一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法及装置转让专利
申请号 : CN201710150268.7
文献号 : CN107040588B
文献日 : 2019-12-06
发明人 : 王军 , 张志颖 , 陈淘 , 刘启明 , 张涛 , 徐景涛 , 刘利兵 , 付义伦 , 张慧
申请人 : 中国电力科学研究院 , 河南许继仪表有限公司 , 国网河南省电力公司 , 许继集团有限公司 , 国家电网公司
摘要 :
本发明涉及一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法及装置，本发明CSMA/CA算法的基础上，考虑到刷卡机具的数量及信息发送次数对MacMinBE的影响，根据前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次信退避次数加权值调整MacMinBE数值，当刷卡机具数量大于前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，且NB大于前若干次信退避次数加权值时，将MacMinBE加1；当刷卡机具数量小于前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，且NB小于前若干次信退避次数加权值时，将MacMinBE减1。通过上述过程，本发明实现MacMinBE的自适应调整，提高了多台刷卡机具同时和农排费控终端通信时的通信成功率，保证了用户的正常使用，增强了用户体验感。
权利要求 :
1.一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据当前农排刷卡机具数量、前i次通信节点的个数确定前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值；
2)确定前若干次通信退避次数加权值；
3)根据得到的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次通信退避次数加权值调整MacMinBE，当N＞NAve和NB＞NBAve同时满足时，将MacMinBE数值加1，MacMinBE＝MacMinBE+1，当N＜NAve和NB＜NBAve同时满足时，将MacminBE数值减1，MacminBE＝MacMinBE-1，否则MacMinBE均保持不变，其中N为当前刷卡机具的数量，NAve为前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，NB为当前刷卡机具的后退次数，NBAve为前若干次通信退避次数加权值，MacMinBE为MAC层最小的退避指数；
4)根据调整后的MacMinBE值对分布式农排费控系统进行冲突检测；
所述的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值为：
其中Ni为前i次通信节点的个数，Num1为经验值，NAve为前Num1次通信时刷卡机具节点数量的加权值，αi为节点数加权系数；
所述的前若干次通信退避次数加权值NBAve为：
其中NBAve为当前Num2次通信退避次数加权值，βi为通信退避次数加权系数,NBi为前i次通信退避次数。
2.根据权利要求1所述的分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法，其特征在于，所述步骤4)采用CSMA/CA冲突检测算法。
3.一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡装置，其特征在于，该装置包括刷卡机具节点数量加权值计算模块、通信退避次数加权值计算模块、MacMinBE调整模块和冲突检测模块，所述的刷卡机具节点数量加权值计算模块用于根据当前农排刷卡机具数量、前i次通信节点的个数确定前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值；
所述的通信退避次数加权值计算模块用于确定前若干次通信退避次数加权值；
所述的MacMinBE调整模块用于根据得到的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次通信退避次数加权值调整MacMinBE，当N＞NAve和NB＞NBAve同时满足时，将MacMinBE数值加1，MacMinBE＝MacMinBE+1，当N＜NAve和NB＜NBAve同时满足时，将MacMinBE数值减1，MacMinBE＝MacMinBE-1，否则MacMinBE均保持不变，其中N为当前刷卡机具的数量，NAve为前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，NB为当前刷卡机具的后退次数，NBAve为前若干次通信退避次数加权值，MacMinBE为MAC层最小的退避指数；
