测量或检测公共事业设施处的值的固定测量装置的制作方法

1.本公开涉及一种用于测量或检测公共事业设施(utility installation)处的值的固定的测量装置，尤其涉及一种用于记录电力、水、煤气和/或热能的消耗的耗量表。


背景技术：

2.已知电、水、煤气和/或热能的公用事业供应商(utility provider)使用自动抄表(amr)系统或先进的仪表基础设施(ami)系统来有效且可靠地管理客户账单。这种系统可以称为“专用”抄表系统。专用抄表系统的特征在于，例如，耗量表安装在多个家庭中，并且经由与专用数据采集器的无线通信将消耗数据传达到前端系统(head-end-system，hes)。单个数据采集器可以采集数千个耗量表读取的消耗数据。若干个数据采集器可以分布在城市或地区，以覆盖位于其中的所有耗量表。耗量表使用免授权频段以尽可能节省耗量表的电池电量的方式与数据采集器进行无线通信，因为在测量水、煤气和/或热能消耗的情况下，通常没有机会对耗量表电池进行充电或更换。然而，用于记录电力消耗的耗量表不需要由电池供电，因为它们连接到市电，即公共电力。
3.为了降低实现和维护专用数据采集器的基础设施的成本，可以使用公共蜂窝通信网络代替专用数据采集器来收集消耗数据。例如，耗量表可以包括通信模块(例如，调制解调器)以连接到由公共蜂窝通信网络提供的低功率广域网(lpwan)，例如，窄带物联网(nb-iot)网络或长期演进机器类型通信(lte-m)网络。这种lpwan中使用的频段是授权的，但链路预算相对较大。
4.因此，期望提供一种耗量表，其能够有效地经由lpwan定期地(例如，每小时或每天)记录消耗数据。正确记录消耗数据的一个重要方面是准确的时钟时间信息，因为消耗必须与正确的消耗时段可靠关联，以确保正确的计费。因此，耗量表需要接收定期更新的时钟时间信息。
5.已知的是，通过发送网络时间协议(ntp)请求，使用ntp向网络中的时间服务器询问当前的时钟时间。然而，与“拥有”(包括租赁)数据采集器基础设施的“专用”抄表系统相比，公共蜂窝通信网络是“通用”抄表系统的一部分，在该系统中，耗量表和hes之间的通信基础设施(即，lpwan)由外部方(例如，移动网络运营商(mno))拥有、维护和控制。使用通用抄表系统，电力、水、煤气和/或热能的公用事业供应商(up)仅拥有(或租赁)、维护和控制耗量表和hes。因此，“外部的”lpwan可能引入对于up而言未知且不可预测的高通信延迟。这种通信延迟对ntp响应的准确性的负面影响可能达到不可容忍的程度。
6.因此，本公开的目的是提供一种具有更可靠和准确的当前时钟时间信息的耗量表。该目的可以不限于耗量表，而是可以适用于任何类型的用于测量或检测公共事业设施处的值的固定的测量装置。例如，这可以包括耗量表、警报传感器、声学噪声检测器、化学传感器、浊度传感器、遥控阀或其他类型的监测传感器。


技术实现要素：

7.根据本公开的第一方面，提供了一种用于测量或检测公共事业设施处的值的固定的测量装置，其中，该测量装置包括lpwan通信模块，其被配置为建立到低功率广域网(lpwan)的无线通信连接，以经由lpwan将数据传达到前端系统(hes)，其中，该lpwan通信模块被配置为：
[0008]-从测量装置向时间服务器发送对第一时钟时间的请求；
[0009]-接收响应于该请求的来自该时间服务器的第一时钟时间；
[0010]-接收来自lpwan的基站第二时钟时间；
[0011]-相互比较第一时钟时间与第二时钟时间；以及
[0012]-如果该第二时钟时间在关于该第一时钟时间的预定范围内，则基于该第二时钟时间确定当前的时钟时间。
[0013]
对第一时钟时间的请求可以是向担当时间服务器的ntp服务器的ntp请求。第二时钟时间可以是基站发送的蜂窝网络时间或无线接入网络(ran)时间。优选地，该第二时钟时间独立于该第一时钟时间。此处的基本思想是将基站用作时钟时间信息的第二(优选地，独立的)源，因为它在lpwan通信的另一层上提供蜂窝网络时间。例如，3gpp版本11或更高版本的nb-iot或lte-m标准自动提供包括蜂窝网络时间的系统信息块16(sib16)。根据开放系统互连(osi)模型，蜂窝网络时间可以在第三osi层(即网络层)上进行交换。相比之下，从ntp服务器接收到的ntp时间在第七osi层(即，应用层)上进行通信。因此，蜂窝网络时间可能比ntp时间更不容易出现通信延迟。
