jié)點)處安裝智能終端；選擇一個方便安裝又能通過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)識別的通信地址碼；
[0012]b、有讀取管道中流體計量量讀值的“中央處理單元”，智能終端的通信地址碼可以認(rèn)定為該計量節(jié)點的地址，而智能終端中的計量量讀值即為該計量節(jié)點的計量量讀值。計量量是指要計量的物理量的使用數(shù)值，比如計量用水量的噸數(shù)，計量用氣量的立方數(shù)，計量熱量的大卡數(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)議對要進行通信的數(shù)據(jù)信息進行調(diào)制，生成“發(fā)送電信號數(shù)據(jù)包”;
[0014]d、有將“發(fā)送電信號數(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)計安裝有與遠方主站進行雙向通信的通信單元。通信單元的一個實施例是GPRS等公用無線信道；通信單元的一個實施例是光纖信道。
[0017]b、設(shè)計安裝有能接收經(jīng)流體管道發(fā)送的、來自智能終端或中繼器聲波信號的電聲換能器；
[0018]C、電聲換能器接收到來自智能終端或中繼器聲波信號后，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)送電信號數(shù)據(jù)包”，并對該信息包進行處理。
[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。它在接收到來自智能終端、集中器、另一級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，才自動按設(shè)計的協(xié)議進行轉(zhuǎn)發(fā)。它在集中器與智能終端通信良好時是不一定需要的，是一種根據(jù)實際需要選擇的裝置。中繼器既可以獨立設(shè)計為一種設(shè)備，也可以直接由智能終端(第二功能)“虛擬”實現(xiàn)。下述給中繼器的定義，包含獨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)計安裝有能接收來自智能終端、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)時自動按設(shè)計的協(xié)議進行信息包轉(zhuǎn)發(fā)。
[0023]c、信息包轉(zhuǎn)發(fā)也用聲波通過電聲換能器轉(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方工作模式，另一種是智能終端為主動方工作模式。
[0025]智能終端為主動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)送過來的指令發(fā)送，而是根據(jù)協(xié)議由智能終端主動向集中器發(fā)送。智能終端至少會設(shè)計“當(dāng)前計量量讀值”和“已經(jīng)上傳計量量讀值”貯存單元。智能終端至少會完成下述工作任務(wù):在巡查“當(dāng)前計量量讀值”時，發(fā)現(xiàn)“當(dāng)前計量量讀值”和“已經(jīng)上傳計量量讀值”相比不一致時，智能終端會自動通過管道聲波信道上傳“當(dāng)前計量量讀值”到集中器并把“當(dāng)前計量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計量量讀值”貯存單元中。確認(rèn)“當(dāng)前計量量讀值”已經(jīng)上傳到集中器的一個實施例是，集中器在正確收到信息包后會自動發(fā)送一個應(yīng)答信息包。
[0026]集中器為主動方工作模式: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:通過管道使用聲波進行通信。集中器、智能終端和中繼器中都有將電信息包轉(zhuǎn)換為聲波信號的電聲換能器。電聲換能器緊貼流體管道，聲波信號由電聲換能器傳輸?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并將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號的電聲轉(zhuǎn)換器。電聲轉(zhuǎn)換器的一個實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)換器的另一個實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)換器的一個實施例是一種電容式話筒。電聲轉(zhuǎn)換器在接收到來自流體管道的聲波信號并轉(zhuǎn)換為電信號后至少要進行下述處理:
[0028](I)濾波。將不是有用信息頻率段的干擾波、雜波濾掉；
[0029](2)對信號強度進行自動調(diào)整。電聲轉(zhuǎn)換器將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號后，電信號送解調(diào)器處理前不僅要進行濾波處理，還需要對信號強度進行增益自動調(diào)節(jié):當(dāng)接收信號太弱時，要將信號放大到適合處理的幅度；當(dāng)接收信號太強時，要將信號衰減到適合處理的幅度。信號放大倍數(shù)和衰減倍數(shù)由輸出幅度反饋實現(xiàn)。通過自動調(diào)整獲得最佳信號幅度送解調(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)送聲波信號和能接收流體管道聲波信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號的電聲換能器。
[0033]本發(fā)明采用聲波信號由流體管道傳送，而流體計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合的通信和信息管理優(yōu)勢明顯，實施方便。
【具體實施方式】
