CN101682477A - 选择性通信网络功能 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于在设备的网络中使用的可以便于网络安装的方法、系统和装置。在包括多个设备的网络中，经常需要使用转发器来在两个或者更多个超出彼此范围的设备之间中继通信。本发明的各种方面使所述设备中的一个或者更多个选择性地切换到作为转发器操作。

Description

选择性通信网络功能

技术领域

本发明涉及通过射频互相通信的设备的网络。

通过引用并入：

在本申请中引用了以下的出版物：

-标题为“Radio Network Communication System and ProtocolUsing An Automatic Repeater”的PCT专利申请PCT/AU2004/001052(WO 2005/015774)；

-标题为“Radio Network Communication System and Protocol”的PCT专利申请PCT/AU2004/001053(WO2005/015811)；

-标题为“Collision Detection in a Non-Dominant Bit Radio NetworkCommunication System”的PCT专利申请PCT/AU2004/001054(WO2005/015751)；

-标题为“Wireless Network Communications System”的澳大利亚临时专利申请2007900637；

-标题为“Selective Communications Network Functionality”的澳大利亚临时专利申请2007900639。

通过引用将上述每一个出版物的全部内容合并于此。

背景技术

短程无线通信网络正被更广泛地使用在越来越多的应用中，所述应用包括商业的和家用的应用。这种网络可以包括两个到许多个节点，在所述节点之间进行无线通信。在一个具体的应用中，这种节点或者设备可以用作用于控制和监控目的的建筑物基础设施结构的一部分。这一般被称作家庭或者建筑物自动化。

与这种网络有关的两个因素是：

1.可靠性-在节点之间获得可靠的无线电通信提出了相当大的挑战，这是因为当在建筑物中使用无线电时会遭遇到干扰和衰减，。有许多干扰和衰减源，包括使用的建筑材料类型、其它无线设备以及放置在建筑物中的物体。

2.可扩展性-大多数网络对于可存在于网络中的节点数目具有上限。在有些情况中该限制很难确定，并且可以具有许多原因，包括超过无线电范围(节点之间的距离变得过大)、或者更频繁地消耗全部可用的无线电带宽。后一种情况也被称为拥塞。

有许多目前采用的旨在解决这些问题的无线通信系统。大多数可用的系统仅解决一个问题，而以使其它问题更严重为代价。

某些当前采用的系统使用节点之间的明确的消息路由。在这种系统中，每个节点需要知道通过一系列中间节点到达每个可能目的地的路径。这提高了可靠性，但却有一些随之而来的缺点：

a.可以通过许多中间节点转发消息，对于一条给定的信息，当它从源到目的地传输时，导致长的“广播(on-air)”时间。

b.每个节点需要知道到每个可能目的地的路径，这意味着每个节点需要具有存储路径的存储器，以及把路径放入设备的装置。

c.由于当一个发射设备希望和几个接收设备通信时，它必须具有对这些目的地中每一个的路由选择，因此这样的系统不能很好地扩展。由于存储器的物理限制，限制了这些表的大小。

d.由于需要在许多设备或者节点上转发若干消息，可扩展性还受到无线拥塞的限制，这依赖于网络中节点的数目。

其它的系统使用称为“网状”组网的技术。在该技术中，接收消息的某些或者全部设备将重传该消息，使得该消息传播到网络的全部边缘。因为可以多次转发消息，所以网状组网提供了更好的可靠性。网状组网系统可进一步分成两大类。第一类是，全部节点都可以转发，并且某些中央控制器协调节点的操作。第二类是，转发和非转发的节点是分离的并且彼此明显不同(或者硬件不同、或者软件不同、或者软硬件两者都不同)。

