CN101427520A - 使用了主节点与从节点之间的无线通信的信道跳频方案的街道照明方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种经由包括多个信道的无线通信链路在通信网络的第一节点与另一节点之间进行通信的方法和装置。该方法包括以下步骤：在第一节点处生成伪随机数，响应于该伪随机数而选择所述多个信道之一，以及经由所选择的信道从所述第一节点向所述另一节点传送消息。

Description

使用了主节点与从节点之间的无线通信的信道跳频方案的街道照明方法和装置

本发明涉及一种经由无线通信链路在通信网络的第一节点与另一节点之间进行通信的方法和装置。特别但不排他地，本发明涉及一种经由无线链路来远程监视和/或控制在广阔地理区域上散布的街灯的方法和系统。

将会认识到，在全世界的许多国家，用大量的灯单元沿着街道或开放区域提供照明。例如，仅仅在英国，街道照明的基础设施由七百万以上的单元构成。

街灯通常包括支柱，所述支柱是伸长的支撑，在其顶端支撑着包含灯的外罩。该外罩还可以支撑安装在街灯顶部凹座中的光电池，所述光电池可以被用来控制何时点亮街灯的灯。通过与电连接相连的地下电缆将电力供应给灯，所述电连接向上经过街灯支柱的长度。

现有技术街道照明系统每天的工作性能往往以人工为基础进行监视，例如，由维护整个街道和/或地区并且报告在所述灯中灯单元故障的工程师进行监视。可选择地，可以依赖公众成员在灯出故障时通知维修队。这种维护是耗时且昂贵的，并且在使灯单元可以再次工作之前易于有大的延迟。

将会认识到，在当今这个有能源意识的社会中，日益需要能够更好地控制电力的使用。同样，消费者在他们的需求方面变得更复杂，因此不断地需要改进可以应用于街灯的控制，以便能够在所选时间开启和关闭它们，并且还能够确定并控制它们的亮度。

尽管如此，许多街道照明网络的基础设施已经被安装好。由于所涉及的成本可能高得令人望而却步，所以更换街灯以便包含更通用功能的构思是毫无吸引力的。

本发明的一个目的是至少部分地缓解上述问题。

本发明的实施例的一个目的是提供一种方法，用于经由无线通信链路在街灯与通信系统的控制节点之间进行通信，以便使街灯能够被远程控制和/或使与街灯的工作相关的信息能够在远程位置被监视。

本发明的实施例的一个目的是提供一种无线通信网络，所述无线通信网络可以被用来控制一个或多个街灯的工作，并且所述无线通信网络可以相对简单地追溯(retro)安装到现有的街道照明设备上以及被包含在新近安装的街道设备中。

根据本发明的第一方面，提供一种经由包括多个信道的无线通信链路在通信网络的第一节点与另一节点之间进行通信的方法，所述方法包括以下步骤：

在所述第一节点处生成伪随机数；

响应于所述伪随机数，选择所述多个信道之一；以及

经由所述选择的信道，从所述第一节点向所述另一节点传送消息。

根据本发明的第二方面，提供一种用于提供无线通信网络的装置，所述装置包括：

至少一个第一节点，其包括收发信机元件；以及

多个另一节点，每一个节点均包括收发信机元件，所述收发信机元件被布置成经由包括多个信道的无线通信链路与所述第一节点通信；其中

每个第一节点被布置成生成伪随机数，响应于所生成的数而选择所述信道之一，以及经由所述选择的信道向所述各另一节点传送一条或多条消息。

本发明的实施例提供一种无线通信网络，所述无线通信网络可以被用来与在大的地理区域上分布的一个或多个街灯进行通信。所述无线通信在包括多个可能信道的通信链路上有效。在控制节点与各个街灯之间的通信在根据伪随机数所选择的信道上被执行。这样可以保持系统的安全性。

现在将参考附图仅仅通过例子在下文中对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1示出用于控制多个街灯的通信网络；

图2示出主街灯和从街灯；

图3示出从节点；

图4示出主节点；

图5示出街灯的预定简档；

图6示出通信链路的信道；

图7示出硬编码的种子；以及

图8示出伪随机数的生成。

在附图中类似的参考数字指代类似的部件。在以下的描述中，提到了街灯与通信网络的另一节点之间的通信。应当理解，术语“街灯”应当被广泛地解释为任何灯单元，其可以是在广阔地理区域上分布的许多灯单元之一。例如，一排街灯沿着街道布置，而且还包括在体育场处的多个灯单元以及在地铁网络中布置的照明设备。