[0014]
然而，蜂窝网络时间引入了原则(principle)信任问题，因为作为lpwan基础设施的一部分的基站不受up控制。例如，蜂窝网络时间的使用时区是不可信的，或者是使用夏令时还是冬令时。相比之下，包括夏令时/冬令时的ntp时区是受up信任的，因为up可以选择和/或控制时间服务器。例如，时间服务器可以是hes或另一个受信任的ntp服务器的一部分。所以，这里的基本想法是检查不受信任的蜂窝网络时间是否在关于ntp时间的某个范围内。如果是，则蜂窝网络时间是受信任的，并被取作当前的时钟时间，因为它比ntp时间具有更少的延迟问题。
[0015]
可选地，lpwan通信模块还可以被配置为，如果第二时钟时间在关于第一时钟时间的预定范围(例如， /-7.5分钟或优选地， /-2分钟)之外，则基于第一时钟时间确定当前的时钟时间。所以，如果第二时钟时间(例如，蜂窝网络时间)是不可信的，因为它偏离第一时钟时间(例如，ntp时间)太多，则第一时钟时间可以被选择为最可信的时间信息。在这种情况下，可以接受第一时钟时间(例如，ntp时间)由于延迟的不准确性。
[0016]
作为替代选项，lpwan通信模块还可以被配置为：
[0017]-如果第二时钟时间在关于第一时钟时间的预定范围之外，则确定第一时钟时间与第二时钟时间之间的第一差值；
[0018]-确定第一差值与一刻钟的整数倍之间的残差；以及
[0019]-如果残差在关于第一时钟时间的预定范围内，则基于第二时钟时间与一刻钟的整数倍之间的第二差值来确定当前的时钟时间。
[0020]
由于第二时钟时间(例如，蜂窝网络时间)由于时区或夏时制的不同设置可能偏离一刻钟的整数倍，因此可以相应地调整当前的时钟时间。可以找到残差最小的对应的一刻
钟的整数倍，即，蜂窝网络时间的假定偏移量。因此，如果残差在关于ntp时间的预定范围(例如， /-7.5分钟或优选地， /-2分钟)内，则调整后的蜂窝网络时间是可信的。
[0021]
可选的，lpwan通信模块还可以被配置为确定发送请求与接收第一时钟时间之间的往返时间(rtt)，其中，在以下情况下，当前的时钟时间被确定为第一时钟时间加上一半的往返时间(rtt)：
[0022]-第二时钟时间在关于第一时钟时间段的预定范围之外，以及
[0023]-确定的往返时间(rtt)小于预定阈值，例如，在0.5到60秒之间的阈值，优选地，10秒。
[0024]
同样在这种情况下，第二时钟时间(例如，蜂窝网络时间)是不可信的，因为它偏离第一时钟时间(例如，ntp时间)太多。作为第一时钟时间的ntp时间更可靠，但可以通过添加一半的往返时间(rtt)来减少延迟误差。这里的基本原理是可以假设相对较短的rtt是对称的，即，上行链路时间(ult)基本上与下行链路时间(dlt)相同，其中，rtt＝ult dlt。需要注意的是，ntp时间的延迟问题仅由dlt引入。
[0025]
可选地，对于等于或大于预定阈值(即，0.5到60秒之间的阈值，优选地，10秒)的长往返时间(rtt)，lpwan通信模块可以可选地被配置为将当前的时钟时间设置为第一时钟时间。这里的基本原理是，一半的rtt会高估延迟误差，因为发现对于较大的rtt，ult远大于dlt，即，对于较大的rtt，dlt《rtt/2。由于实际上只有dlt引入了延迟误差，因此接受dlt的延迟误差比减去rtt/2更好。
[0026]
可选地，lpwan通信模块可以被配置为将窄带物联网(nb-iot)或长期演进机器类型通信(lte-m)技术标准用于lpwan中的无线通信，特别地，该标准是包括以下各项的组中的任何标准：lte cat m1、lte cat m2、lte cat nb1和lte cat nb2。这些标准特别有用，因为它们自动提供第二时钟时间，例如，系统信息块16(sib16)的蜂窝网络时间。
[0027]
