CN101472363A

CN101472363A - 照明网络中的无线控制系统及方法

Info

Publication number: CN101472363A
Application number: CNA2007101600972A
Authority: CN
Inventors: 钱学诚; 冯雷
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-12-24
Filing date: 2007-12-24
Publication date: 2009-07-01
Also published as: WO2009083897A1; JP2011512697A; EP2243235B1; EP2243235A1; US8314786B2; US20100309176A1

Abstract

本发明提出了一种无线控制系统及方法，其主要可以用于照明网络。本发明无线控制系统及方法将控制端待发送的数据信号分散在不同频率的不同时隙中进行发送，而系统中的每个节点只会在一个预定频率的预定时隙上接收到与其对应的数据信号。因此能够在保持节点工作速率不变的情况下在控制端获得较高的工作速率。这有助于大幅降低每个节点的无线收发机的成本，从而相应地降低整个系统的成本，并实现较高的可扩展性。

Description

照明网络中的无线控制系统及方法

发明领域

本发明涉及一种无线控制技术，尤其涉及一种用于照明网络中的无线控制系统及方法。

技术背景

近来，中央控制的照明网络正在被广泛应用，这种控制方式允许用户实时地控制照明网络显示出不同的照明效果。采用这种控制方式的控制系统的一个主要特征是在控制台与节点之间用于通信的数据速率是不对称的，因为通常情况控制台下只有一个或少数几个，而节点数通常非常多(上千、乃至上万个)。

现有技术中，控制台与节点之间通过电缆连接，这会给系统的安装、调试和维护带来了许多工程上的困难和麻烦。随着无线通信技术的发展，人们开始考虑能否使用无线连接代替电缆以消除有线连接带来的困难和麻烦。尽管无线控制系统非常有吸引力，但在应用到照明网络时，仍有许多显示的问题有待解决，比如数据速率、通信距离、成本控制以及市场化所需的时间等。虽然理论上可以针对照明网络单独开发一种全新的无线控制系统，但高昂的成本以及较长的市场化时间都会阻碍这类全新的系统的推广应用。

因此，充分利用现有的无线网络协议则会是目前相对较好的解决方案。但现有的无线网络协议在直接用于照明网络特别是规模较大的照明网络时，存在一些严重的问题。

以一个包含1个控制台和10000个节点的照明网络为例，假设每个节点内包括一个无线收发机和对应的3个颜色(红/绿/蓝)的灯，这10000个节点构成的照明网络形成一个屏幕，可用来显示视频或静态的图像。当需要显示视频时，每个灯要在1/25秒内从控制台无线接收8个比特的数据，因此每个节点的接收机的平均数据速率为8*25*3bps＝600bps(比特/秒)，而对于控制台的发射机来说，总的数据速率将是600*10000bps＝6Mbps。与此不同的是，节点的发射机和控制台的接收机只是偶尔工作，而且以非常低的速率传输信息。

显然，针对上述这样的一个照明网络，需要使用能够支持超过6Mbps数据速率的TDMA(时分多址)系统，或者具有10000个以上频率信道的FDMA(频分多址)系统来提供无线控制。但是，能够支持超过6Mbps数据速率的TDMA系统非常昂贵因而不适合此类应用，而目前实践中也没有能够同时支持10000个信道且每个信道工作在600bps的FDMA系统，为不同的照明网络单独定制这样的FDMA系统不但研发时间长而且成本也非常高。除此以外，TDMA和FDMA系统的可扩展性十分有限。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种混合无线控制系统和方法，其数据信号的发送方式结合了TDMA和FDMA的特点，能够在保持节点工作速率不变的情况下在控制端获得较高的工作速率。

按照本发明的一种无线控制系统，包括：

一个控制台，包括若干分别工作在不同频率上的中央无线装置，用于发送不同内容的数据信号；以及

若干个节点，每个节点包括一个终端无线装置，用于在一个相应的频率上接收来自该频率所对应的一个中央无线装置的数据信号，且所有对应于该频率的终端无线装置分别工作在该频率信道的不同时隙上。

