CN101765195A - 发射功率控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种发射功率控制方法与系统，利用终端装置的发射功率控制，减少终端装置的电能消耗，进而增加终端装置的使用寿命。该发射功率控制方法包括：(A)以多个彼此不同的发射功率广播其功率级别消息；以及(B)设定终端装置的发射功率为该终端装置所接收到的功率级别消息中的最小值。

Description

发射功率控制方法与系统

技术领域

本发明是关于一种发射功率控制方法与系统，尤指一种无线网络终端装置发射功率控制的方法与系统。

背景技术

随着微机电技术的进步与无线传输技术的发展，无线感测网络(WirelessSensor Networks)的应用已越来越普及。无线感测网络是由一到数个无线数据收集器以及为数众多的传感器(Sensor)所构成的网络系统，而元件之间的通讯方式则是采用无线通讯方式，因此可以任意摆放传感器或是无线数据收集器，布置安排上极为方便快速。在无线感测网络的架构下，传感器的设计以省电、价格低廉、体积小、且具有感应环境装置为目标，可以针对环境中我们所感兴趣的事物(如温度、光影、色彩、声音等)做检测行为，并将所收集的数据通过无线传输装置将数据回传给数据收集器，而后，我们就可以根据数据收集器所收集的数据，了解环境的状态，并进行灾害预警等相关应用。

请参考图1，其为已知的以有线骨干为基础的居家环境监控系统示意图。其中，在居家环境监控系统1中控制中心11通过有线网络12，如电力线(Powerline communication，PLC)、Ethernet、CAN Bus等，与多个丛集头(ClusterHead)13形成一个局域网络。每一丛集头13会与多个终端装置(End Device)14进行无线通讯，形成一个星状拓扑，其中，该终端装置可为传感器(Sensor)，例如温度、湿度、亮度、磁簧开关与烟雾传感器等，以及例如警报器、灯光控制、门窗驱动、冷冻空调(HVAC)与紧急事件处理设备(如洒水器、发电机、抽风机等)的驱动器(Actuator)，该无线通讯可使用如ZigBee、Z-Wave、WiBree、Bluetooth、Insteon、WiFi、UWB等通讯协议。传感器14会周期性地回传感测信息至丛集头13，再由丛集头通过有线网络12转送至控制中心11。控制中心11内有定义相对的条件与反应控制法则，例如当烟雾传感器回传检测到火灾，则控制中心即触发警报器与洒水器等驱动器。此外，控制中心可具有网关器功能，通过Internet提供使用者远程监控居家安全的功能，或将紧急消息传至使用者手机或是Email等。

请参考图2，其为已知的以无线骨干为基础的居家环境监控系统示意图。在图2中，居家环境监控系统2使用无线的骨干网络架构。由控制中心21通过无线网络协议，与各丛集头23形成一个网状网络(Mesh Network)22。相同的，每一丛集头23会与多个终端装置24通讯，形成一个星状拓扑，如前所述。

在上述的例子中可知，不论以有线骨干或无线骨干为基础的环境监控系统，其终端装置14、24皆需独立的电源供应，一般即为电池。由于终端装置14、24在检测环境、并将数据传输给后端的丛集头13、23时，往往都会耗费为数可观的电力，而对一个公司或家庭单位来说，其传感器终端装置的数量与其更换电池的操作方式，是相当繁复耗时的。因此如何节省终端装置14、24的电能消耗而延长其使用时间，减少电池更换的频率，是无线感测网络相关应用上很重要的课题。

职是之故，申请人乃经悉心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，终构思出本发明「发射功率控制方法与系统」，以下为本发明的简要说明。

发明内容

本发明在于提供一种发射功率控制方法与系统，利用终端装置的发射功率控制，减少终端装置的电能消耗，进而增加终端装置的使用寿命。

根据本发明的构想，提出一种终端装置发射功率控制方法，包括：(A)以多个彼此不同的发射功率广播其功率级别消息；(B)设定终端装置的发射功率为该终端装置所接收到的功率级别消息中的最小值。

根据本发明的构想，提出一种调整检测装置发射功率的方法，包括：(A)计算检测装置的消息传送成功率；(B)比较该消息传送成功率与第一门坎值；以及(C)若该消息传送成功率低于该第一门坎值，则将该检测装置用以发送该检测消息的发射功率提高一个功率级别。

