申请/专利权人：斯凯孚公司

申请日：2019-02-18

公开（公告）日：2022-08-12

公开（公告）号：CN110176967B

主分类号：H04B17/30

分类号：H04B17/30

优先权：["20180219 DE 102018202440.5"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2022.08.12#授权;2021.02.05#实质审查的生效;2019.08.27#公开

摘要：一种测量系统，所述测量系统具有改善的数据传输能力，以能够在射频困难的环境中实现高效的数据传输。根据本发明，使用两种不同的数据传输协议，每个数据传输协议在其自身的射频频带内传输。第一数据传输协议是非同步网络，其中，节点可以主动激动集中器来引起注意。当节点具有集中器的注意时，集中器然后将所述节点切换到第二数据传输协议，所述第二数据传输协议是在不同频带下的时分复用网络。TDM网络能够选择性地且有效地传送小的数据包和较大的数据包二者。集中器能够使两个网络同时是激活的。

主权项：1.一种测量系统，包括：集中器，所述集中器包括：在利用非同步的第一数据传输协议的第一射频频带下操作的第一收发器；在利用同步的第二数据传输协议的第二射频频带下操作的第二收发器；一个或多个节点，每个节点包括：多频带收发器，被配置为能够在利用所述第一数据传输协议的所述第一射频频带和利用所述第二数据传输协议的所述第二射频频带之间切换；将一个或多个物理量级转换为电传感器信号的一个或多个传感器，或者连接到将一个或多个物理量级转换为电传感器信号的一个或多个传感器的部件；节点控制器，被配置为经由所述第二数据传输协议将所述电传感器信号传送到所述集中器；其特征在于，所述集中器还包括集中器控制器，所述集中器控制器被配置为利用所述第一收发器连续地收听来自所述一个或多个节点的状态消息，并且当接收到来自节点的状态消息时，然后将消息和指示与对于所述第二数据传输协议的用于该节点的参数和同步细节一起发送回到该节点，所述指示用于将通信切换到所述第二射频频带，并且其中，所述节点控制器被配置为在将所述多频带收发器重置到利用所述第一数据传输协议的所述第一射频频带时默认，然后以预定的时间间隔，发送状态消息，然后等待预定的等待时间间隔，以用于响应。

