具有短程和长程无线电并在其间进行智能切换的公用事业仪表

摘要

本发明题为“具有短程和长程无线电并在其间进行智能切换的公用事业仪表”。本发明公开了一种公用事业仪表，该公用事业仪表包括：计量核心；短程无线电，该短程无线电被配置为通过局域网状网络无线地通信；长程无线电，该长程无线电被配置为通过广域网无线地通信；和控制器，该控制器对照一个或多个预定性能标准检查局域网状网络的性能。当局域网状网络的性能满足一组一个或多个预定性能标准时，公用事业仪表使用短程无线电将第一组信息传送到头端系统。当局域网状网络的性能不满足该组一个或多个预定性能标准时，公用事业仪表使用长程无线电将第二组信息传送到头端系统。

说明书

技术领域

本公开整体涉及公用事业仪表。更具体地，本公开涉及与公用事业网络的头端系统通信的公用事业仪表。

背景技术

公用事业仪表用于为各种不同的公用事业供应商提供消耗的量度。公用事业仪表包括例如提供所消耗的电力量度的电表、提供所消耗的燃气量度的气表和提供所消耗的水量度的水表。许多公用事业仪表包括无线电，该无线电允许公用事业仪表与诸如公用事业本身的头端系统通信。令人期望的公用事业仪表是能够通过网状网络经由短程无线电进行通信并且在网状网络变得不可用、低效或过载时智能地切换到长程无线电的公用事业仪表。

发明内容

本公开涉及被配置为在使用短程无线电和长程无线电的通信之间智能切换的公用事业仪表。在一个示例中，公用事业仪表被配置为监测由公用事业供应商提供的消耗品的消耗以及将与消耗品的消耗有关的消息提供给头端系统。例示性公用事业仪表包括计量核心和短程无线电，该计量核心被配置为测量消耗品(例如，电力、燃气或水)的消耗，该短程无线电被配置为通过局域网状网络无线地通信。例示性公用事业仪表还包括长程无线电，该长程无线电被配置为通过广域网无线地通信。控制器可操作地耦合到计量核心、短程无线电和长程无线电。控制器被配置为确定信息，至少一些信息涉及由计量核心测量的消耗品的消耗。控制器被进一步配置为对照一个或多个预定性能标准检查局域网状网络的性能。当局域网状网络的性能满足一组一个或多个预定性能标准时，控制器被配置为经由局域网状网络使用短程无线电将第一组信息传送到头端系统。当局域网状网络的性能不满足该组一个或多个预定性能标准时，控制器被配置为经由广域网使用长程无线电将第二组信息传送到头端系统。在一些情况下，第二组信息不同于第一组信息。

在一些情况下，控制器可对照一个或多个预定性能标准周期性地检查局域网状网络的性能。当局域网状网络的性能再次满足该组一个或多个预定性能标准时，控制器被配置为经由局域网状网络使用短程无线电将第一组信息传送到头端系统以及停止经由广域网使用长程无线电将第二组信息传送到头端系统。这能够节能。

在另一示例中，公用事业仪表被配置为监测由公用事业供应商提供的消耗品的消耗以及将与消耗品的消耗有关的消息提供给头端系统。例示性公用事业仪表包括：计量核心，该计量核心被配置为测量消耗品的消耗；短程无线电，该短程无线电被配置为通过局域网状网络无线地通信；长程无线电，该长程无线电被配置为通过广域网无线地通信；和控制器，该控制器可操作地耦合到计量核心、短程无线电和长程无线电。控制器被配置为确定信息，至少一些信息涉及由计量核心测量的消耗品的消耗。控制器被进一步配置为监听一个或多个局域网状网络中的节点以及识别每个所识别节点的信号质量的量度。控制器被进一步配置为在允许加入的情况下加入包括具有最高信号质量量度的节点的局域网状网络。在一些情况下，当尚未超过局域网状网络的跳数限制时，允许公用事业仪表加入该局域网状网络。如果不允许公用事业仪表加入包括具有最高信号质量量度的节点的局域网状网络，则控制器被配置为在允许加入的情况下加入包括具有下一最高信号质量量度的节点的局域网状网络。如果允许公用事业仪表加入这些局域网状网络中的一个局域网状网络，则控制器被配置为经由局域网状网络使用短程无线电将第一组信息传送到头端系统。如果不允许公用事业仪表加入这些局域网状网络中的任一个局域网状网络，则控制器被配置为经由广域网使用长程无线电将第二组信息传送到头端系统，其中第二组信息不同于第一组信息。