可选的，第一时钟时间可以是网络时间协议(ntp)服务器提供的ntp时间。
[0028]
可选地，第二时钟时间可以是lpwan的蜂窝网络时间，具体地包括在lpwan通信帧的系统信息块16(sib16)中。
[0029]
可选地，lpwan通信模块可以被配置为丢弃接收到的第一时钟时间，除非自从建立lpwan连接以来已经传送了某个最小量的数据。换句话说，在第一时钟时间是(例如，ntp时间)是可信的之前，lpwan连接被“预热(warmed-up)”。发现在建立lpwan连接后最先传送的几个数据帧的延迟问题最严重。
[0030]
可选地，lpwan通信模块可以被配置为总是丢弃在建立lpwan连接后接收到的第一时钟时间并请求另一个第一时钟时间。这可以确保lpwan连接的一定预热。
[0031]
可选地，lpwan通信模块还可以被配置为基于对于预定数量的连续请求中的每一个请求测量发送请求与接收第一时钟时间之间的往返时间(rtt)确定优选地自适应的基线，并丢弃往返时间(rtt)超过基线达预定限制的任何第一时钟时间。这将减小由延迟向第一时钟时间(例如，ntp时间)引入的误差，因为基线为rtt提供了期望值，并允许过滤掉rtt的异常值。优选地自适应的基线可以基于滑动窗口确定或被确定为加权移动平均(wma)。
[0032]
可选地，lpwan通信模块可以被配置为包括高于基线的丢弃的往返时间(rtt)，以使基线自适应。当出现影响通信延迟，从而影响整体rtt的lpwan的永久改变时，这可能很重要。例如，rtt可能变动，因为使用的通信标准已经从lte catm1改变到lte cat-nb。rtt的自
适应基线必须快速反映这一点，以防止过滤掉太多偏离rtt的情况。
[0033]
可选地，时间服务器(例如，ntp服务器)可以是hes的一部分。这有利于使时间服务器完全受控。或者，时间服务器(例如，ntp服务器)可以是hes之外的受信任的时间服务器。
[0034]
可选地，lpwan通信模块可以被配置为在与基站建立lpwan连接时自动接收来自lpwan的基站的第二时钟时间。例如，通过使用上述标准，可以自动提供第二时钟时间，例如，系统信息块16(sib16)的蜂窝网络时间。
[0035]
可选地，该测量装置可以是用于记录电力消耗的耗量表(即，电表)，其中，该电表由市电(即，公共电力)供电。由于这样的电表不关心节省电池电量，因此lpwan通信模块可以永久通电，或至少持续更长时间。
附图说明
[0036]
现在将参考以下附图通过示例的方式描述本公开的实施例，其中：
[0037]
图1示出了包括本文公开的测量装置的示例的抄表系统的示意图；
[0038]
图2示出了具有延迟问题的ntp请求的示例的示意图；
[0039]
图3示出了处于无线资源状态(rcc)“空闲”的lpwan通信模块的随时间确定的rtt的图；
[0040]
图4示出了处于无线资源状态(rcc)“连接”的lpwan通信模块的随时间确定的rtt的图；
[0041]
图5示出了针对lpwan通信模块的作为rtt的百分比的差分ult-dlt随时间的图；
[0042]
图6示出了本文公开的测定装置的配置的示例的示意图；以及
[0043]
图7示出了在通信标准改变的情况下lpwan通信模块的随时间的确定的延迟和本文公开的测量装置应用的过滤的图。
具体实施方式
[0044]
图1示意性地示出了抄表系统1，其包括前端系统(hes)3、低功率广域网(lpwan)的基站5和耗量表形式的测量装置7。该测量装置7可以是用于记录公共事业设施(例如，私人家庭、公共设施或工业设施)处的电力的消耗的电表。替代地，该测量装置7可以是另一种耗量表、警报传感器或预计定期向hes 3发送信息的另一种监测装置。hes 3接收并且处理来自安装在多个公共事业设施中的多个测量装置7的信息和/或控制多个测量装置7的行为。
[0045]
lpwan由公共蜂窝移动通信网络的多个分布式基站5提供。图1仅示出了这些基站中的一个作为基站5，测量装置7当前使用nb-iot或lte-m技术标准通过连接9与该基站5无线连接。hes 3经由互联网连接11(优选地，通过电线或光纤)连接到lpwan的基站5。
[0046]