全文数据：测量系统技术领域本发明涉及从具有传感器的一个或多个通信网络节点向一个或多个集中器的大量数据的传输，更特别地，涉及在严格的时间限制下从直接或间接地附接到滚动元件轴承的节点传送数据。背景技术滚动元件轴承包括内圈、外圈和安装在这两个圈之间的若干个滚动元件或滚动体。这些滚动体可以是滚珠、滚子或滚针。在本发明的意义中，滚动轴承和滚动元件轴承可以是例如滚珠轴承、滚子轴承或滚针轴承。在滚动元件轴承的领域中，已知附接一个或多个传感器来测量一个或多个物理参数并将这些物理参数转换成电信号。当在测试中心测试轴承时，每个轴承可能装满传感器，以测量轴承上的不同位置处和轴承的部件处的从温度到负载的任何参数。在大尺寸轴承中，甚至在其滚子的一个或多个内可能存在传感器。当试图无线地收集传感器产生的所有数据时，轴承面对一个大问题，轴承主要由钢制成。无线传输尤其是使用射频与钢无法很好地结合在一起。数据传送速率将下降而节点没有无限的缓冲空间，这会造成问题。仍存在改进的余地。发明内容本发明的目的是限定一种测量系统，所述测量系统在一个或多个节点与一个或多个对应的集中器之间具有低开销的情况下具有有效数据传送。上述目的通过具有改善的数据传输能力以能够在射频困难的环境中进行有效数据传送的测量系统来实现。根据本发明，使用两种不同的数据传输协议，每个数据传输协议在其自身的射频频带内传输。第一数据传输协议是非同步网络，其中，节点可以主动激动poke刺激、激活集中器来引起注意。当节点具有集中器的注意时，集中器然后将所述节点切换到第二数据传输协议，所述第二数据传输协议是在不同频带下的时分复用网络。TDM网络能够选择性地且有效地传送小的数据包和较大的数据包。集中器能够使两个网络同时是激活的。根据本发明，上述目的还通过包括集中器和一个或多个节点的测量系统来实现。所述集中器包括在利用第一数据传输协议的第一射频频带下操作的第一收发器和在利用第二数据传输协议的第二射频频带下操作的第二收发器。所述一个或多个节点中的每个节点包括多频带收发器、一个或多个传感器和或连接到一个或多个传感器的部件以及节点控制器。所述多频带收发器被配置为能够在利用所述第一数据传输协议的所述第一射频频带和利用所述第二数据传输协议的所述第二射频频带之间切换。所述一个或多个传感器将一个或多个物理量级magnitude转换为电传感器信号和或具有连接到将一个或多个物理量级转换为电传感器信号的一个或多个传感器的部件。所述节点控制器被配置为经由所述第二数据传输协议将所述电传感器信号传送到所述集中器。根据本发明，所述集中器还包括集中器控制器，所述集中器控制器被配置为利用所述第一收发器连续地收听来自所述一个或多个节点的状态消息，并且当接收到来自节点的状态消息时，然后将消息和指示与对于所述第二数据传输协议的用于该节点的参数一起发送回到该节点，所述指示用于将通信切换到所述第二频带。所述节点控制器还被配置为在将所述多频带收发器重置到利用所述第一数据传输协议的所述第一射频频带时默认，然后以预定的时间间隔，发送状态消息，然后等待预定的等待时间间隔，以用于响应。适当地，所述第二数据传输协议为时分复用传输协议TimeDivisionMultiplexingtransmissionprotocol。优选地，对于所述第二数据传输协议中的广播请求，所有节点获得用于响应的时隙。在一些实施方式中，实现单独节点请求，并且对于所述第二数据传输协议中的单独节点请求，该寻址节点是在该时间帧期间获得时隙的唯一节点，并且该时隙将在该时间帧中被分配所有可用时间。有利地，对于所述第二数据传输协议中的多节点请求，则那些寻址节点是在该时间帧期间获得时隙的唯一节点，并且那些时隙将在该时间帧中使用所有可用时间并在它们之间被等分。优选地，诸如LoRa的啁啾展频扩频CSS无线电调制技术用于硬件和数据链路层。在一些实施方式中，所述测量系统可包括在菊花链中的多个集中器，每个集中器包括其自身的节点。如果将改善数据直通datathroughput，则多个集中器中的一个或多个集中器也可以是虚拟的。由于硬件限制而可能限制包长度，因此对于不同的节点集具有若干不同的集中器时隙会是有用的，由此使数据传送的效率最大化。也就是说，如果节点的数量变大，则单节点传送时隙变大，可能大于物理限制。然后将节点分成不同的集中器时隙slot是有意义的，就像它们被菊花式链接一样。在一些实施方式中，所述传感器中的至少一些传感器直接或间接地附接到轴承部件。在一些实施方式中，所述节点中的至少一些节点直接地附接到轴承部件。根据本发明的测量系统的不同附加改进可以以任何期望的方式组合，只要不组合冲突特征即可。根据具体实施方式，本发明的其他优点将变得显而易见。附图说明现将参考下面附图更详细地描述本发明，以用于解释，并且没有任何意义上的限制的目的，在附图中：图1示出根据本发明的测量系统的框图，图2示出数据报，图3示出第一数据传输协议的时序图的示例，图4示出具有来自节点的小的有效载荷的第二数据传输协议的时序图的示例，图5示出具有来自第二节点的大的有效载荷的第二数据传输协议的时序图的示例，图6示出在两个集中器网关菊花式链接的情况下的第二数据传输协议的时序图的示例，第一集中器网关具有来自其第一节点的大的有效载荷，第二集中器网关具有来自其两个节点的小的有效载荷。