按照本发明的一种无线控制方法，包括步骤：

a、将一个待发送的数据信号分割为若干个不同的子信号；

b、将所述若干个子信号分为若干个组，分别在不同的频率进行发送；以及

c、将在同一频率上进行发送的一组子信号分别在不同的时隙发送给不同的接收端。

在本发明的无线控制系统和方法中，控制台将待发送的数据信号分散在不同频率的不同时隙中进行发送，每个节点只会在一个预定频率的预定时隙上接收到与其对应的数据信号。因此在保持每个节点处的无线收发机的低接收速率的情况下，但控制台仍能够实时地发送出高速率的数据信号分别给许多个节点。这有助于大幅降低每个节点的无线收发机的成本，从而相应地降低整个系统的成本。另外，在实际应用中，对所用的频率数量或每个频率上的时隙数量进行相应调整即可使该无线控制系统适用于不同规模的照明网络，从而获得较高的可扩展性。

通过参考以下结合附图的说明以及权利要求书中的内容，并且随着对本发明的更全面的理解，本发明的其他目的及效果将变得更加清楚和易于理解。

附图简述

现在结合附图对本发明进行更详细的描述，其中：

图1示出了使用本发明无线控制系统的照明网络的结构示意图；

图2示出了本发明无线控制系统第一种实施例的结构示意图；

图3示出了本发明无线控制系统第二种实施例的结构示意图；以及

图4示出了本发明无线控制系统第三种实施例的结构示意图。

在所有附图中，相同的标号表示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

下面仍以前述的包含1个控制台和10000个节点的照明网络为例，来详细说明本发明无线控制系统用于该照明网络时的工作原理。

参照图1所示，该照明网络包括控制台10和由10000个节点30组成的屏幕20。控制台10可以通过发送数据信号给每个节点30，分别控制其明暗和颜色的变化，从而使屏幕20上显示相应的内容。每个节点30包含一个无线收发机31和红绿蓝三个颜色的灯LR、LG和LB。这三个灯的亮度由无线收发机31所接收到的24比特的信号所控制。

本发明无线控制系统主要用于在该照明网络中建立控制台10和节点30之间的无线连接，以便控制台10能够正确地控制屏幕20显示所要的内容。由于每个节点30都有一个无线收发机31，整个系统的成本很大程度上由每个无线收发机的成本来决定。

本发明无线控制系统的结构如图2所示，其使用的是一种混合传输方案，结合了TDMA和FDMA系统的特点，既可以工作在广播模式下，也可以工作在TDD时分双工模式下。

控制台10具有M个中央无线收发机TRx1～TRxM，而节点30具有M*N＝10000个终端无线收发机31。控制台10的M个中央无线收发机TRx1～TRxM分别工作在M个不同的载频f₁，f₂，...，f_m，但他们在数据收发上是同步的。所有的中央无线收发机TRx1～TRxM在时间上是连续工作的。假设每个中央无线收发机工作速率为R，则控制台10能够达到的最高速率为R_C，其中R_C＝M*R。

在系统工作中，每个节点30根据从控制台接收到的信号进行相应的显示，而控制台需要实时地发送不同的内容给总共M*N个节点30，因此将控制台10的无线信道划分为M*N个子信道。一种比较容易实现的方式是先将无线信道按照频率进行划分，再将每个频率子信道按照时间进行划分。如图2所示，本实施例中共有M个频率子信道，每个频率子信道又被划分为N个时隙，这样就相当于有M*N个子信道。每个中央无线收发机对应工作在一个固定的频率子信道，并和N个终端无线收发机31进行通信，而每个节点30的终端无线收发机31则工作在一个固定的频率子信道的固定时隙上。尽管这M*N个子信道中所传输的内容各不相同，但由控制台10保持时间上的同步，从而保证屏幕20上能够显示出正确的视频或者图片。

在广播模式下，控制台10首先将每个帧的视频或图片分成M*N个单位的数据信号，然后分别通过上述M*N个子信道将这M*N个单位的数据信号发送给相应的节点30。如图2中所示，每个方格代表一个单位的数据信号，其中Ch_NM代表一个相应的子信道，而TR_NM则代表一个相应的节点的无线收发机。