根据本发明的构想，提出一种终端装置发射功率控制系统，包括终端装置和丛集头节点，其中该终端装置用以感测环境状态，并传送环境状态消息，该丛集头节点用以接收该环境状态消息，并以至少一不同的发射功率广播其功率级别消息；其中，该终端装置接收该丛集头节点的广播，并以该终端装置所接收到的功率级别消息中的最小值为该终端装置的发射功率，用以传送该环境状态消息。

如前述本发明的发射功率控制方法与系统，得通过下列实施例及图示说明，俾得更深入的了解。

附图说明

图1为已知的以有线骨干为基础的居家环境监控系统示意图；

图2为已知的以无线骨干为基础的居家环境监控系统示意图；

图3为本发明的发射功率控制方法第一实施例的流程示意图；

图4为本发明的发射功率控制方法第一实施例的感测网络布置示意图；

图5为本发明的发射功率控制方法第二实施例的流程示意图；

图6为本发明的发射功率控制方法第三实施例的流程示意图；

图7为本发明的发射功率控制方法与系统一实施例的组成示意图。

[主要元件标号说明]

11、21、75：控制中心

12：有线网络                    22：无线网络

13、23、43、73：丛集头

14、24、71：终端装置

310：丛集头开始

312：以不同的功率级别广播

314：接收终端装置消息并回传确认消息

320、510、610：终端装置开始

322：接收并储存不同的功率级别消息

324：设定发射功率为已接收的最小功率级别

326：发送招呼消息

327：收到回传确认消息

328：发射功率提高一个功率级别

330：结束设定阶段

441：第一终端装置

442：第二终端装置

443：第三终端装置

L1、L2、L3：发射功率级别

512：回传感测消息回丛集头

514：周期性地计算封包传递率

516：封包传递率和门坎值比较

517：发射功率提高一个功率级别

518：发射功率降低一个功率级别

612：检测到非周期性的紧急事件

614：终端装置发射功率调至最大值

616：发送警告消息

618：结束

77、717、737：警报装置

711：感测单元                712：消息接收单元

713：消息发送单元            714：储存单元

715：处理器单元              716：独立电源

具体实施方式

本发明的技术手段将详细说明如下，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得深入且具体的了解，然而下列实施例与图示仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

首先请参阅图3，其为本发明的发射功率控制方法第一实施例的流程示意图，并请同时参阅图4，其为本发明的发射功率控制方法第一实施例的感测网络布置示意图，在图4中，丛集头43为终端装置441、442、443三个终端装置的丛集头，其有三个发射功率级别，由低至高为L1、L2、L3。首先，依据图3所示的流程，丛集头43以不同的发射功率，依序以L1广播方式发送消息封包(步骤312)，各消息封包内包含有丛集头43用以发送的功率级别信息，其后，各个终端装置接收丛集头43的广播消息并储存至存储空间内(步骤322)。由于各个终端装置因距离或遮蔽的不同，其接收丛集头43消息的能力亦有所不同，如图4所示，终端装置441、442、443与丛集头43的距离由近至远布置。以下以一般情况下的消息传递状况假设，当丛集头43以较低发射功率L1广播时，仅终端装置441可以接收到包含发射功率L1消息的消息封包；同理，当丛集头43以较L1高一个级别的发射功率L2广播时，则终端装置441与442皆可以接收到该包含发射功率L2消息的消息封包，但终端装置443仍能未能接收到该消息封包；最后，当丛集头43以最高的发射功率L3广播时，则所有的终端装置441、442、443皆可以接收到该包含发射功率L3消息的消息封包。各终端装置皆将所接收到包含发射功率级别消息的广播封包储存起来，因此，终端装置441会收到包含发射功率L1、L2、L3三个发射功率级别消息的广播封包，终端装置442则会收到L2、L3二个发射功率级别消息，而终端装置443仅收到L3一个发射级别消息。

其后，为了节能考虑，各终端装置会设定其发射功率为前述储存的发射功率级别中的最小值(步骤324)，例如，终端装置441会将其发射功率设为L1，终端装置442设为L2，而终端装置443则设为L3。

为了确保其所设定的功率是可与丛集头43通讯的，因此各终端装置会各自传送一个招呼(Hello)消息给丛集头43(步骤326)，该丛集头43接收到该招呼消息后则各回传确认(ACK)消息(步骤314)，该终端装置则再确认是否有收到丛集头43回传的确认消息封包(步骤327)，如果是，则表示虽用此较低的发射功率，但仍是可与丛集头43通讯的，即完成该终端装置本身发射功率的设定(步骤330)。如果该终端装置没有收到确认消息封包，则再增加其发射功率一个级别(步骤328)，再次以高一级的发射功率送出招呼消息给丛集头43(步骤326)，其后步骤则如前所述。