一旦测量装置7已经成功地建立到基站5的连接9，它就能够传送消耗数据或它预计发送到hes 3的任何其他数据。通信可以基本上是从测量装置7到hes 3单向的，但优选地在测量装置7与hes 3之间是双向的。双向通信允许hes 3不仅接收来自测量装置7的数据，而且控制和更新测量装置7的行为。
[0047]
测量装置7可以包括微控制器(例如，cpu或fpga)、永久性或易失性存储介质(例如，ram)、lpwan通信模块(例如，调制解调器)、电池以及优选地人机界面(hmi)，例如包括显示器、触摸屏、按钮和/或开关。用于测量或检测公共事业设施处的值的传感器模块可以集
成到测量装置7或者通过有线或无线方式连接到测量装置7。该值可以表示物理量，例如通过其上安装有传感器模块的电力线13的电流。测量装置7被配置为连续地、定期地或偶尔地存储测量值或检测值。替代地或另外地，测量装置7可以被配置为处理(例如，求和)测量值或检测值并存储处理后的值，例如，累加值或消耗的用量(consumed utility quantity)。
[0048]
测量装置7的微控制器被配置为根据预定的数据传输时间表(例如，每小时或每天)触发lpwan通信模块发送数据(例如，消耗数据)。替代地或附加地，特别是在测量装置7为电表的情况下，hes 3可以请求(即，轮询)数据，即，触发来自一个或多个特定测量装置7的读数。例如，up可以接收消费者关于缺电的投诉。然后，在派出服务技术人员之前，up可以使用hes请求测量每个电源相(supply phase)的电压的测量装置7的异常读数。数据可以包括存储的测量值、检测值或处理值和用于分别标识测量装置7或传感器模块或公共事业设施的标识数据中的全部或部分。
[0049]
图1还示出了测量装置7通过有线连接15连接到的市电线13。预计测量装置7记录经由市电线13在公共事业设施处消耗的电能的量。测量装置7由市电线13经由连接15供电，因此节省电池电量对于测量装置7而言不是问题。
[0050]
图2示意性地示出了ntp时间请求具有的延迟问题。当测量装置7向ntp服务器19发送ntp请求17时，ntp请求17到达ntp服务器19存在一定的延迟，即，上行时间(ult)。来自ntp服务器19的ntp响应21花费下行链路时间(dlt)到达测量装置7。往返时间(rtt)是ult和dlt的总和。需要注意的是，rtt可以是对称的，即，ult＝dlt，但如图3、4和5所示，它通常是不对称的。在大多数情况下，ult大于dlt，但rtt如何拆分成ult和dlt是不可预测的。测量装置7能够通过定时器测量发送ntp请求17与接收ntp响应21之间的时间来测量rtt。然而，ult不影响接收到的ntp时间，因此接收到的ntp时间的任何延迟问题仅是由于dlt。
[0051]
图3与图4之间的比较表明，对于在lpwan通信模块从无线资源控制(rrc)状态“空闲”切换到“连接”后的最初的数据交换，延迟问题最严重(参见图3)。图3和图4分别示出了ult和dlt的rtt。ult大多高于dlt，但它们在高峰值时表现得不可预测。如图4所示，一旦lpwan通信被预热，即当rrc状态已经为“连接”一段时间时，rtt通常较小，但ult和dlt两者仍然示出不可预测的尖峰。图5示出了随时间的作为rtt的百分比的差分ult-dlt。此外，(ult-dlt)/rtt示出不可预测的尖峰，使得rtt不能被假定为对于纠正dlt引入的延迟问题是对称的。然而，发现(ult-dlt)/rtt中的尖峰与rtt中的尖峰相关。因此，如果rtt较小，则(ult-dlt)/rtt较小，即，rtt更对称。如果rtt较大，则(ult-dlt)/rtt较大，即，rtt不太对称。
[0052]
作为基于这些发现的方案，图6示出了测量装置7的配置的示例的示意图，其中，该配置可以通过在测量装置7的微控制器上安装并执行的软件程序来实现。微控制器可以是lpwan通信模块的一部分，也可以是测量装置7的单独部分。延迟问题的解决方案在这里通过三个累积方面来解决，即：
[0053]
1、进行“试运行(dry run)”ntp请求，即，丢弃处于rcc状态“空闲”后的第一ntp响应；