当屏幕20正在显示一幅静态或伪静态的图片时，显示更新较慢，比如只有5帧/秒。这时下行链路，即从控制台10到节点30方向上所需要的数据速率很低。因此许多帧上具有空闲的时隙，这些时隙可以被用作上行链路信道来发送节点30产生的反馈信号。如图3所示，上下行链路可以交替发送帧信号，从而实现双工通信。而由于在显示静态图片时，对显示精确度的要求比显示动态的视频时要高，因此这里使用双工通信的意义在于可以提高数据传输的可靠性。

对于上行链路中的信号也要求在时间上是同步的。但由于各节点的收发机在响应时间上的差异，要在上行链路中保持非常精确的同步相对比较困难。在实践中，这个问题可通过在上行链路信道中使用重复编码来减轻，而且由于上行链路中的反馈信号相对于下行链路只包含非常少的比特数，因此这种方法是切实可行的。另外，由于整体的数据速率比较低，在上行链路和下行链路中都可以使用FEC(前向纠错)来进一步提高数据传输的可靠性。

在有些无线通信协议中，比如ZigBee(紫蜂)中，当无线收发机工作在不同频段时，其数据速率是不同的。在这种情况下，不同的频率子信道中所划分出的时隙的数量也不相同。如图4所示，其中，工作在第M个频率的无线收发机处于一个较低的数据速率，因此在第M个频率子信道中的时隙数也比其它频率子信道中的时隙数要少。

通过上述实施例可以看出，本发明在广播模式下，尽管在每个节点处的无线收发机的接收速率非常低，但控制台仍能够实时地发送出高速率的数据信号分别给许多个节点。这有助于大幅降低每个节点的无线收发机的成本，从而相应地降低整个系统的成本。此外，节点处的无线收发机工作在低速率下也有助于提高通信距离。

而在双工模式下，可以通过节点的反馈信息以及FEC等手段使控制台与节点之间的通信更加可靠。

本发明无线控制系统的另外一个重要特性是具有完全的可扩展性，在实际应用中，对M或N的值进行相应调整即可使该无线控制系统适用于不同规模的照明网络。

虽然本发明实施例中无线控制系统是用来控制照明网络，但很显然，这类无线控制系统也可用于其它具有大量节点需要实时控制的情况。

应当注意的是，上述实施例用于说明、而非限制本发明，并且，在不脱离所附权利要求的保护范围的前提下，本领域技术人员应当理解，对上述本发明所公开的无线控制系统及方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。此外，不应当将权利要求中的任何参考标记解释为限制权利要求的保护范围。

Claims

1.一种无线控制系统，包括：

2.如权利要求1所述的系统，其中所述每个节点还包括至少一个灯，并且所述每个节点根据其终端无线装置收到的数据信号控制灯的亮度。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述不同内容的数据信号可组成一个视频或静态图像的帧数据信号，用于控制所述节点的灯组成的矩阵或屏幕显示相应的视频或静态图像。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述控制台是根据所述节点的灯所处的不同位置，来将所述的帧数据信号分割成不同内容的数据信号，并分别由一个预定的中央无线装置在其工作频率的一个预定时隙上进行发送，以使每个被分割出的数据信号只会被一个对应的节点所收到。

5.如权利要求1至4中任意一个所述的系统，其中所述终端无线装置和中央无线装置均为无线收发机。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述终端无线装置的数量多于中央无线装置的数量。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述终端无线装置的数量为所有工作频率上的时隙数的总和。

8.如权利要求5所述的系统，其中所述中央无线装置还用于接收来自节点的反馈信号。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述节点的终端无线装置在系统空闲的帧的时隙上发送所述反馈信号。

10.一种无线控制方法，包括步骤：

a、将一个待发送的数据信号分割为若干个不同的子信号；

11.如权利要求10所述的方法，其中所述的每个接收端包括至少一个灯，每个接收端根据其收到的子信号控制其灯的亮度。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述的数据信号为一个视频或静态图像的帧数据信号，用于控制所述接收端的灯组成的矩阵或屏幕显示相应的视频或静态图像。

13.如权利要求12所述的方法，步骤a是根据所述接收端的灯所处的不同位置，将所述的帧数据信号分割成若干个不同的子信号。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述每个接收端工作在一个预定频率的预定时隙上，使得每个接收端只会收到一个对应的子信号。

15.如权利要求10至14中任意一个所述的方法，还包括步骤：

d、接收来自不同接收端的反馈信号。