所述的冲突检测模块用于根据调整后的MacminBE值对分布式农排费控系统进行冲突检测；
所述的刷卡机具节点数量加权值计算模块采用的计算公式为：
其中Ni为前i次通信节点的个数，Num1为经验值，NAve为前Num1次通信时刷卡机具节点数量的加权值，αi为节点数加权系数；
所述的通信退避次数加权值计算模块采用的计算公式为：
其中NBAve为当前Num2次通信退避次数加权值，βi为通信退避次数加权系数，NBi为前i次通信退避次数。
4.根据权利要求3所述的分布式农排费控系统的防冲突刷卡装置，其特征在于，所述冲突检测模块采用CSMA/CA冲突检测算法进行冲突检测。
说明书 :
一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法及装置，属于用电计费技术领域。
背景技术
[0002] 农田机井灌溉做为我国中、西部及北部等粮食主产区一种最有效的抗旱保湿措施，国家连续多年出台多项政策支持和保障农排工程建设。当前农排费控系统中一个农排费控终端可以管理至少两个机井，每个机井对应一个电能表和一个刷卡机具，如图1所示，一个农排费控终端管理N个电能表、N个刷卡机具和N个外置负荷开关，在使用时，刷卡机具获取用户卡信息并将用户卡信息发送到农排费控终端，由农排费控终端对用户卡信息进行处理，并将处理结果发送给刷卡机具和，由刷卡机具完成写卡操作，并由农排费控终端控制外置负荷开关，实现农田灌溉。农排费控终端与刷卡机具采用微功率无线通信，当多台刷卡机具同时刷卡时会造成数据传输冲突，为了避免这种情况，发送数据前，都会通过CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)机制来竞争传输媒介的使用权，该机制在接收信标帧中的BLE域为0时，将退避指数BE(Backoff exponent)初始化为MAC层的MacMinBE值，否则，BE值应该设为2和MacMinBE两者中的小者，而MacMinBE作为MAC层最小的退避指数，一旦确定，就不再调整，使得后面的随机避让时隙也相对固定，面对不同数量的刷卡机具同时和农排费控终端通信时该方法的灵活性不够，易造成刷卡机具刷卡失败，降低多台刷卡机具同时和农排费控终端通信时的通信成功率，影响农户的正常使用。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法，以解决多台刷卡机具同时刷卡时会造成数据传输冲突的问题；本发明还提供了一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡装置。
[0004] 本发明为解决上述技术问题而提供一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡方法，该方法包括以下步骤：
[0005] 1)根据当前农排刷卡机具数量、前i次通信节点的个数确定前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值；
[0006] 2)确定前若干次通信退避次数加权值；
[0007] 3)根据得到的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次通信退避次数加权值调整MacMinBE，
[0008] 当N＞NAve和NB＞NBAve同时满足时，将MacMinBE数值加1，MacMinBE＝MacMinBE+1，[0009] 当N＜NAve和NB＜NBAve同时满足时，将MacMinBE数值减1，MacMinBE＝MacMinBE-1，[0010] 否则MacMinBE均保持不变，
[0011] 其中N为当前刷卡机具的数量，NAve为前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，NB为当前刷卡机具的后退次数，NBAve为前若干次通信退避次数加权值，MacMinBE为MAC层最小的退避指数；
[0012] 4)根据调整后的MacminBE值对分布式农排费控系统进行冲突检测。
[0013] 进一步地，所述的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值为：
[0014]
[0015]
[0016] 其中Ni为前i次通信节点的个数，Num1为经验值，NAve为前Num1次通信时刷卡机具节点数量的加权值，αi为节点数加权系数。
[0017] 进一步地，所述的前若干次通信退避次数加权值NBAve为：
[0018]
[0019]
[0020] 其中NBAve为当前Num2次通信退避次数加权值，βi为通信退避次数加权系数，NBi为前i次通信退避次数。
[0021] 进一步地，所述步骤4)采用CSMA/CA冲突检测算法。