然而，现有的网状网络受限于某些缺点，诸如：

-因为通过许多节点转发消息，因此向网络增加更多的转发节点可能很快地引起拥塞(因为即使不需要转发，消息也被转发地如此频繁)；

-即使不需要转发，该方法也由于使消息转发了许多次而使带宽使用不良。结果是与需要转发时相比，或者增加了等待时间，或者需要更高的带宽；

-这些网状组网系统中的某一些需要将特定的节点指定为中央控制器以便协调网络的操作；以及

-这些网状组网系统中的某一些需要设计分离的转发器节点并且将其设置在适当的物理位置以便执行转发功能。

因此，对于特定的应用，现有的网状网络并不总是最好的网络类型。

在建筑物自动化系统中使用的网络需要将设备永久性或者半永久性地安装进建筑物中。通常这种安装需要将设备合并入建筑物结构中-例如通过在墙内打孔的方式。在某些情况中，用新的无线设备替换现有设备意味着不能修改现有建筑物结构。因此，移动设备以便进行更好的无线操作或者用更合适于其所在位置的设备替换设备经常是不可行的。

同样地，直到已经安装了无线设备，还经常不知道物理环境对无线操作的影响。

本发明的目的是提供一种利于在建筑物或者结构中设置无线网络系统的方法和系统。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在设备的网络中使用的设备，该设备可以选择性地切换为转发设备。

在一种形式中，所述设备包括：

用于接收和发送数据的天线；

用于从天线接收数据和向天线发送数据的收发机；

用于在非转发模式下和在转发模式下根据通信协议处理数据的微处理器；以及

用于使微处理器在非转发模式和转发模式之间切换的输入设备。

在一种形式中，所述设备还包括用于指示设备的操作模式的模式指示器。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括至少一个根据本发明第一方面的设备的网络。

在一种形式中，所述网络是多播应答的通信网络。

根据本发明的第三方面，提供了一种安装多个设备的网络的方法，所述多个设备中的至少一个是根据第一方面的设备，该方法包括：

安装多个设备；以及

使多个设备中的至少一个设备采用转发器模式。

根据本发明的第四方面，提供了一种安装多个设备的网络的方法，所述多个设备中的至少一个是根据权利要求1至3中任一项所述的设备，该方法包括：

促使多个设备中的至少一个设备采用转发器模式；以及

安装多个设备。

在一种形式中，使多个设备中的至少一个设备采用转发器模式的步骤包括激励该设备上的开关。

在另一种形式中，使多个设备中的至少一个设备采用转发器模式的步骤包括远程地激励开关。

附图说明

现在将参考以下附图描述本发明，在附图中：

图1-示出在一间房间中本发明的一个方面的一种可能的应用；

图2-示出具有使用多播通信的3个设备的网络的示意图，其中节点C进行发送而节点A和B进行接收；

图3-示出较大的、其中不是全部节点都在彼此的范围以内的网络；

图4-示出甚至更大的、其中节点形成不同的簇的网络；

图5-示出根据在节点采用转发功能之前使用的示例性协议的传输帧；

图6-示出三个节点采用转发功能之后的图4的网络；

图7-示出根据本发明一个方面的网络设备的示例性体系结构；以及

图8-示出图7中的设备的微处理器/开关相互作用的更详细的示例。

具体实施方式

下面将在建筑物控制或者家庭自动化系统的上下文中更详细地讨论本发明的各个方面。然而，应该理解，本发明的各个方面同样可以应用到其它的无线网络应用，其中包括但不限于扩展无线耳机、无线计算机外围设备(诸如键盘、鼠标、打印机、扫描仪)的范围。

图1示出应用到家庭自动化系统的本发明的一方面的示例性应用。当然，该示例可以同样地说明商用办公室设置或者其它的应用。

在图1中，示出了布置在具有窗户2的房间1中的设备的网络10，所述设备执行各种功能。特别地，在该示例中示出了电视3、具有关联的扬声器4a和4b的音频系统4、空调系统5、具有关联的窗帘6a的窗帘控制系统6、灯7a、7b、7c和7d、墙壁控制器8以及远程控制器9。

设备3至7中的每个都是可以通过控制器设备8和/或9控制的设备。在一个方面中，远程控制器9还可以控制墙壁控制器8以便然后控制设备3至7中的每一个，以及可选地直接控制设备3至7中的每一个。例如，通过用户直接操作墙壁控制器8、或者通过个人直接使用远程控制器9、或者通过经由远程控制器9控制墙壁控制器8，可以拉下和打开窗帘6a。