在另一示例中，一种方法包括使用边缘路由器来维持公用事业仪表与头端系统之间的通信，该边缘路由器托管包括多个公用事业仪表的局域网状网络。多个公用事业仪表中的每个公用事业仪表都具有短程无线电和长程无线电，并且能够确定何时在使用短程无线电和长程无线电之间切换。对局域网状网络的性能进行监测。当局域网状网络的性能保持在性能阈值或高于性能阈值时，公用事业仪表使用其短程无线电来经由边缘路由器使用局域网状网络与头端系统通信。当局域网状网络的性能下降到性能阈值以下时，公用事业仪表使用其长程无线电来与头端系统通信。公用事业仪表可周期性地打开短程无线电以确定局域网状网络的当前性能，并且一旦局域网状网络的当前性能已重新获得性能阈值，就恢复使用短程无线电来使用局域网状网络与头端系统通信。

提供前面的发明内容是为了便于理解本公开所特有的一些创新特征，而并非意图作为完整的描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和说明书摘要视作一个整体，可以获得对本公开的全面理解。

附图说明

结合附图考虑以下对各种示例的描述，可以更全面地理解本公开，在附图中：

图1是在多个公用事业仪表之间形成的例示性局域网状网络的示意性框图；

图2是能够在图1的例示性局域网状网络内使用的例示性公用事业仪表的示意性框图；

图2A是图2的例示性公用事业仪表的一部分的示意性框图；

图3是示出了维持公用事业仪表与头端系统之间的通信的例示性方法的流程图；

图4是在多个公用事业仪表之间形成的例示性局域网状网络的示意性框图；

图5是在多个公用事业仪表之间形成的例示性局域网状网络的示意性框图；并且

图6是在多个公用事业仪表之间形成的例示性局域网状网络的示意性框图。

虽然本公开服从于各种修改和另选形式，但是其细节已经在附图中以示例的方式示出并将被详细描述。然而，应当理解，其意图并非是将本公开限制于所述的特定示例。相反，其意图是覆盖落入本公开的实质和范围内的所有修改、等同物和替代方案。

具体实施方式

应参考附图阅读以下描述，其中不同附图中的相似元件以相同的方式编号。附图未必按比例绘制，其描绘了不旨在限制本公开范围的示例。虽然展示了各种元件的示例，但是本领域的技术人员将认识到，所提供的许多示例具有可以利用的合适替代方案。

本文假设所有数字均由术语“约”修饰，除非内容另有明确说明。用端点对数值范围的表述包括包含在该范围内的所有数字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。

如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非内容另有明确说明。如在本说明书和所附权利要求中所使用的，术语“或”通常以其包括“和/或”的意义使用，除非内容另有明确说明。

应当注意，在说明书中提及“一个实施方案”、“一些实施方案”、“其他实施方案”等，是指示所描述的实施方案可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施方案可以不必包括该特定的特征、结构或特性。而且，这些短语不一定是指同一实施方案。另外，当结合一个实施方案描述特定的特征、结构或特性时，设想该特征、结构或特性结合一个实施方案进行描述，并且设想无论是否明确描述，该特征、结构或特性都可以应用于其他实施方案，除非有明确的相反说明。