图1示出根据本发明的测量系统的框图：100集中器网关，103第一节点，105第二节点，107第三节点，111在利用第一数据传输协议的第一射频频带下工作的天线收发器，112在利用第二数据传输协议的第二射频频带下工作的天线收发器，113第一节点的多频带天线收发器，所述第一节点的多频带天线收发器被配置为能够在利用第一数据传输协议的第一射频频带和利用第二数据传输协议的第二射频频带之间切换，115第二节点的多频带天线收发器，所述第二节点的多频带天线收发器被配置为能够在利用第一数据传输协议的第一射频频带和利用第二数据传输协议的第二射频频带之间切换，117第三节点的多频带天线收发器，所述第三节点的多频带天线收发器被配置为能够在利用第一数据传输协议的第一射频频带和利用第二数据传输协议的第二射频频带之间切换，123第一节点的传感器，125第二节点的第一传感器，126第二节点的第二传感器，127第三节点的传感器。图2示出数据报：230数据报，232报头，所述报头通常包括前导码、源和目的地址、有效载荷的大小，报头的CRC、时间戳等。234有效载荷，从源传送到目的地的数据，236有效载荷的可能CRC。图3示出第一数据传输协议的时序图的示例：340来自集中器网关的包的时间线，341来自集中器网关的命令请求包，342冲突，343来自第一节点的包的时间线，344来自第一节点的状态包，345来自第二节点的包的时间线，346来自第二节点的状态包，347来自第三节点的包的时间线，348来自第三节点的状态包，390时间线。图4示出具有来自节点的小的有效载荷的第二数据传输协议的时序图的示例：450来自集中器网关的包的时间线，451从集中器网关到所有节点的广播命令请求包，452来自集中器网关的命令请求包，453来自第一节点的包的时间线，454来自第一节点的状态数据包，455来自第二节点的包的时间线，456来自第二节点的状态数据包，457来自第三节点的包的时间线，458来自第三节点的状态数据包，460当节点从睡眠模式转为收听来自集中器网关的命令请求时的同步时间，461当节点从睡眠模式转为收听来自集中器网关的命令请求时的同步时间，462避免重叠冲突的等待时间，464避免重叠冲突的等待时间，466避免重叠冲突的等待时间，468避免重叠冲突的等待时间，491时间线。图5示出具有来自第二节点的大的有效载荷的第二数据传输协议的时序图的示例：550来自集中器网关的包的时间线，551从集中器网关到第二节点的命令请求包，552来自集中器网关的命令请求包，553来自第一节点的包的时间线，555来自第二节点的包的时间线，559来自第二节点的大的数据包，557来自第三节点的包的时间线，562避免重叠冲突的等待时间，568避免重叠冲突的等待时间，591时间线。图6示出在两个集中器网关菊花式链接的情况下的第二数据传输协议的时序图的示例，第一集中器网关具有来自其第一节点的大的有效载荷，第二集中器网关具有来自其两个节点的小的有效载荷：650来自第一集中器网关的包的时间线，651从第一集中器网关到其第一节点的命令请求包，652来自第一集中器网关的命令请求包，653来自第一集中器网关的第一节点的包的时间线，655来自第一集中器网关的第二节点的包的时间线，657来自第一集中器网关的第三节点的包的时间线，659来自第一集中器网关的第一节点的大的数据包，662避免重叠冲突的等待时间，663避免重叠冲突的等待时间，665避免重叠冲突的等待时间，667避免重叠冲突的等待时间，669避免重叠冲突的等待时间，670来自第二集中器网关的包的时间线，671从第二集中器网关到其所有节点的广播命令请求包，673来自第二集中器网关的第一节点的包的时间线，674来自第二集中器网关的第一节点的状态数据包，675来自第二集中器网关的第二节点的包的时间线，676来自第二集中器网关的第二节点的状态数据包，691时间线。具体实施方式为了阐明根据本发明的方法和装置，现将结合图1至图6描述其使用的一些示例。图1示出根据本发明的测量系统的框图。在本示例中，存在具有三个节点node103、105、107的一个集中器网关100。每个节点103、105、107具有其对应的多个传感器123、125、126、127，传感器123、125、126、127与所考虑的节点一体化或可连接到所考虑的节点。每个传感器配置为并意在使用时直接或间接地附接到诸如滚动元件轴承的一部分的元件。集中器100包括分别与天线适配的两个收发器111、112。在一些实施方式中，共享的多频带天线可由收发器111、112两者使用。在一些其他实施方式中，收发器111、112中的一者或两者可具有单独的发送天线和接收天线。