同样地，凭借墙壁控制器8可以开启或者关闭或者调暗灯7a到7d，或者用户可以经由远程控制器9直接控制房间照明，或者用户可以通过经由远程控制器9控制墙壁控制器8来控制照明。

应该理解，这些设备和该布置仅是示例性的，并且可以使用任何其它设置，其中包括多个房间、多个建筑物以及任何其它的诸如咖啡机、安全警报或监控系统、热水器和烤箱以及包括打印机、传真机和电话会议设备的办公设备等可控设备。

还应该理解，墙壁控制器8仅是示例性的，并且可以采用其它形式，包括便携式的、电池供电的、电力线(干线)供电的、内置到建筑物结构中的或者独立式的。此外，墙壁控制器8可以形成具有许多其它类似控制器的网络的一部分。

图2示出具有三个设备的简单无线网络10，其中每个设备形成网络的三个节点A、B和C中的一个，并且所述设备相互无线地通信。在一个示例中，网络10是照明控制网络，节点A可以是灯，节点B可以是传感器(例如，用于检测人的存在或者运动)，以及节点C可以是诸如灯激励器或者灯调光器等的控制器。

设备也可以是组合的传感器/激励器，或者是一些其它的连接到更大和更尖端的计算机化建筑物管理系统上的控制或者接口点。在另一个示例中，节点A可以是立体声系统，节点B可以是立体声控制器，以及节点C可以是传感器。在又一个示例中，网络10可以是环境控制系统，节点A可以是空调和/或供热设备，节点B可以是传感器，以及节点C可以是控制器。

图3示出更复杂的、其中不是全部节点都在彼此的范围以内的安装。在这种情况中，因为分离的太远，节点A和E不能互相通信。然而节点B和D处在能够和全部节点通信的位置。因此，节点B或者D是良好的、作为转发器操作以便利于在例如节点A和E之间通信的候选节点。

图4示出了又一个更极端的示例，其中节点A、B、C、D形成一簇-全部都在彼此的范围以内。节点E、F、G也形成一簇，并且全部在彼此的范围以内。节点A、B、E形成另一个簇-全部在彼此的范围以内。节点C和H形成另一个簇。

通过重叠表示RF(射频)范围的虚构圆周并且察看重叠的区域，可以看到这些簇。在这种情况中，节点F和G在节点A、B、C、D和H的范围以外。为了完成端对端通信，节点A、C和E全部需要被指定为转发器。

在要控制图3或者图4的系统中的设备的情况下，共同的特征是设备(例如灯、墙壁控制器、立体声系统)的位置或者具有固定的物理位置或者具有居住者喜欢放置所述设备的位置。在一些设备不能够和其它设备通信(例如由于不满足RF范围而导致的)的情况下，需要具有快速且容易地指定任何设备作为转发器的能力。

因为没有两个建筑物、房间、建筑内部构造或者业主是相同的，所以通常不可能预先确定转发器节点应该设置在哪儿。

通过安装无线组网系统和部件，对于安装者来说，将快速地明白哪里存在性能问题-因为如以上图3和图4中所说明地，一些设备完全不可以通信。在这种情况下，安装者可以找到位于不能通信的区域之间的地方的设备，并且根据本发明的一个方面，可立即通过不需要设备被移除、修改、移动或者改变的简单的操作而指定该设备作为转发器。

根据本发明的一个方面，在网络10内的一个或者更多个设备可以被选择作为转发器网络设备而操作。这可以在以下情况下实现：在安装后或者安装期间，确定网络作为网状或者转发器网络而不是作为非网状或者非转发器网络将操作地更好。

存在许多能够使安装者甚至终端用户确定安装的网络的效率的方法。这种方法包括测试网络内的设备的性能，在网络周围以及网络内的各个点处测量RF信号强度，或者可以仅仅需要简单的绕行以便示出例如从房子后面到房子前面的通信要么是根本不存在的要么是不可靠的。在这种情况下，大约位于中央的转发器设备将会解决这个问题。

在不需要安装额外的设备、对中央控制器重新编程或者执行其它复杂、昂贵或者耗时的操作的情况下，通过允许安装在邻近的设备被快速且容易地指定为转发器，提高了网络的性能。还应该理解，在例如一个或者更多个节点被物理地包围在建筑物内的情况下，对所包围的节点重新分配转发功能而不必将节点从它的位置移除的能力是有用的。