图1示出根据本发明一个实施例的街灯监视和控制系统，所述系统能够提供用于电力消耗记帐以及用于以灯级到系统范围为基础的能量使用规划的详细电力消耗统计数据。如上所述，虽然提到了本发明的实施例可以被用于街道照明系统的事实，但是应当理解，本发明的实施例通常适用于分布式照明网络。这种环境提供在地理区域上分布的多个灯单元，其中有利于能够确定每个单独的灯正在如何运行，或者有利于通过各个灯的电力设置来提供某种控制。

如图1所示，管理系统100包括灯单元的各独立组(或簇)101₀至101₂，每一组(或簇)包括五个单独的灯102。将会理解，每一组101的街灯102可以由一个到可能很大数目的灯单元组成，尽管在图1中每一组中仅作为例子示出了五个。每一个街灯102经由无线通信链路与簇控制器103₀至103₂进行通信。在这个意义上，簇控制器103作为主节点来工作，它可以与充当从节点的每个街灯进行通信。为了方便起见，每个主控制器103自身可以位于街灯中，或者可以是独立的实体，例如位置足够靠近街灯簇以便可以执行无线通信的基站。

图2更详细地示出在通信网络中形成从节点的街灯102和形成主节点的街灯103。每个街灯包括支撑灯外罩201的灯支柱200。灯外罩包含灯，例如适合于从节点的使用的放电灯。电力从街道级电源被供应给该灯，该电源穿过支柱200到达灯镇流器电路。灯镇流器电路可以被用来设置用于灯的预定数目的功率设置之一，例如0％、50％、75％或100％功率。将会理解，可以提供不同的功率设置和不同数目的功率设置选项。灯镇流器还包括用于在适当位置建立某种其他这样的灯特性的电路，例如当出现灯镇流器的热击穿时或者当灯未能放电或运行功率级时。

图3更详细地示出灯外罩201的容纳物，并且示出灯镇流器300如何控制灯301供应电力的操作，所述电力自身从向上经过灯支柱200的电力线302被供应给灯镇流器。

每个灯镇流器300与双向通信单元302通信，所述双向通信单元302包括被布置成穿过外罩中的开口伸出的天线303。当监视、控制和管理系统被制造或者追溯安装到现有街道照明设备上时，可以在外罩中专门切开该开口。有利地，当移除现有外罩的光电池时，天线可以穿过所形成的孔伸出。密封304被用来防止水和其他污染物进入到灯外罩201中。

经由无线通信链路的双向通信因此可以在无线通信系统中的从单元302与主节点之间发生。

图4示出主节点103的灯外罩201。外罩201包括灯301和灯镇流器300。主节点包括双向通信单元400，用于经由无线通信链路与控制器监视单元104进行通信。通信单元400包括GSM调制解调器，用于经由公共无线电话网络来联系监视器104。将会理解，本发明的实施例不限于使用GSM调制解调器。同样在本发明的可选实施例中，主节点的每个簇控制器可以硬连线至中央监视单元。簇控制器400包括具有相关联的密封404的相关联的天线403。当主节点自身配备在街灯中时，簇控制器400被直接连接至每个主节点103中的从节点401。将会理解，根据本发明的实施例，簇控制器400和从节点401的功能可以被合并在一个公共单元中。

每个从单元包括数据存储装置，所述数据存储装置可以被用来存储从网络分层结构中的更高层接收到的激活时间表(schedule)，所述激活时间表将确定与从节点相关联的灯何时将被激活以及在哪一层被激活。图5更详细地示出激活时间表可以如何被用来控制提供给街灯中各个灯的功率级。启动事件500可能是达到预定时间或者日出和/或日落发生。在确定了启动事件500₁之后，激活时间表表明接通时间，所述接通时间可以是即刻的或稍后的某一时间延迟。其后，在预定的时间段之后，可以控制灯镇流器300以便在预定的时间段上以预定的功率级来运行灯。当达到最终事件500₂时，切断所述灯。