[0034]本發(fā)明的一個實施例，智能終端本身可有設(shè)計有管道內(nèi)流體計量量的計量裝置，計量量的計量裝置也可以是智能終端外部的獨立設(shè)備。智能終端有使用管道內(nèi)流體流動作動力的發(fā)電機；另一個實施例是利用管道內(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)電機發(fā)出的電能或由溫差發(fā)電元件提供的電能，經(jīng)過蓄能元件后供智能終端使用。蓄能元件的一個實施例是大容量的電容(法拉級)。智能終端在電源電壓足夠時會根據(jù)設(shè)定的程序去讀取“當(dāng)前計量量的讀值”，同時和“已經(jīng)上傳計量量讀值”進行比較，如果數(shù)值已發(fā)生變化，智能終端就根據(jù)程序，將“當(dāng)前計量量讀值”通過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)前計量量的讀值”保存到“已經(jīng)上傳計量量讀值”貯存單元中。作為一個實施例，計量量的計量裝置可以在無電源的情況下計量，而計量量的字輪或顯示器在有電源時可以直接讀取計量量讀值。由于管道內(nèi)的流體不一定總在流動，但在計量量使用時總會有管內(nèi)流體的流動，流體流動時發(fā)電機就會發(fā)電；而流體有流動才會有計量量的計量，才會有數(shù)據(jù)要上傳給集中器，而這段時間正好是發(fā)電機有電能輸出的時候。在這整個過程中，首先工作電源來自流體流動，不需要外部電源和電池，有電池時也只是備用和補充；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，只需在計量裝置處安裝本發(fā)明的智能終端和流體驅(qū)動發(fā)電機(一個實施例，發(fā)電機和智能終端是一體化的)就能實現(xiàn)計量量的數(shù)據(jù)采集和上傳。由于智能終端在計量量讀值有改變時就會將“當(dāng)前計量量讀值”上傳到集中器中，因此集中器中貯存的每個智能終端的計量量讀值，實際上就是每個智能終端所管理計量節(jié)點的實際讀值。在這種情況下，遠方主站要讀取每個智能終端計量量讀值，只需要將集中器中保存的對應(yīng)智能終端的計量量讀值上傳遠方主站就可以實現(xiàn)。
[0035]本發(fā)明的裝置和方法，不僅安裝、實施起來非常簡單方便，而且長壽命、運行維護工作量小，可以廣泛用于水、氣、熱力的數(shù)據(jù)采集。
[0036]發(fā)明的進一步說明
[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)送時是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號后經(jīng)換能器換能為聲波信號再經(jīng)過管道傳送的，
[0039]b.智能終端與集中器之間的通信在接收時是將來自管道的聲波信號換能為電信號再解調(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)動力的發(fā)電機提供或補充的。
[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、智能終端裝有計量量字輪直讀電路和裝置，
[0044]b、在電源滿足工作條件時，智能終端會按程序讀取計量量字輪讀值，當(dāng)“當(dāng)前計量量讀值”和“已經(jīng)上傳計量量讀值”相比發(fā)生變化后，智能終端會自動通過管道聲波信道上傳“當(dāng)前計量量讀值”到集中器并把“當(dāng)前計量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計量量讀值”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)制后的電信號換能為聲波信號再經(jīng)過管道傳送和接收來自管道的聲波信號換能為電信號再解調(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)送時是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號后經(jīng)換能器換能為聲波信號再經(jīng)過管道傳送到對方，智能終端和集中器的通信單元中電聲換能器在接收時是將來自管道的另一方聲波信號換能為電信號再解調(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)物理量流動時能發(fā)電的發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的電，經(jīng)貯能后供智能終端工作時使用，
[0052]第二特征步驟，在智能終端處安裝計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，由智能終端設(shè)計的程序讀取計量量字輪讀值，然后比較當(dāng)前計量量讀值和“已經(jīng)上傳計量量讀值”，如果相比讀值已不一樣，智能終端就自動通過管道聲波信道上傳當(dāng)前計量量到集中器并把當(dāng)前計量量讀值保存到“已經(jīng)上傳計量量讀值”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)送時是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號后經(jīng)換能器換能為聲波信號再經(jīng)過管道傳送的， b.智能終端與集中器之間的通信在接收時是將來自管道的聲波信號換能為電信號再解調(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)動力的發(fā)電機提供或補充的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝有物理量計量裝置的智能終端，其特征是: a、智能終端裝有計量量字輪直讀電路和裝置， b、在電源滿足工作條件時，智能終端會按程序讀取計量量字輪讀值，當(dāng)“當(dāng)前計量量讀值”和“已經(jīng)上傳計量量讀值”相比不一致后，智能終端會根據(jù)設(shè)定的程序通過管道聲波信道將“當(dāng)前計量量讀值”及其他必要信息傳送到集中器，并把“當(dāng)前計量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計量量讀值”貯存單元中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述將調(diào)制后的電信號換能為聲波信號再經(jīng)過管道傳送和接收來自管道的聲波信號換能為電信號再解調(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)送時是將發(fā)送信息調(diào)制為電信號后經(jīng)換能器換能為聲波信號再經(jīng)過管道傳送到對方，智能終端和集中器的通信單元中電聲換能器在接收時是將來自管道的另一方聲波信號換能為電信號再解調(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)物理量流動時能發(fā)電的發(fā)電機，發(fā)電機發(fā)出的電，經(jīng)貯能后供智能終端工作時使用， 第二特征步驟，在智能終端處安裝計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，由智能終端設(shè)計的程序讀取計量量字輪讀值，然后比較“當(dāng)前計量量讀值”和“已經(jīng)上傳計量量讀值”，如果相比讀值已不一樣，智能終端就按設(shè)定程序通過管道用聲波信道上傳當(dāng)前計量量到集中器并把“當(dāng)前計量量讀值”保存到“已經(jīng)上傳計量量讀值”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】H04B11/00GK103944648SQ201410193857
【公開日】2014年7月23日 申請日期: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 申請人:北京納衡儀器儀表有限公司