メーターの自動読み取り

この例では次を使用します。

Communications Toolbox Communications Toolbox
Communications Toolbox Support Package for Analog Devices ADALM-PLUTO Radio Communications Toolbox Support Package for Analog Devices ADALM-PLUTO Radio
Communications Toolbox Support Package for RTL-SDR Radio Communications Toolbox Support Package for RTL-SDR Radio

この例では、Communications Toolbox™ を使用して、Encoder-Receiver-Transmitter (ERT) 互換メーターが出力する Standard Consumption Message (SCM) 信号と Interval Data Message (IDM) 信号を処理することにより、公共事業メーターを読み取る方法を示します。ファイルから記録されたデータを使用するか、RTL-SDR 無線機または ADALM-PLUTO 無線機を使用してリアルタイムに無線信号を受信できます。

Simulink® で、Simulink でのメーターの自動読み取りの例を検索できます。

必要なソフトウェアとハードウェア

ファイルから記録したデータを使用してこの例を実行するには、Communications Toolbox™ が必要です。

信号をリアルタイムで受信するには、さらに、以下の SDR デバイスのいずれかと、対応するソフトウェアアドオンが必要です。

RTL-SDR 無線機と Communications Toolbox Support Package for RTL-SDR Radio アドオン

ADALM-PLUTO 無線機と Communications Toolbox Support Package for Analog Devices® ADALM-PLUTO Radio アドオン

詳細については、"Software-Defined Radio (SDR) 情報ページ" を参照してください。

背景

メーターの自動読み取り (AMR) は、公共事業メーター (電気、ガス、水道のメーターなど) から消費データとステータスデータを自動的に収集し、そのデータを請求や解析目的のためにユーティリティプロバイダーに送信する技術です。AMR システムはパワーの低い無線周波数 (RF) 通信を利用して、メーターの測定値をリモート受信機に送信します。RF 伝送のプロパティには、以下が含まれます。

範囲内の送信周波数: 910 ～ 920 MHz
データ転送速度: 32768 bps
オン-オフキー付きマンチェスター符号化信号

SCM と IDM は、メーターが送信する 2 種類の通常のメッセージタイプです。SCM パケットは、96 ビットの固定長で使用されるのに対し、IDM パケットは 736 ビットの固定長で使用されます。次の表に、SCM メッセージと IDM メッセージのパケット形式を示します。

SCM メッセージと IDM メッセージの両方を送信できるメーターは、約 275 ms の間隔でこれらを同じチャネルで送信します。各メーターは、ホッピングパターンを使用して複数の周波数で SCM メッセージと IDM メッセージを送信します。実際の送信周波数、周波数ホッピングパターン、および送信間の時間間隔は、他の送信との干渉を避けるためにランダムに選ばれます。詳細については、[ 1 ] を参照してください。

例の実行

例を実行すると、以下が行われます。

受信機はシミュレーションパラメーターを初期化し、AMR パラメーターを計算します。
データビューアー表示には、メーター ID、消費情報、および商品の種類が示されます。
シミュレーションループで、信号ソース、物理レイヤー、メッセージパーサー、およびデータビューアーを呼び出します。
処理ループは、フレーム時間を使用して無線時間を追跡します。
データの取得ごとに表示が更新され、最新の消費情報と一意のメーター ID が表示されます。

パラメーターの初期化

既定の信号ソースは 'File' です。この場合、記録されたベースバンド信号ファイル amr_capture_01.bb を使用して例が実行されます。RTL または ADALM-PLUTO SDR を使用して例を実行するには、helperAMRInit.m ファイルの呼び出し時に signalSource の設定を変更します。signalSource の有効なオプションは、'File'、'RTL-SDR' および 'ADALM-PLUTO' です。

signalSource = 'File';
initParam = helperAMRInit(signalSource);

% Calculate AMR system parameters based on the initialized parameters
[amrParam,sigSrc] = helperAMRConfig(initParam);

% Create the data viewer object
viewer = helperAMRViewer('MeterID',initParam.MeterID, ...
    'LogData',initParam.LogData, ...
    'LogFilename',initParam.LogFilename, ...
    'Fc',amrParam.CenterFrequency, ...
    'SignalSourceType',initParam.SignalSourceType);

start(viewer);
radioTime = 0; % Initialize the radio time

% Main Processing Loop
while radioTime < initParam.Duration
    rcvdSignal = sigSrc();
    amrBits = helperAMRRxPHY(rcvdSignal,amrParam);
    amrMessages = helperAMRMessageParser(amrBits,amrParam);
    update(viewer,amrMessages);
    radioTime = radioTime + amrParam.FrameDuration;
end

stop(viewer); % Stop the viewer
release(sigSrc); % Release the signal source

受信機コードの構造

このフローチャートは、受信機コードの構造をまとめています。処理には 4 つの主要な部分があります。信号ソース、物理レイヤー、メッセージパーサー、およびデータビューアー。