每个从节点还可以将来自所述从节点的状况沿着网络分层结构向上报告给相关联的主节点。例如，当与每个单独从节点相关联的灯镇流器如上所述地报告一个或多个状况(例如热击穿、未能放电或运行功率级)时，这样的状况可以被存储，然后在适当的时刻被传送给主节点。

与簇中每个从单元进行通信的主节点，可以被用来收集来自该簇中每个从节点的信息和/或单独向每个从节点转发指令。主节点从而能够形成预定数目的从单元的网状网络。根据在此描述的特定实施例，两百五十五个从单元可以被连网至一个主节点。将会理解，本发明的实施例不限于任何特定数目的、可以被分配给主节点的从单元。尽管可以采用某些其他无线标准，但是每个主节点与从节点之间的通信遵循预定的无线标准，例如EN300220第1、2和3部分。

分层结构中的监视器层104使用标准的通信设备、终端服务器、调制解调器和移动电话技术，以便与散布于整个场中的每个主节点进行通信。监视器因此被布置成经由多个无线链路105与主节点进行通信。一旦在监视器节点与主节点之间建立了连接，就可以在监视器和主节点之间传送交换消息的列表中的一个。

监视节点104与关系数据库106进行通信。该数据库可以被用来存储从每个街灯采集的数据，所述数据可以从街灯经由簇控制器被传送到监视节点104，然后被传送到该数据库。该数据库还可以保存表示从节点和主节点的工作的记录。这种信息经由监视器节点104从数据库被传送给主节点和从节点。该数据库因此保存与每个从节点和主节点相关联的记录，所述记录表示与各个节点相关联的特性。这些记录可以表示下述中的一个或多个：网络配置，照明设备配置(灯/镇流器类型)，灯时间表，简档，灯激活类型(灯级、定时的、太阳时钟)，故障报告(镇流器状态数据、通信数据)，计算出的电力消耗(到分钟)和/或到其他MIS/资产IT系统的可能导出数据。

数据库106可以由前端应用服务器107进行访问，该前端应用服务器107被设计成能够使通用因特网web浏览器经由一个或多个用户终端108进行访问。每个用户终端108配备有web浏览器软件包，例如火狐(Firefox)或IE浏览器(Internet Explorer)或其他。这些浏览器可以经由包含一个或多个口令或其他验证过程的安全系统来访问应用服务器107。

这样，用户或授权人员可以登录到应用服务器107上，并且控制和/或监视分布式街灯系统中的街灯102。

将会认识到，街灯与可能邻近的街灯或者城市环境中接近的街灯之间的无线通信可能易于经受安全风险，例如未经授权人员可能希望接管街灯的控制。为了帮助缓解该问题，采用了信道跳频方案，由此从节点与主节点之间的通信在预定时间段上经由所选择的信道而产生，然后后续通信经由以高度不可预知方式选择的另一信道而发生。这种信道跳频还提供这样的优点，即各个从节点与主节点之间的错误通信被减少或被完全避免。将会理解，在经由无线链路连接的通信系统的第一和第二节点之间，所述信道跳频方案通常是适用的。

图6示出使用了频分方案的包含十六个可能信道的无线通信链路。将会理解，本发明的实施例可以利用借助于其他方案(例如码分和/或时分方案)被分为多个信道的无线通信链路。无线通信链路因此由包含十六个独立且不同的时隙601₀至601₁₅的承载600形成。

在任何特定情况下可能信道中的哪一个被用于通信是根据伪随机跳码算法来确定的。在这个意义上，伪随机意味着经由极其难以预测的过程。为了实现该伪随机信道跳频算法，网络中的每个主节点103配备有硬编码的种子数。在制造期间将该数编程到每个主节点的数据存储装置中，并且因此将其存储在主节点400中。图7示出存储在每个主节点103处的硬编码种子700如何包含三个字节(B1，B2，B3)，其每一个包含八个比特(61-68)。