一个收发器111在利用第一数据传输协议的第一射频频带下工作，另一收发器112在利用第二数据传输协议的第二射频频带下工作。集中器可以并且将要在使用中和在被激活中具有激活用于同时使用的两个收发器。节点103、105、107中的每个具有多频带天线收发器113、115、117，多频带天线收发器113、115、117分别被配置为能够在使用第一数据传输协议的第一射频频带和使用第二数据传输协议的第二射频频带之间切换。第一射频频带和第二射频频带不同，第一数据传输协议和第二数据传输协议不同。第一数据传输协议是非同步网络，即，至于当节点收发器113、115、117中的每个可以传输数据时，节点103、105、107和集中器100不同步。在第一数据传输协议中，集中器100将收听并等待来自节点103、105、107中的一个或多个的状态传输，于是之后或多或少地直接将命令请求发送回到该节点。当节点切换到第一数据传输协议时，它们将从睡眠模式唤醒并发送状态传输，然后对于来自集中器100的命令请求等待预定时间。如果节点在预定的时限内没有接收到命令请求，则其将返回到睡眠模式，然后在预定的睡眠模式时间延迟后，重复发送状态传输等的顺序。节点在大部分时间处于睡眠模式的原因是它们很可能是由电池供电的非常低功率的设备，并且通过尽可能地保持节点处于睡眠模式节省能量。如果在预定时间内接收到来自集中器的命令请求，则所考虑的节点将执行命令请求。根据本发明的第一方面，这使节点能够经由第一数据传输协议获得集中器的注意，然后系统可以在它们到来时将节点添加到具有较高效数据传送率的第二同步数据传输协议中。根据本发明，一个命令请求是使节点从在第一射频频带下工作的第一数据传输协议改变为在第二射频频带下工作的第二数据传输协议。然后，命令请求将包括对于节点运动到在第二射频频带下工作的第二数据传输协议所需的所有必要参数和同步细节。第二数据传输协议是同步网络，以实现较大的数据传递，伴随非同步的第一数据传输协议，存在高可能性的数据包冲突。适当地存在冲突检测，然后在将来时间再次发送，这抢断了数据吞吐量datathroughput。节点将启动到在第一射频频带下工作的第一数据传输协议，并且如果例如监视器watchdog跳闸trip或者节点与其他节点及集中器失去同步，则节点也将默认为此defaulttothis。同步的第二数据传输协议在每个节点可以进行发送时为其分配一个时隙timeslot。更多细节将在下面。图2示出可以适当地用于第一数据传输协议和第二数据传输协议二者的数据报230数据包。数据报230包括报头232、有效载荷234以及作为一种选择包括有效载荷234的循环冗余校验CRC，CyclicRedundancyCheck236。报头232通常包括前导码preamble、源和目的地地址、有效载荷的大小、报头的CRC、数据报的顺序、时间戳等。报头232至少包括基本信息，以使有效载荷正确地到达其目的地并告知其来自何处。报头232和CRC236都是开销的overhead，它们是使有效载荷234从A源地址到B目的地地址的部件。如果有效载荷234的字节大小与报头232的字节大小相同，则开销等于或大于有效载荷234。因此，如果我们能够以每秒1000字节的速率发送包，则有效数据传送速率仅为每秒500字节或更少。对于第二示例，我们保持报头232具有相同的大小，如果我们然后增大有效载荷234使得报头232仅表示数据报包230的10％，那么以每秒1000字节的相同速率，我们获得每秒900字节的有效数据传送速率。由于每秒和每个大的数据集将存在较少的数据包，因此很可能会上升到甚至较高，因此，包间延迟interpacketdelay也将会较少。这几乎是双倍的可用数据速率。在数据报中的有效载荷容量有多大与待输送的数据集的大小之间也必须存在平衡。如果百分之一的数据集是5000字节而另外99％是50字节，那么如果有效载荷大小在所有数据报包中固定为5000字节，则会有巨大的浪费和非常低的有效数据速率。于是，99％的数据报只会有其容量的1％的有效载荷。我们假设每个数据集必须单独发送。本发明的第二方面是根据容量可用性和数据集大小而改变有效载荷234的大小的能力。图3示出沿着被划分为时间线340、343、345、347行的时间线390的第一数据传输协议的时序图的示例。第一时间线340行用于来自集中器网关的包，第二时间线343行用于来自第一节点的包，第三时间线345行用于来自第二节点的包，第四时间线347行用于来自第三节点的包。第一节点以规律的间隔从睡眠模式唤醒并发出状态包344。在发出状态包之后，节点将保持唤醒预定收听listening时间，以查看是否存在响应于具有命令请求包341的该状态包的集中器网关。如果在预定收听时间内不存在命令请求包，则节点返回睡眠并在预定的睡眠时间之后再次唤醒并重复该过程直到命令请求包341到来。集中器网关具有两个收发器，其中的一个收发器在根据第一数据传输协议工作的第一射频频带中收听。