当确定一个或者更多个设备或节点应作为转发器操作时，安装者或者其他人员可以选择性地将设备中的一个或者更多个或者全部设备切换到作为转发器操作，从而使网络10变成部分或者完全的网状或转发器网络。

例如，在图4说明的网络的情况中，如果安装者确定在设备或者节点A、C和E用作转发器的情况下网络将更有效地运行，则安装者可以使这些设备成为转发器。这可以通过许多方式实现，其中包括操作开关、设置电的或者其它的跳线器、或者通过选择或去选择软件过程交互式地引导。

当然，还应该理解，在开始或者完成网络安装之前，安装者通常可以估计出特定的设备或者节点需要作为转发器。在这种情况中，安装者可以根据需要选择性地将设备切换成转发器模式并且安装设备。这在安装网络方面提供了大的灵活性，以及在安装者自身的购物过程中在他或她购买和存放设备方面提供了更大的灵活性。

下面将针对使用在PCT/AU2004/001052和PCT/AU2004/001053中详细描述的协议、以及以本申请的图4中示出的设备或者节点A、B、C、D、E、F、G和H的网络布置的网络，给出具体的示例。在第一个实例中，全部设备或者节点都是非转发的设备。

在本示例中，由网络使用的协议如下。在该示例中，事务(Transaction)被具体定义为分成包含不同类型数据的几个子时隙的连续时段。事务将以设定时段的前导码开始，继之以要从收发机/发射机发送到两个或者更多个收发机/接收机的具体数据。在其期间发送数据的时隙在长度上是可变的，并且包括用作帧校验序列的一部分。在数据发送之后是在其期间收发机/接收机可以发送肯定应答的时隙，随后是在其期间收发机/接收机发送否定应答的时隙。在图5中示出这种帧的结构。

事务是异步的并且可以在任何时候开始。然而，一旦开始，事务就具有时基的结构。事务中的特殊标记用于示出可变长度数据部分的开始和结束。在其期间发送肯定应答和否定应答的时隙在时间上是固定的。通过编码以及被编码进这些时隙的数据的冗余，可以传送一个或者更多个收发机/接收机的肯定应答和一个或者更多个收发机/接收机的否定应答。事务中涉及的全部设备可查看两种应答时隙。

希望肯定应答的收发机/接收机将在肯定应答时隙期间发送特殊的代码，并且在否定应答时隙期间将或者接收次要比特(如果不使用主导比特传输)或者发送次要比特(如果使用主导/次要比特)。

同样地，希望否定应答的收发机/接收机在肯定应答时隙期间将或者发送次要比特(如果使用主导/次要比特)或者接收次要比特(如果不使用主导比特传输)，并且在否定应答时隙期间发送特殊的代码。

在安装时，可以从以上描述的简单例行测试确定仅设备B、C、D和E接收到来自设备A的传输。设备F、G和H由于超出范围而未接收到来自设备A的传输。

如前面描述地，可以简单地推出，为了在全部设备或者节点之间的完全通信，设备A、C和E应该被指定为转发器设备。

不必重新布置可能不适合于期望应用的设备或者用转发器设备替换非转发器设备A、C和E(在某些情况下、诸如当设备A、C和E中的一个或者更多个被安装进墙壁或者其它不容易存取的地方时用转发器设备替换非转发器设备A、C和E可能是困难的)，而是设备A、C和E可以被容易地指定为转发器设备。例如，安装者或者其他人可以选择性地通过任何合适的手段(包括物理地推动设备本身上的开关、在设备上通过磁场以引起切换(因此如果设备安装在例如建筑物以内，则不需要直接接触))，或者甚至通过由设备上的合适的接收机接收到的远程信号(例如红外或者微波信号)(该信号使设备从非转发器模式切换为转发器模式)，将设备A、C和E中的每一个切换到转发器模式。