图1是包括多个公用事业仪表12的例示性局域网状网络10的示意性框图。公用事业仪表12单独标记为12a、12b、12c、12d至12n。公用事业仪表12可单独地表示例如电表、气表或水表，但在一些情况下，不同类型的公用事业仪表12中的每一者能够如何通信存在差异，如将讨论的。局域网状网络10可包括任何数量的公用事业仪表12，但在一些情况下，局域网状网络10可对局域网状网络10内所允许的“跳数”数量施加限制，因为效率会随着跳数总数的增加而下降。虽然图1中未明确示出，但是公用事业仪表12中的每个公用事业仪表可包括短程无线电，该短程无线电使得公用事业仪表12能够彼此通信并且最终经由路由器16与头端系统14通信。头端系统14可被认为表示产生由公用事业仪表12测量的消耗品的公用事业。因此，头端系统14可表示例如电力公用事业、燃气公用事业或供水公用事业。在一些情况下，头端系统14可表示位于特定公用事业处的计算机系统。在一些情况下，头端系统14可表示基于云的计算机系统，该基于云的计算机系统与公用事业可操作地耦合或者至少与位于公用事业处的计算机系统可操作地耦合。

在发送通信时，每个公用事业仪表12均尝试最终提供与头端系统14的通信。特定公用事业仪表12将以最有效且具有可接受的信噪比的方式经由局域网状网络10与头端系统14通信。为了说明，公用事业仪表12b可通过向公用事业仪表12a无线地发送消息来与头端系统14通信。公用事业仪表12a然后可将该消息重复到头端系统14。公用事业仪表12c可通过向公用事业仪表12a无线地发送消息来与头端系统14通信，公用事业仪表12a然后在确定该路由有效的情况下将该消息重复到头端系统14。另选地，公用事业仪表12c可通过向公用事业仪表12b无线地发送消息来与头端系统14通信，公用事业仪表12b然后在该特定路由更有效的情况下将该消息重复到公用事业仪表12a。公用事业仪表12a然后将该消息重复到头端系统14。如果特定公用事业仪表出现故障并从网状网络中掉线，则剩余的公用事业仪表可通过剩余的公用事业仪表重新路由它们的通信路径，从而提供稳健的通信网络。这些只是示例。局域网状网络10被称为网状网络，这部分是因为通信并不总是线性的，而是可在网状网络内横向地和动态地移动以便在每个公用事业仪表12和头端系统14之间提供有效和稳健的通信。

公用事业仪表12还包括被配置为通过广域网11通信的长程无线电。为了说明，公用事业仪表12n可使用其长程无线电来通过广域网11进行通信(以虚线示出)。广域网11可允许公用事业仪表12n与独立于局域网状网络的头端系统14通信。在一些情况下，长程无线电可经由蜂窝或其他广域网直接与头端系统通信。在一些情况下，长程无线电可与网关(例如路由器16)通信，该网关将从长程无线电接收到的通信消息经由因特网骨干网中继到头端系统。

在一些情况下，长程无线电可使用蜂窝通信技术进行通信。在一些情况下，可根据NB-IoT、LTE、CAT-M1、LoRaWAN、SigFox或5G中的一者来实现长程无线电。在一些情况下，长程无线电可在比如169MHz和433MHz免许可频带等Sub-GHz频带上使用专有长程通信协议。在一些情况下，长程无线电可由购自Semtech的超低功率长程收发器型号SX1276提供。这些只是示例。

图2是公用事业仪表12中的一个公用事业仪表的示意性框图。公用事业仪表12被配置为监测由公用事业供应商提供的消耗品的消耗以及将与消耗品的消耗有关的消息提供给头端系统14。该消息还可向头端系统提供诊断和其他信息。公用事业仪表12可被配置为作为节点加入局域网状网络10中以及经由局域网状网络10与其他公用事业仪表12通信。