图8示出如何用具有预定数目迭代的函数F(x)的数学过程对硬编码种子900进行随机化。这样，三字节长的并且最初由主节点从嵌入在其软件内或存储在其中的硬编码种子中导出的伪随机编码，通过逻辑运算在每一次传输上都发生变化。该逻辑运算被预编程到主节点和从节点二者中。该过程简单地足以在每个从节点中所使用的低成本的8比特微控制器中被执行，并且可以通过使用按比特“与”、“异或”和/或比特移位的逻辑运算来形成。在最初的建立期间，每个街灯不被分配给特定的主节点。当从建立网络的授权用户接收到指令时，在应用服务器处输入这些指令，并且因此将这些指令转发给每个主节点，以便开始与相关联的从节点进行通信。被布置成控制相关联从节点簇的每个主节点取出存储在其中的硬编码种子，并且根据预定逻辑运算对该种子进行多次迭代的运算。该数可以被预置，或者可以由另一源来确定，例如与该特定主节点相关联的序列ID的字节之一。当预定数目的迭代完成时，输出是伪随机数Z。该数Z与对于该数而言表示主节点应当在16个信道中的哪一个上进行通信的内部寄存器进行比较。然后，使用该信道开始通信预定的时间段。主节点邻近的从节点将接收该通信，并且除了通过该无线通信链路传送的消息以外，还将接收伪随机数Z。在第一种情况下，该数Z将作为内部接收的数R被输入到每个单独从节点的数据存储装置中。

每个从节点利用由主节点使用的相同伪随机化运算F(x)进行预编程。在预定的时间点(其可以是在接收到每条消息之后，或者在应当接收到预期消息的时隙之后)，主节点103和每个从节点102都对当前所存储的随机数执行相同的伪随机化运算。这将在主节点和每个从节点处独立地生成新的伪随机数。所述新的伪随机数由主节点用来为又一次通信选择下一个可能信道。每个从节点也使用内部生成的新的伪随机数来预测由主节点选择的下一个通信信道，并且将跳到该下一个信道上并等待来自主节点的又一次通信的接收。当从节点跳到下一个信道上并且从主节点接收下一条消息时，检测该消息，以及对主节点所使用的伪随机码进行解码，并将其与从节点当前所使用的伪随机码进行比较。如果出现匹配的话，从节点将在跳码序列上保持锁定，并且如果该特定消息是用于该从节点的话，那么它将使用该消息中的其他数据来利用适当的响应进行响应。该响应在验证消息中从从节点被传送到主节点。如果接收到的伪随机码与由从节点内部生成的伪随机码不匹配，则发生错误，该消息因此不能被证实。从节点将忽略该消息。然后它将使用它已生成的该码，并且在下一个时隙它将跳到它确定正确的下一个信道。最终，如果出现了主要错误，则系统将在预定数目的尝试之后超时停工。

以类似的方式，每个从节点可以被布置成使用在执行自动频率校准过程之后在频率校准信道(未示出)上接收到的伪随机码来验证该校准。

本发明的实施例提供一种在通信网络中第一节点与另一节点之间的伪随机信道跳频机制。最初节点当中只有一个(在此描述为主节点)配备有预定数。该数为比特串的形式，并且方便地为三字节的形式。由该数生成另一数。该另一数通过对早先数执行一个或多个逻辑运算来生成。逻辑运算的次序和类型是预置的并且事先知道。所得到的数然后可以通过在通信消息中将其转发给另一节点来使用，或者它自身可以在迭代之后被重新输入，由此相同的逻辑运算将“随机化”该数。另一节点(这里将其描述为从节点，并且在特定例子中将是街灯)通过持续地侦听无线通信链路的一个或多个信道来从第一节点接收该消息。当接收到消息时，提取在该消息传送期间在第一节点处使用的伪随机数。在某一稍后的时间点(其可以由内部系统时钟或其他方法来表示)，第一节点和另一节点都对在相应节点处存储的当前数执行共同的逻辑运算。因此第一节点和另一节点都生成新的伪随机数。在第一节点和另一节点处生成的新伪随机数应当匹配。第一节点和另一节点都将整个或部分新伪随机数生成器与内部预存储的表格进行比较，该表格将新数或新数的一部分链接至相关联的信道。然后，来自第一节点的通信在与新伪随机数相关联的该信道上发生。另一节点侦听该信道，并将适时地接收新的通信。数据可以从新消息中提取出来，例如可以被包含在该消息中并且与从节点中存储的数据进行比较的新伪随机数。

除了伪随机数之外，更多消息可以在由信道跳频机制确定的信道上在两个节点之间被发送。这种方法可以被用来向从节点提供指令和/或从从节点接收信息(例如运算参数)，该信息然后沿着网络的分层结构向上传送，以便被监视和/或由使用浏览器功能的终端用户来利用。