甚至可能网络本身可以以各种方式自动地选择并且切换其本身以内的设备，直到确定全部设备能够互相通信而不需要人为干预。

图4中示出的网络现在如图6中所示地出现，其中设备A、C和E加有阴影以便表明它们现在用作为转发器。

在图4的网络中可以看到，例如设备A和F由于超出范围而不能通信。现在如图6中示出的，设备E现在是能够在设备A和设备F之间中继通信的转发器。因此，如果设备A发送数据，则转发器设备E将从设备A接收该发送并且转发数据以便设备F将接收设备A的数据。设备A和E使用具有肯定和否定应答的设置以便确保在位于路径的每一步处的设备之间传送消息。设备E以存储并转发的方式动作以便传递消息。

当然，例如设备F不需要是收发机/接收机而可以是收发机/发送机。在该情况下，设备F将传送消息给网络，然而由于设备A超出设备F的范围，设备A(例如收发机/接收机)不能接收发送的数据。此外，设置于设备A和设备F之间的转发器设备E将接收由设备F发送的数据，并且转发该数据以便设备A和在转发器设备E的范围以内的任何其它设备将接收该转发。基于应答确保有效发送的过程与以上描述的过程类似，其中设备E对来自设备F的发送做出应答，并且范围以内的其它设备类似地对设备A的转发发送做出应答。

以上是使用PCT/AU2004/001052和PCT/AU2004/001053中描述的特定协议描述的，然而，应该理解本发明的各种方面可以与任何能够提供可选转发功能的合适的协议相关联地使用。

图7示出根据本发明的一个方面的设备200(例如图4和6中的设备A)的示例性体系结构。特别地，示出了经由可选阻抗匹配电路201连接到收发机202上的天线206。收发机202继而连接到微处理器203以便将接收和发送的数据信息传递给微处理器203中运行的软件。用户输入设备204用于提供用户对在微处理器203中运行的软件的选择。可选地，通过使用某种形式的指示器设备205可以向用户示出当前模式(即转发器功能激活/未激活)。

在典型的实现方式中，天线206将被专门设计为适合于设备。阻抗匹配电路201(如果存在的话)将被设计成适合于天线206和收发机202。收发机202可以或者是分立电路或者是现成的收发机IC(集成电路)。这种集成电路可以从许多制造商获得，所述制造商包括但不限于TexasInstruments、Motorola、Chipcon、Nordic、RF Monolithics以及许多其它的制造商。一些收发机包括自动阻抗匹配，并且这样的收发机不需要包括阻抗匹配电路201。

将选择微处理器203以便提供适当的用于操作通信协议、转发功能和设备200的任何其它期望的功能的能力。可以从许多制造商(包括Atmel、Texas Instruments、Zilog、Freescale、ST以及许多其它的制造商)获得典型的微处理器。

用户输入设备204可以是开关、跳线器、按钮、触摸屏或者任何其它的用户可以开启和关闭转发功能的设备。可选的指示器设备205可以是灯、发光二极管、声音、屏幕上的文字或者符号、或者任何其它向用户示出转发功能状态的装置。

在用户输入设备204是按钮的情况中，在微处理器203中运行的软件可以操作简单的状态机-例如由此第一次按压开启转发功能，第二次按压关闭转发功能，第三次按压再次打开转发功能等等。对此可以有许多变体。

图8示出图7中的设备的开关/微处理器相互作用的更具体的示例。图8示出微处理器203(在该示例中，可以使用由Texas Instruments生产的MSP430系列的微处理器)，且开关204(在该示例中为用户输入的具体实现方式)连接到微处理器203的输入管脚203a。输入电压可以如由电阻207所提供的那样被施加到输入管脚203a。熟练的收信方应当明白，在该示例中的电阻207的值是10k，但是可以根据供电电压以及使用的微处理器的规格，选择合适的值。

如果开关204是单极单掷型，则在微处理器203中运行的软件监控输入管脚203a的状态，所述管脚203a的状态依赖于连接的开关204的状态或者是二进制0或者是二进制1。通过选择合适的约定(开启/闭合/二进制1/二进制0)，开启开关可以例如选择非转发模式，而闭合开关可以例如选择转发模式。

在另一方面，如果图8的开关204是瞬时接触型，则它可以用于在转发和非转发模式之间来回切换。此外，在微处理器203中运行的软件通过关联的输入管脚的状态监控开关-但是在该情况中，通过使用以下示出的算法，软件在每次开关204开启或者闭合时交换状态：