例示性公用事业仪表12包括计量核心18，该计量核心被配置为测量消耗品的消耗。例如，如果公用事业仪表12是电表，则计量核心18被配置为测量所消耗的电量。如果公用事业仪表12是气表或水表，则计量核心被配置为分别测量所消耗的燃气量或所消耗的水量。例示性公用事业仪表12包括短程无线电20和长程无线电22，该短程无线电被配置为通过局域网状网络10无线地通信，该长程无线电被配置为通过广域网11通信。在一些情况下，长程无线电22是用于通过蜂窝电信网络进行通信的蜂窝无线电，但这不是必需的。在一些情况下，短程无线电20可具有小于四分之一英里的通信范围，并且长程无线电22可具有半英里或更大的范围，但这只是示例。

控制器24可操作地耦合到计量核心18、短程无线电20和长程无线电22，并且被配置为确定信息。至少一些信息涉及如由计量核心18测量的消耗品的消耗。在一些情况下，该信息还包括与对应公用事业仪表12的操作有关的诊断和/或性能信息。在一个示例中，控制器被配置为对照一个或多个预定性能标准检查局域网状网络10的性能。当局域网状网络10的性能满足一组一个或多个预定性能标准时，控制器24被配置为经由局域网状网络10使用短程无线电20将第一组信息传送到头端系统14。当局域网状网络10的性能不满足该组一个或多个预定性能标准时，控制器24被配置为经由广域网11使用长程无线电22将第二组信息传送到头端系统14。第二组信息可不同于第一组信息。在一些情况下，第二组信息可能少于第一组信息，诸如只有公用事业仪表的诊断信息或只是消耗信息的摘要而不是更详细的消耗信息等。

图2的控制器24被进一步配置为对照一个或多个预定性能标准重复地检查局域网状网络10的性能，并且当局域网状网络10的性能再次满足该组一个或多个预定性能标准时，控制器24被配置为经由局域网状网络10使用短程无线电20将第一组信息传送到头端系统14以及停止经由广域网11使用长程无线电22将第二组信息传送到头端系统14。

在一些情况下，局域网状网络10的一个或多个预定性能标准包括局域网状网络10中所允许的最大跳数，并且其中当将公用事业仪表12添加到局域网状网络10会导致局域网状网络10的跳数超过所允许的最大跳数时，局域网状网络10的性能不满足该组一个或多个预定性能标准。局域网状网络10的一个或多个预定性能标准可包括信号质量度量和/或其他性能度量。

在一些情况下，当局域网状网络10的性能满足该组一个或多个预定性能标准时，控制器24可被配置为根据第一通信计划表来传送第一组信息。当局域网状网络10的性能不满足该组一个或多个预定性能标准时，控制器24可被配置为根据第二通信计划表来传送第二组信息，其中第二通信计划表相对于第一通信计划表更不频繁地传送至少一些信息。

在一些情况下，控制器24可被配置为监听一个或多个局域网状网络10中的节点以及识别每个所识别节点的信号质量的量度。控制器24可被配置为在允许加入的情况下加入包括具有最高信号质量量度的节点的局域网状网络10。在一些情况下，当尚未超过局域网状网络的跳数限制时，允许公用事业仪表加入该局域网状网络。如果不允许公用事业仪表12加入包括具有最高信号质量量度的节点的局域网状网络10，则控制器24可被配置为在允许加入的情况下加入包括具有下一最高信号质量量度的节点的局域网状网络10。如果允许公用事业仪表12加入这些局域网状网络10中的一个局域网状网络，则控制器24可被配置为经由局域网状网络10使用短程无线电20将第一组信息传送到头端系统14。如果不允许公用事业仪表12加入由控制器24发现的局域网状网络10中的任一个局域网状网络，则控制器24可被配置为经由广域网11使用长程无线电22将第二组信息传送到头端系统14，其中第二组信息不同于第一组信息。

在一些情况下，如上所述，第二组信息可包括比第一组信息更少的信息。在一些情况下，第一组信息和第二组信息各自包括公用事业仪表12的诊断信息。为了说明，下表提供了使用短程无线电20和长程无线电22传输的信息的数量和类型之间的差异的示例：