信号ソース

この例では、3 つの信号ソースを使用できます。

''File'': ファイルに書き込まれ、1.0 Msps でBaseband File Readerオブジェクトを使用して読み取られる無線信号
''RTL-SDR'': 1.0 Msps のサンプルレートの RTL-SDR 無線
''ADALM-PLUTO'': 1.0 Msps のサンプルレートの ADALM-PLUTO 無線

"RTL-SDR" または "ADALM-PLUTO" を信号ソースとして割り当てる場合、例は、指定した無線機 (無線アドレス '0' の RTL-SDR 無線機または無線アドレス 'usb:0' の ADALM-PLUTO 無線機のいずれか) のコンピューターを検索し、信号ソースとして使用します。

物理レイヤー

信号ソースから受信したベースバンドサンプルは物理レイヤー (PHY) によって処理され、SCM 情報または IDM 情報を含むパケットが生成されます。この図は、物理レイヤーの受信処理を示しています。

RTL-SDR 無線機は、225-300 kHz または 900-2560 kHz の範囲のサンプリングレートを使用できます。ADALM-PLUTO 無線機は、520 kHz-61.44 MHz の範囲のサンプリングレートを使用できます。1.0 Msps のサンプリングレートは、マンチェスター符号化されたデータビットごとに十分なサンプル数を作成するために使用されます。ホッピングパターンの各周波数では、すべての AMR データパケットが送信されます。周波数ホッピングは、時間の経過ともに信頼性を向上することができます。すべてのパケットが各周波数ホップに送信されるため、この例では 1 つの周波数を監視するだけで十分です。無線機の中心周波数は、全区間のシミュレーションランタイムに対して 915 MHz に調整されます。

受信した複素数サンプルは、振幅の抽出により振幅復調されます。オン-オフキーをもつマンチェスター符号化は、ビット選択ブロックにクロックリカバリが含まれることを意味します。このブロックは、ビットシーケンス (送信でのアイドル時間を無視) を出力し、引き続き既知のプリアンブルについて確認されます。プリアンブルが一致すると、ビットシーケンスがさらに復号化されます。そうでない場合は、破棄され、次のシーケンスが処理されます。

ビットシーケンスで既知の SCM プリアンブルが検出された場合、受信したメッセージビットは 2 ビット誤りまで修復可能な短縮された (255,239) BCH 符号を使用して復号化されます。既知の IDM プリアンブルが検出された場合、受信機はメーターのシリアル番号と、Packet type (5 番目のバイト) から始まるパケット全体の巡回冗長検査 (CRC) を実行して、パケットが有効かどうかを検証します。有効な修正されたメッセージが、AMR メッセージパーサー上で渡されます。

メッセージパーサー

有効なメッセージの場合、次にビットが SCM または IDM 形式の特定のフィールドとして解析されます。

データビューアー

データビューアーでは、別の MATLAB® Figure に、復号化されたパケットが表示されます。正常に復号化されたパケットごとに、メーター ID、商品の種類、AMR パケットタイプ、消費情報および取得時間が表示されます。データが取得され復号化されるたびに、アプリケーションでは、これらのメッセージから復号化された情報が表形式で一覧表示されます。表には、一意のメーター ID と最新の消費情報のみが表示されます。

また、メーター ID を変更して、データビューアーを使用してテキストファイルのログ記録を開始することもできます。

Meter ID - メーター ID を 0 (検出されたすべてのメーターを表示するために予約されている既定値) から表示したい特定のメーター ID に変更します。

Log data to file - 復号化したメッセージを TXT ファイルに保存します。保存されたデータは後処理で使用できます。

その他の調査

この例に付属するデータファイルには、1 つのメーターの測定値しかなく、915 MHz の中心周波数で取得されています。RTL-SDR または ADALM-PLUTO を使用して、この例を住宅街で長時間にわたって実行すると、複数のメーターの測定値が表示されます。

AMRExampleApp ユーザーインターフェイスを使用して、AMR 信号をさらに調査することができます。このアプリでは、信号ソースを選択して、RTL-SDR または ADALM-PLUTO の中心周波数を変更できます。このリンクは、下に示している AMRExampleApp アプリを起動します。

物理レイヤー、AMR メッセージ形式の詳細については、次の関数も参照してください。

複数の無線機を利用する場合の例については、AMRMultipleRadios.m を参照してください。複数無線機のバージョンでは、使用可能な無線デバイスごとに異なる中心周波数を設定して、1 つのメーターの周波数ホップパターンを調べることができます。スクリプトは、2 つの無線用に設定されていますが、任意の数に拡張できます。

参考文献

Automatic meter reading, https://en.wikipedia.org/wiki/Encoder_receiver_transmitter, 2016.
Itron Electricity meters, https://www.itron.com/solutions/who-we-serve/electricity, 2017.