[0054]
2.通过将rtt与生成和更新的rtt基线进行比较来过滤接收到的ntp时间；以及
[0055]
3.如果蜂窝网络时间是可信的，则使用蜂窝网络时间。
[0056]
在进行第一“试运行”ntp请求的第一步骤601之前，lpwan通信模块可以处于rrc状
态“空闲”。测量装置7的微控制器可以唤醒lpwan通信模块或为lpwan通信模块通电以切换到rrc状态“连接”。在初始试运行601中接收到的ntp响应被丢弃，因为延迟问题在lpwan通信开始时最严重，如图3所示。在步骤603中，基于测量对于预定数量的连续ntp请求的rtt来确定rtt基线。rtt基线被存储，不必在每次唤醒后从头开始生成。优选地，仅基于滑动窗口更新基线，或基线作为加权移动平均(wma)。应该注意的是，优选的是丢弃的来自试运行的ntp响应不用于确定rtt基线。一旦rtt基线完成，则在步骤605中就发送适当的ntp请求。响应于该ntp请求而接收到的ntp时间被过滤，即如果rtt超过rtt基线达预定限制，则该ntp时间被丢弃。如果ntp请求被过滤掉，则在步骤607中，lpwan通信模块可以等待和/或重试ntp请求，直到超时为止。在超时之后，在发送另一个适当的ntp请求605之前，可以在步骤609中进行另一个试运行。需要说明的是，无论接收到的ntp时间是否被过滤掉，响应于适当的ntp请求605而接收到的ntp时间总是用于更新rtt基线。因此，由于使用的通信标准的改变，rtt基线例如可以被调整为rtt中的通用步长(general step)(参见图7)。
[0057]
如果rtt在关于rtt基线的限制内，则在步骤611中读取蜂窝网络时间，即小区时间。优选地，小区时间从系统信息块16(sib16)导出，该sib16是在lpwan通信协议的网络层上从基站5自动接收到的。在步骤613中，根据伪编程代码中显示的算法找到最可信的时间。如果小区时间在关于接收到的ntp时间的预定范围(例如，2分钟)内，则小区时间是最受信任的，并使用该小区时间。这是因为与甚至在过滤之后的ntp时间相比，小区时间的延迟问题也更少。但是，如果小区时间在关于ntp时间的2分钟的预定范围之外，则小区时间是不可信的。在这种情况下，检查rtt是否小于预定阈值(例如，10秒)。如果是这样，则可以假设rtt是对称的，并将rtt/2添加到ntp时间。则调整后的ntp时间(即，ntp rtt/2)是最受信任的，并使用该调整后的ntp时间。如果rtt大于10秒的阈值，那么接收到的ntp时间是最受信任，并且使用该接收到的ntp时间。然后在步骤615中，将当前的时钟时间设置为最受信任的时间。当时钟更新是由于预定时间表，则如果lpwan通信模块同时被设置为rrc状态“空闲”，该过程可以以步骤601再次开始。如果lpwan通信模块仍处于rrc状态“连接”，则该过程可以通过等待或发送进一步的ntp时间请求来以步骤607继续。
[0058]
图7示出了根据rtt与自适应rtt基线的比较，过滤接收到的ntp时间。rtt示出为实线，而被计算为的加权移动平均(wma)的自适应rtt基线示出为虚线。rtt的异常值23通过圆圈标记，并因偏离自适应rtt基线太多而被过滤掉。通信标准从lte cat nb切换到lte cat m1的影响在于对于所有ntp时间请求，rtt显著地更高。切换后的前几个接收到的ntp时间被丢弃，因为还没有调整rtt基线。但是，由于也包括了丢弃的接收到的ntp时间用于确定rtt基线，因此rtt基线快速地适应为更高的水平，从而仅参考新的更高的rtt基线水平对接收到的ntp时间进行过滤。当通信标准从lte cat m1切换回lte cat nb时，整体rtt水平再次下降，并且没有过滤掉前几个接收到的ntp时间。rtt基线被快速地设置回较低的rtt水平，以便再次参考较低的rtt基线水平过滤掉异常值。
[0059]
其中，在前面的描述中，提及了具有已知的、明显或可预见的等同物的整数或元素，则这些等同物被合并在本文中，就如同单独阐述一样。应当参考权利要求书来确定本公开的真实范围，应将权利要求解释为涵盖任何这种等同物。读者还应理解，被描述为可选的、优选的、有利的、方便的等的本公开的整数或特征是可选的，并且不限制独立权利要求的范围。