公用事业仪表12可包括功率源26，该功率源可操作地耦合到短程无线电20、长程无线电22和控制器24。取决于公用事业仪表12被配置为测量哪种消耗品，功率源26可发生变化。如果公用事业仪表12是气表或水表，则功率源26可包括电池。然而，如果公用事业仪表12是电表，并且如图2A中所见，则功率源26可包括寄生功率源28和电容器30，该寄生功率源从正被测量的功率中寄生地捕获运行功率，该电容器由寄生功率源28充电。电容器30可被配置为当正被测量的功率不可用时向电表提供有限功率量。

图3是示出了使用边缘路由器(诸如边缘路由器16)来维持公用事业仪表(诸如公用事业仪表12)与头端系统(诸如头端系统14)之间的通信的例示性方法40的流程图，该边缘路由器托管包括多个公用事业仪表的局域网状网络(诸如局域网状网络10)。多个公用事业仪表中的每个公用事业仪表都具有短程无线电(诸如短程无线电20)和长程无线电(诸如长程无线电22)两者，并且能够确定何时在使用短程无线电和长程无线电之间切换。

例示性方法40包括监测局域网状网络的性能，如框42处所指示。当局域网状网络的性能保持在性能阈值或高于性能阈值时，公用事业仪表使用其短程无线电来使用局域网状网络与头端系统通信，如框44处所指示。当局域网状网络的性能下降到性能阈值以下时，公用事业仪表使用其长程无线电来与头端系统通信。

当使用长程无线电来与头端系统通信时，方法40包括周期性地打开短程无线电以确定局域网状网络的当前性能，如框46处所指示。方法40还包括一旦局域网状网络的当前性能已重新获得性能阈值，就恢复使用短程无线电来使用局域网状网络与头端系统通信，如框48处所指示。在一些情况下，并且如框50处所指示，相对于当公用事业仪表使用短程无线电来使用局域网状网络与头端系统通信时，当公用事业仪表使用长程无线电来与头端系统通信时，可使用更长的通信时间间隔。

在一些情况下，功率中断可能会干扰局域网状网络10。应当理解，公用事业仪表12如何响应功率中断将至少部分地取决于公用事业仪表12是电表、气表还是水表。如果公用事业仪表12是电表，则公用事业仪表12将立即切换到其长程无线电22。公用事业仪表12将不太频繁地发送短消息，直到重新获得功率。电容器30被配置为提供足够的能量以通过长程无线电22传输六个或八个消息并且保持活动最少24至48小时。在一些情况下，可在功率中断后一小时传输第一消息。后续消息可能会以不断降低的频率进行发送。作为示例，消息传输时间(后续传输之间的时间)可被设置为等于：

消息传输时间＝X+2

其中，

X是功率中断的时间，并且

N是等于0、1、2等的整数。

在该示例中，可根据计划表来发送消息：

在X+1小时发送第一消息

在X+2小时发送第二消息

在X+4小时发送第三消息

在X+16小时发送第四消息

在X+32小时发送第五消息，等等。

应当理解，这仅仅是说明性的。在一些情况下，例如，可每24小时发送任何后续消息(如果仍有功率来发送它们的话)。

当功率恢复时，电表立即感测功率已恢复，并且将周期性地寻找可用的网状网络。在一个示例中，第一跳表将在功率恢复两分钟内加入边缘路由器。第二跳表在第一跳表加入约2分钟内加入网状网络。该过程继续进行，直到例如第20跳表已加入，这应该在功率恢复约一小时内。应当理解，网状网络所允许的跳数总数可以是用户可配置的，并且可不被设置为等于20。

对于气表和水表，它们通常无法像电表一样快地加入。由于它们的电池限制，因此气表和水表可使用发现机制来检查附近托管网状网络的网状路由器，该发现机制例如每8小时执行一次，持续时间较短，诸如30秒。如果气表或水表未发现附近有任何网状路由器广告其可用性，则气表或水表将立即关闭其短程无线电并且将继续使用长程无线电。在一些情况下，该8小时时间帧能够配置为从8小时到12小时或24小时或甚至每周一次。例如，可在最初安装气表或水表时设置该配置。