[0022] 本发明还提供了一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡装置，该装置包括刷卡机具节点数量加权值计算模块、通信退避次数加权值计算模块、MacMinBE调整模块和冲突检测模块，
[0023] 所述的刷卡机具节点数量加权值计算模块用于根据当前农排刷卡机具数量、前i次通信节点的个数确定前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值；
[0024] 所述的通信退避次数加权值计算模块用于确定前若干次通信退避次数加权值；
[0025] 所述的MacMinBE调整模块用于根据得到的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次通信退避次数加权值调整MacMinBE，
[0026] 当N＞NAve和NB＞NBAve同时满足时，将MacMinBE数值加1，MacMinBE＝MacminBE+1，[0027] 当N＜NAve和NB＜NBAve同时满足时，将MacMinBE数值减1，MacMinBE＝MacMinBE-1，[0028] 否则MacMinBE均保持不变，
[0029] 其中N为当前刷卡机具的数量，NAve为前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，NB为当前刷卡机具的后退次数，NBAve为前若干次通信退避次数加权值，MacMinBE为MAC层最小的退避指数；
[0030] 所述的冲突检测模块用于根据调整后的MacMinBE值对分布式农排费控系统进行冲突检测。
[0031] 进一步地，所述的刷卡机具节点数量加权值计算模块采用的计算公式为：
[0032]
[0033]
[0034] 其中Ni为前i次通信节点的个数，Num1为经验值，NAve为前Num1次通信时刷卡机具节点数量的加权值，αi为节点数加权系数。
[0035] 进一步地，所述的通信退避次数加权值计算模块采用的计算公式为：
[0036]
[0037]
[0038] 其中NBAve为当前Num2次通信退避次数加权值，βi为通信退避次数加权系数，NBi为前i次通信退避次数。
[0039] 进一步地，所述冲突检测模块采用CSMA/CA冲突检测算法进行冲突检测。
[0040] 本发明的有益效果是:本发明CSMA/CA算法的基础上，考虑到刷卡机具的数量及信息发送次数对MacMinBE的影响，根据前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次信退避次数加权值调整MacMinBE数值，当刷卡机具数量大于前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，且后退次数大于前若干次信退避次数加权值时，将MacMinBE加1；当刷卡机具数量小于前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，且NB小于前若干次信退避次数加权值时，将MacMinBE减1。通过上述过程，本发明实现MacMinBE的自适应调整，提高了多台刷卡机具同时和农排费控终端通信时的通信成功率，保证了用户的正常使用，增强了用户体验感。
附图说明
[0041] 图1是分布式农排费控系统的拓扑图；
[0042] 图2是本发明MacMinBE自适应算法流程图；
[0043] 图3是CSMA/CA算法改进流程图。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
[0045] 本发明分布式农排费控系统防冲突刷卡方法的实施例
[0046] 本发明CSMA/CA算法的基础上，考虑到刷卡机具的数量及信息发送次数对MacMinBE的影响，根据前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次信退避次数加权值调整MacMinBE数值，当刷卡机具数量大于前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，且后退次数大于前若干次信退避次数加权值时，将MacMinBE加1；当刷卡机具数量小于前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，且NB小于前若干次信退避次数加权值时，将MacMinBE减1；否则MacMinBE值不变。最后按照调整后的MacMinBE值进行冲突检测。