当集中器从节点接收状态包时，它将命令请求包发送回节点。该命令请求包可为用于节点的命令，以将其多频带收发器切换到第二射频频带并根据第二数据传输协议开始通信。来自节点的状态请求以不受控制的方式随机地到来，因此有时包发生冲突，这可以在来自第二节点的状态包346与从第三节点发送的状态包348准确同时发送的情况看出，导致两个包之间的冲突342，破坏两个包346、348。因此，必须在不同时间重新发送这些包。在第一数据传输协议中，单元不是同步的，并且是节点随机进行激活initiative，因此倾向于发生真正地降低传送速率的冲突。在第二数据传输协议中，单元是同步的，并且是集中器网关在管理。图4示出沿着被划分为时间线450、453、455、457行的时间线491的来自节点的具有小的有效载荷的第二数据传输协议的时序图的示例。第一时间线450行用于来自集中器网关的包，第二时间线453行用于来自第一节点的包，第三时间线455行用于来自第二节点的包，第四时间线457行用于来自第三节点的包。在第二数据传输协议中，所有节点与集中器网关同步。集中器使节点持续地同步，使得它们各自的定时时钟将在设定约束内没有时间漂移drift到节点不能通信的状态。冲突不应该发生。为了减少发生冲突的风险，在第二数据传输协议中置入一些肘部空间elbowroom。在包之间存在小的延迟等待时间462、464、466、468，使得小的同步变化不会导致包冲突。节点将启动460、461，以在包451、452的预期到达稍微之前收听来自集中器的命令请求包451、452，这也将赋予关于设备之间的同步性的摆动空间wiggleroom。在图4中所示的示例中，集中器发送广播broadcasting命令请求451，例如，状态请求。由于它作为广播请求发出，因此所有节点将在这种情况下在它们的分配的时隙内返回有状态包454、456、458。节点从广播请求451的启动计算它们各自的分配时隙。时间帧的大小适当，使得为每个节点分配的时隙对于来自节点的各个状态包454、456、458而言足够大。当节点要从它们的传感器传送测量数据时，分配的时隙对于测量数据而言不够大。如前面所说明的，随着每个传送的有效载荷数据的开销增加，将大的数据集分成许多小包不是传送数据的有效方式。根据本发明，当节点被单独请求传送数据时，使节点能够使用对于所有节点可用的所有时隙。图5示出沿着被划分为时间线550、553、555、557行的时间线591的来自第二节点的具有大的有效载荷的第二数据传输协议的时序图的示例。第一时间线550行用于来自集中器网关的包，第二时间线553行用于来自第一节点的包，第三时间线555行用于来自第二节点的包，第四时间线557行用于来自第三节点的包。由于在时间帧中不存在那么多包，因此在包之间存在较少的小的延迟等待时间562、568。这里，集中器向第二节点发送单独的命令请求包551，然后其他节点将在该时间帧期间保持安静并且仅第二节点发送大的数据包559。这将保持用于传送该数据的总开销非常低。然后，集中器在随后的时间帧的开始处发送另一个命令请求包552。当需要进行扩展而管理此的唯一方式是引入较多的附接有具有传感器的节点的集中器时，存在冲突。根据本发明可通过菊花式链接所有使用相同两个射频频带的集中器来完成。图6示出在两个集中器网关菊花式链接的情况下的第二数据传输协议的时序图的示例，第一集中器网关具有来自其第一节点的大的有效载荷，第二集中器网关具有来自其两个节点的小的有效载荷。这沿着被划分为时间线650、653、655、657、670、673、675行的时间线691示出。第一时间线650行用于来自第一集中器网关的包，第二时间线653行用于来自第一集中器的第一节点的包，第三时间线655行用于来自第一集中器的第二节点的包，第四时间线657行用于来自第一集中器的第三节点的包，第五时间线670行用于来自第二集中器网关的包。还示出包之间的等待时间662、663、665、667、669，以避免包之间的重叠冲突。第一集中器向其第一节点发送单独的请求包651，由此，第一节点返回大的数据包659。由于没有为第一集中器分配更多的时隙，因此第二集中器继续发送广播状态请求671到其节点，由此，第二集中器的第一节点和第二节点在它们的对应时隙中将它们的状态返回在对应的数据包674、676中。当第二集中器耗尽时隙时，则控制返回到第一集中器，然后第一集中器将发送命令请求包652。本发明基于这样的基本发明构思：首先使用非同步网络使节点主动地激动poke刺激、激活集中器以引起注意，然后集中器将节点切换到在不同频带下的时分复用网络。TDM网络能够选择性地且有效地传送小型数据包和较大型数据包二者。集中器能够使两个网络同时是激活的。系统可以在相同集中器或另一个集中器上利用菊花式链接较多的集中器帧集以及它们各自的节点而进行扩展。本发明不限于上述实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内改变。