在一些情况下，可安装新的公用事业仪表12，并且因此可希望加入现有局域网状网络10。在一个示例中，新的公用事业仪表12将进入监听模式，其中新的公用事业仪表12正在监听来自任何和所有附近的网状路由器的广告。新的公用事业仪表12将识别所有附近的网状路由器(包括网状路由器16和也可用作路由器的任何公用事业仪表12)，并且将准备所检测到的路由器的列表。新的公用事业仪表12将选择具有最佳信号强度的网状路由器16(或另一个公用事业仪表12)，并且通过发送LinkCheckRequest来利用该网状路由器16(或另一个公用事业仪表12)执行链路检查。作为响应，网状路由器16(或另一个公用事业仪表12)将返回LinkCheckResponse。在一些情况下，在这些链路检查期间传送信号强度值。因此，新的公用事业仪表12可验证良好的双向通信，并且将发送加入请求。

如果网状路由器16或另一个公用事业仪表12未达到其最高网状跳数限制，则网状路由器16或另一个公用事业仪表12将响应加入成功。然而，如果路由器16(或另一个公用事业仪表12)已经达到其最高网状跳数限制，则路由器16(或另一个公用事业仪表12)将对新的公用事业仪表12指示这一点，并且因此无法完成加入请求。新的公用事业仪表12将继续进行到其路由器列表上的下一个路由器16。如果没有路由器16(或另一个公用事业仪表12)能够完成其加入请求，则新的公用事业仪表12切换到使用其长程无线电22来与头端系统通信。

图4至图6是网状网络的示意性框图，示出了电表、气表和水表如何能够一起加入在网状网络中的示例。在图4中，局域网状网络60(其可被认为是局域网状网络10的示例)包括第一边缘路由器16a和第二边缘路由器16b。每个边缘路由器16可用作网状顶部节点，该网状顶部节点经由有线接口62将网状节点连接到头端系统14。在图4中，每个公用事业仪表是电表，如EM#命名法所指示。可以看出，EM1、EM3、EM5至EM40和EM43在第一边缘路由器16a下对准，并且EM2、EM4、EM6至EM41和EM42在第二边缘路由器16b下对准。图4还包括对跳数的指示，以说明如何确定跳数。

图5是局域网状网络70的示意性框图，该局域网状网络可被认为是局域网状网络10的示例。局域网状网络70既包括由EM#命名法指示的电表，也包括由GM#命名法指示的气表以及由WM1命名法指示的水表。在该示例中，气表是路由设备，但仅路由其他气表。在一些情况下，如图所示，气表在网状网络70中形成单独的翼72。在该示例中，水表不具有路由器功能，并且将是网状网络70中的最后一跳74。应当理解，水表由于其通常位于凹坑中并且具有非常小的电池而具有有限的通信能力。

图6是局域网状网络80的示意性框图，该局域网状网络可被认为是局域网状网络10的示例。局域网状网络80类似于局域网状网络60，但是包括形成于EM41与EM42之间的断路82。可由于各种原因而出现断路82。在该特定示例中，假设将最大跳数设置为等于20。因为该断路，所以EM42现在变为跳数21。因此，EM43或边缘路由器16将通知EM42，告知EM42无法保持在局域网状网络80中。作为响应，EM42将寻找另一个局域网状网络(与EM42是新安装的仪表相同的程序)并且将在未能成功找到新的局域网的情况下切换到其长程无线电。

尽管已经如此描述了本公开的若干说明性实施方案，但是本领域的技术人员将容易理解，在本文所附权利要求书的范围内，可以制造和使用其他实施方案。然而，应当理解，本公开在许多方面仅为说明性的。在不超出本公开范围的情况下，可以对细节(尤其是与形状、尺寸、零件的布置，以及步骤的排除和顺序有关的细节)进行改变。当然，本公开的范围以表达所附权利要求书的语言来限定。