IF switch changes from open to closed THEN

    IF mode is non-repeating THEN

        set mode to repeating

    ELSE

       set mode to non-repeating

    END IF

END IF

使用许多众所周知技术的任何一种，可以对微处理器203的开关输入203a去抖动。还应该理解，示出的部件值和功率电压是典型的以便适合于所选择的微处理器和应用，并且可以从一个部件制造商到另一个部件制造商相当大地变化。此外，对合适的值的选择对于本领域的技术人员而言是众所周知的。

当与在PCT/AU2004/001052、PCT/AU2004/001053和PCT/AU2004/001054中的任何一个或者多个中描述的通信协议结合使用选择性的转发器功能时，具有大约20K到60K的程序存储器以及1K到2K的操作变量(RAM)存储器的小型微处理器是合适的。

设备200的工作频率将由本地调节和收发机202的选择确定。对于低功率操作，世界的大多数地方的频率包括433.92MHz、868MHz、916MHz以及位于大约2400MHz的频带。

应该理解，设备的网络可以通过多个设备构造，其中全部设备能够从非转发模式切换到转发模式，或者其中仅设备之一是这样允许的，或者其中从一个到全部的任何数目都是这样允许的。例如在特定的网络配置中，如果安装完成后认为需要，则可以认为一个特定的节点需要成为转发器并且因此在该位置处设置的设备可以切换到启用其转发功能。

在另一个方面，本发明还提供了机器可读介质，所述机器可读介质包含具有用于使机器或者设备执行此处描述的方法或者功能中的任何一个或者多个的步骤的指令的软件。这种软件可以被下载到例如具有用户输入功能的设备的微处理器，以便允许其依赖于来自用户输入的输入是作为转发器还是不作为转发器而操作。

参考附图并且如附图中所说明地那样，已经详细地描述了本发明的具体实施例。这些实施例是说明性的，而且不意味着限制本发明的范围。其它实施例的建议和描述可以包括在本发明的范围内，但是它们可能未在附图中说明，或者在附图中示出了本发明的特征但未在说明书中描述。

在整个说明书和所附的权利要求中，除非上下文要求，否则措词“包括”和“包含”以及诸如“包括”和“包含”的变体应被理解为暗示包含所声明的整数或者整数组，但是不排除还包含任何其它的整数或者整数组。

在本说明书中对任何现有技术的引用不是并且不应该理解为确认或者任何形式地暗示了这样的现有技术形成公知常识的一部分。

应该理解，已经参考特定实施例描述了上述内容，并且可以进行许多变化和修改，这是本领域普通技术人员已知的。

Claims (9)

1.一种用于在设备的网络中使用的设备，所述设备能够选择性地在非转发模式和转发模式之间切换。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括：

用于接收和发送数据的天线；

用于从天线接收数据以及向所述天线发送数据的收发机；

用于在非转发模式下和在转发模式下根据通信协议处理数据的微处理器；以及

用于使所述微处理器在非转发模式和转发模式之间切换的输入设备。

3.根据权利要求2所述的设备，还包括用于指示所述设备的操作模式的模式指示器。

4.一种网络，包括至少一个根据权利要求1至3中任一项所述的设备。

5.根据权利要求4所述的网络，其中所述网络是多播应答的通信网络。

6.一种安装多个设备的网络的方法，所述多个设备中的至少一个是根据权利要求1至3中任一项所述的设备，所述方法包括：

安装多个设备；以及

使所述多个设备中的至少一个设备采用转发器模式。

7.一种安装多个设备的网络的方法，所述多个设备中的至少一个是根据权利要求1至3中任一项所述的设备，所述方法包括：

使所述多个设备中的至少一个设备采用转发器模式；以及

安装所述多个设备。

8.根据权利要求6或者7中任一项所述的方法，其中使所述多个设备中的所述至少一个设备采用转发器模式的步骤包括激励该设备上的开关。

9.根据权利要求6或者7中任一项所述的方法，其中使所述多个设备中的所述至少一个设备采用转发器模式的步骤包括远程地激励开关。

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