[0047] 一个农排费控终端可以管理至少两个机井，每个机井对应一个电能表和一个刷卡机具。下面以某一具体的农排费控系统为例进行说明，本实例中的农排费控系统如图1所示，包括一个农排费控终端、N个通道转换器、N个三相电能表、外置负荷开关和N个刷卡机具，农排费控终端通过各通道转换器与对应的三相电能表和刷卡机具相连，每个通道转换器为对应的刷卡机具提供12V的直流电。农排费控终端用于实现用电数据的采集和费控管理，电能表用于计量用电数据并将计量数据发送给费控终端，刷卡机具用于获取用户卡信息并将用户卡信息发送到农排费控终端，由农排费控终端的费控模块对用户卡信息进行处理，并将处理结果发送给刷卡机具，由刷卡机具通过其交互模块完成写卡操作在实际使用时，农排费控终端安装在台区配电变压器处箱体中，电能表安装在机井配电计量箱内，刷卡机具安装在计量箱外部线杆上，刷卡机具由通道转换器提供12V电源及两路RS_485总线，其中一路总线与电能表通信，另一路与刷卡机具通信，距农排费控终端内嵌有CAN总线或电力线载波的通信模块，通过CAN总线、宽带载波或微功率无线模块转RS485模块实现与智能电表和刷卡机具之间的实时通信，完成计量信息自动采集和刷卡用电管理。
[0048] 当多台刷卡机具同时刷卡时会造成数据传输冲突，为提高数据传输的成功率，本发明在CSMA/CA算法的基础上，考虑到刷卡机具的数量及信息发送次数对MacMinBE的影响，采用了MacMinBE的自适应加权算法，MacMinBE自适应加权算法流程图如图2所示，CSMA/CA算法增加MacMinBE自适应算法后，流程如图3所示，具体过程如下：
[0049] 1.根据当前刷卡机具数量、前i次通信节点的个数确定节点数加权系数和前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值。
[0050]
[0051]
[0052] 其中N为当前刷卡机具的数量，Ni为前i次通信节点的个数；Num1为经验值，本实施例中可取5，NAve为前Num1次通信时刷卡机具节点数量的加权值，αi为节点数加权系数。
[0053] 2.确定前若干次通信退避次数加权值。
[0054]
[0055]
[0056] 其中NBAve为当前Num2次通信退避次数加权值，βi为通信退避次数加权系数。
[0057] 3.根据得到的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次通信退避次数加权值调整MacMinBE。
[0058] 当N＞NAve和NB＞NBAve同时满足时，将MacMinBE数值加1，MacMinBE＝MacMinBE+1；
[0059] 当N＜NAve和NB＜NBAve同时满足时，将MacMinBE数值减1，MacMinBE＝MacMinBE-1；
[0060] 其他时候MacMinBE均保持不变。
[0061] 4.按照调整后的MacMinBE对多台刷卡机具同时刷卡进行冲突检测，具体流程如图3所示，具体过程如下：
[0062] 首先在接收信标帧中的BLE域为0时，将退避指数BE(Backoff exponent，即每次退避等待时间)初始化为MAC层的MacMinBE值，否则，BE值应该设为2和MacMinBE两者中的小者；然后随机避让2BE-1个时隙，并进行信道空闲CCA检测；当信道为空时，将碰撞窗口长度CW(即每次退避等待时间值，CW的初始值为2，最大值为31)减1，并在碰撞窗口长度CW为零时，判断刷卡机具接入成功，否则重新进行CCA检测；当判断信道为忙时，重置CW为2，并将后退次数NB加1，退避指数BE＝min(BE+1,MacMinBE)，并在后退次数NB大于退避上限时，判断刷卡机具接入失败，否则重新进行避让。
[0063] 通过上述过程，当多台刷卡机具同时刷卡时，本发明能够提高刷卡机具与农排费控终端的通信成功率。
[0064] 本发明的一种分布式农排费控系统的防冲突刷卡装置的实施例
[0065] 本实施例中的装置包括刷卡机具节点数量加权值计算模块、通信退避次数加权值计算模块、MacMinBE调整模块和冲突检测模块，刷卡机具节点数量加权值计算模块用于根据当前农排刷卡机具数量、前i次通信节点的个数确定前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值；通信退避次数加权值计算模块用于确定前若干次通信退避次数加权值；MacMinBE调整模块用于根据得到的前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值和前若干次通信退避次数加权值调整MacMinBE，当N＞NAve和NB＞NBAve同时满足时，将MacMinBE数值加1，MacMinBE＝MacMinBE+1，当N＜NAve和NB＜NBAve同时满足时，将MacMinBE数值减1，MacMinBE＝MacMinBE-1，否则MacMinBE均保持不变，其中N为当前刷卡机具的数量，NAve为前若干次通信时刷卡机具节点数量的加权值，NB为当前刷卡机具的后退次数，NBAve为前若干次通信退避次数加权值，MacMinBE为MAC层最小的退避指数；冲突检测模块用于根据调整后的MacMinBE值对分布式农排费控系统进行冲突检测。各模块的具体实现手段已在方法的实施例中进行了说明，这里不再赘述。