本发明的实施例利用了随机码，这有助于认证以便改进系统安全性。

贯穿于本说明书的描述和权利要求，词“包括”和“包含”以及这些词的变形(例如“包括”的各种动词形式)，是指“包含但不限于”，并且不打算(以及不会)排除其他成分、添加物、部件、整体或步骤。

贯穿于本说明书的描述和权利要求，单数包含复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不确定的项目时，本说明书应当被理解为设想了复数以及单数，除非上下文另有要求。

结合本发明的特定方面、实施例或例子描述的特征、整体、特性、化合物、化学成分或组应当被理解为适用于在此描述的任何其他方面、实施例或例子，除非与之相矛盾。

Claims (18)

1.一种经由包括多个信道的无线通信链路在通信网络的第一节点与另一节点之间进行通信的方法，包括以下步骤：

在所述第一节点处生成伪随机数；

响应于所述伪随机数，选择所述多个信道之一；以及

经由所述选择的信道，从所述第一节点向所述另一节点传送消息。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

在所述第一节点处提供最初的预定数；以及

在所述第一节点处对所述预定数执行伪随机化运算，以便由此生成伪随机数。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：

在所述另一节点处接收该消息；以及

在所述另一节点处通过该消息来确定所述伪随机数。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括以下步骤：

在所述第一节点和所述另一节点处，通过对伪随机数执行共同的伪随机化运算来生成新的伪随机数。

5.如权利要求4所述的方法，进一步包括以下步骤：

响应于所述新的伪随机数，选择所述多个信道中的新信道。

6.如任何一项在前权利要求所述的方法，进一步包括以下步骤：

每当所述第一节点与所述另一节点通信时，就生成新的伪随机数并选择所述多个信道中的新信道，在所述新信道上，响应于所述新数而将消息传送到所述另一节点。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤：

通过所选择的信道，经由所述无线通信链路从所述另一节点向所述第一节点传送消息，直到在所述第一节点处选择新选择的信道为止。

8.如权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：

通过确定输入数并对所述数执行至少一个逻辑运算的步骤，执行伪随机化运算。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：

对输入数执行四个或更多个逻辑运算，所述逻辑运算是从按比特“与”、“异或”和比特移位的可能逻辑运算当中选择的。

10.如任何一项在前权利要求所述的方法，其中在被布置成经由一个或多个灯控制器来控制街灯阵列的通信网络中，所述第一节点包括灯控制器节点，以及所述另一节点包括街灯。

11.一种用于提供无线通信网络的装置，包括：

至少一个第一节点，其包括收发信机元件；以及

多个另一节点，每一个节点均包括收发信机元件，所述收发信机元件被布置成经由包括多个信道的无线通信链路与所述第一节点通信；其中

每个第一节点被布置成生成伪随机数，响应于所生成的数而选择所述信道之一，以及经由所述选择的信道向所述各另一节点传送一条或多条消息。

12.如权利要求11所述的装置，进一步包括：

每一个第一节点均包括被布置成存储预定数的存储器元件；以及

逻辑电路，其被布置成对输入数执行预定的一组逻辑运算，所述一组逻辑运算包括伪随机化运算。

13.如权利要求11或权利要求12所述的装置，进一步包括：

每一个另一节点均包括被布置成对输入数执行预定的一组逻辑运算的逻辑电路，所述一组逻辑运算包括伪随机化运算，并且所述一组逻辑运算为所述第一节点的所述逻辑电路执行的那些运算所共用。

14.如权利要求11至13中任何一项所述的装置，其中每一个另一节点进一步包括：

灯；

灯镇流器电路；以及

控制单元，用于生成用于所述灯镇流器电路的控制信号以及从所述灯镇流器电路接收状态信号。

15.如权利要求11所述的装置，其中每一个第一节点均进一步包括通信端口，所述通信端口用于从数据管理节点接收数据，并且向所述数据管理节点发送数据。

16.如权利要求15所述的装置，其中所述第一节点进一步包括：

灯；

灯镇流器电路；以及

控制单元，用于生成用于所述灯镇流器电路的控制信号以及从所述灯镇流器电路接收状态信号。

17.一种基本上如上文参考附图所述的方法。

18.一种基本上如上文参考附图所述来构造和布置的装置。

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