权利要求：1.一种测量系统，包括：集中器，所述集中器包括：在利用第一数据传输协议的第一射频频带下操作的第一收发器；在利用第二数据传输协议的第二射频频带下操作的第二收发器；一个或多个节点，每个节点包括：多频带收发器，被配置为能够在利用所述第一数据传输协议的所述第一射频频带和利用所述第二数据传输协议的所述第二射频频带之间切换；将一个或多个物理量级转换为电传感器信号的一个或多个传感器，或者连接到将一个或多个物理量级转换为电传感器信号的一个或多个传感器的部件；节点控制器，被配置为经由所述第二数据传输协议将所述电传感器信号传送到所述集中器；其特征在于，所述集中器还包括集中器控制器，所述集中器控制器被配置为利用所述第一收发器连续地收听来自所述一个或多个节点的状态消息，并且当接收到来自节点的状态消息时，然后将消息和指示与对于所述第二数据传输协议的用于该节点的参数一起发送回到该节点，所述指示用于将通信切换到所述第二频带，并且其中，所述节点控制器被配置为在将所述多频带收发器重置到利用所述第一数据传输协议的所述第一射频频带时默认，然后以预定的时间间隔，发送状态消息，然后等待预定的等待时间间隔，以用于响应。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述第二数据传输协议为时分复用传输协议。3.根据任意前述权利要求所述的测量系统，其特征在于，对于所述第二数据传输协议中的广播请求，则所有节点获得用于响应的时隙。4.根据任意前述权利要求所述的测量系统，其特征在于，对于所述第二数据传输协议中的单独节点请求，则该寻址节点是在该时间帧期间获得时隙的唯一节点，并且该时隙将在该时间帧中被分配所有可用时间。5.根据任意前述权利要求所述的测量系统，其特征在于，对于所述第二数据传输协议中的多节点请求，则那些寻址节点是在该时间帧期间获得时隙的唯一节点，并且那些时隙将在该时间帧中使用所有可用时间并在它们之间被等分。6.根据任意前述权利要求所述的测量系统，其特征在于，啁啾展频CSS无线电调制技术用于硬件和数据链路层。7.根据任意前述权利要求所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括在菊花链中的多个集中器，每个集中器包括其自身的节点。8.根据任意前述权利要求所述的测量系统，其特征在于，所述传感器中的至少一些传感器直接或间接地附接到轴承部件。9.根据任意前述权利要求所述的测量系统，其特征在于，所述节点中的至少一些节点直接地附接到轴承部件。

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