[0060]
上述实施例将被理解为本公开的示例性示例。应当理解，针对任何一个方面或实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他方面或实施例的一个或多个特征或任何其他方面或实施例的任何组合结合使用。尽管已经示出和描述了至少一个示例性方面或实施例，但是应当理解，其他修改、替换和变型对于本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离本文描述的主题的范围的情况下进行改变，并且本技术旨在涵盖在此讨论的特定实施例的任何改变或变化。
[0061]
此外，“包括”不排除其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除复数形式。此外，已经参考上述示例性方面或实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其他示例性实施例的其他特征或步骤结合使用。方法步骤可以按任何顺序应用或并行应用，或者可以构成另一个方法步骤的一部分或更详细的版本。应当理解的是，所有这些合理、恰当地落入对本领域所作出的贡献的范围内的修改应该落入在所授权的专利的范围内。可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出这些修改、替换和变型，本公开的精神和范围应由所附权利要求及其合法等同物来确定。
[0062]
参考标记列表：
[0063]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
抄表系统
[0064]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
hes
[0065]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基站
[0066]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
测量装置
[0067]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
使用nb-iot或lte-m的lpwan连接
[0068]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
因特网连接
[0069]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
市电线
[0070]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有线连接
[0071]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
ntp请求
[0072]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
ntp服务器
[0073]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
ntp响应
[0074]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
rtt异常值
[0075]
601
ꢀꢀꢀꢀꢀ
初始试运行ntp请求
[0076]
603
ꢀꢀꢀꢀꢀ
建立和更新rtt基线
[0077]
605
ꢀꢀꢀꢀꢀ
发送适当的ntp请求
[0078]
607
ꢀꢀꢀꢀꢀ
等待或重试
[0079]
609
ꢀꢀꢀꢀꢀ
另一个试运行ntp请求
[0080]
611
ꢀꢀꢀꢀꢀ
读取小区时间
[0081]
613
ꢀꢀꢀꢀꢀ
找到最可信的时间
[0082]
615
ꢀꢀꢀꢀꢀ
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