当终端装置的发设功率设定完成之后，若外在环境的布局改变，例如人或家具的移动，可能遮蔽了终端装置传送消息回至该丛集头的路径，而影响消息的送达，此时，则必需动态地调整终端装置的发送功率，以确保发送消息可为丛集头所接收。对于无线感测网络而言，以环境监控系统应用为例，大部分是以终端节点回传感测信息至丛集头的单向通讯为主，加上一般物理现象(如温度)的变化需要一段时间，以及同一监控范围内通常会有多个感测节点检测，因此对单一节点而言，些许的封包遗失是可以接受的。

请参阅图5，其为本发明的发射功率控制方法第二实施例的流程示意图。如图5所表示，其为一终端装置在正常操作时动态调整其发射功率的流程，各终端装置会使用前阶段设定的发射功率，周期性地回传感测消息至丛集头(步骤512)，而为了反应消息实际传输的状况(例如有新增遮蔽物干扰)，各终端装置在固定时间(例如每一小时)或特定情况(例如每回传1000个封包)下，计算其封包传递率(Packet Delivery Ratio，PDR)(步骤514)，其中该封包传递率是指该终端装置在固定时间内发送检测消息封包总数量，与成功发送该检测消息封包至丛集头或其它消息接收端的消息封包数量的比率。

封包传递率可通过该终端装置在传送感测信息时是否有收到来自丛集头的确认消息来累积计算。其后将封包传递率与预设的门坎值(Threshold)作比较(步骤516)，例如70％或80％，如果该封包传递率过低，则增加该终端装置的发射功率一个发射功率级别(步骤517)，反之，若该封包传递率已高于该预设的门坎值甚多，则减少该终端装置的发射功率一个发射功率级别(步骤518)。

此外，亦可将该封包传递率分别与二个门坎值作比较，分别是一个较低的第一门坎值，与一个较高的第二门坎值，亦即，希望该终端装置的封包传递率保持在该第一门坎值与第二门坎值之间，以兼顾消息传输的质量与省电效能。若该封包传递率低于该第一门坎值，则将该终端装置的发射功率提高一个功率级别，若该封包传递率高于该第二门坎值，则将该终端装置的发射功率降低一个功率级别。

上述的终端装置发射功率动态调整，是因在无线感测网络应用上，一般对于周期性的感测信息回传，些许的封包遗失是可以接受的，因此本发明可设定较低的封包传递率要求，以减少节点电耗。然而，当非周期性的突发事件发生时，由于该事件可能为重要的环境变化甚至可能为严重的灾害，为了避免消息遗失，而可实时地反应，必需确保该非周期性的特定消息能够被传送至丛集头，或至控制中心进行后续的处理或发布警报。

请参阅图6，其为本发明的发射功率控制方法第三实施例的流程示意图。在图6中，当终端装置检测到非周期性的紧急事件(步骤612)，例如烟雾传感器检测到火灾发生等的紧急意外，则直接将终端装置的发射功率调至最大值(步骤614)，并以最大功率发送警告消息(步骤616)，以避免封包遗失的可能性发生。

请参考图7，其为本发明的发射功率控制方法与系统其中一实施例的组成示意图。在图7中，感测网络发射功率控制系统7包括终端装置71、丛集头节点73、控制中心75以及警报装置77。其中终端装置71用以感测环境状态，并传送环境状态消息，其包括感测单元711、消息接收单元712、消息发送单元713、储存单元714、处理器单元715以及独立电源716。该丛集头节点73则用以接收该环境状态消息，并一开始以至少一不同的发射功率广播其功率级别消息，该终端装置接收该丛集头节点的广播，并以该终端装置所接收到的功率级别消息中的最小值为该终端装置的发射功率，用以传送该环境状态消息。

控制中心75与该丛集头节点连接，用以接收、储存、显示并处理该丛集头节点收集并传送的该环境状态消息，且/或控制该丛集头节点广播其功率级别消息，其内可建置依法则(Rule-Based)所建立的数据库，用以比对收到的感测信息，并反应进行的操作。警报装置77则至少与该控制中心75、丛集头节点73、和该终端装置71其中之一连接，用以发送警报。

在终端装置71中，感测单元711用以感测该环境状态；消息接收单元712则用以接收该丛集头节点广播的该功率级别消息，以及接收来自该丛集头节点的回传确认消息；消息发送单元713则与感测单元711和处理器单元715电连接，其具有动态功率调整单元，可以设定以不同的发射功率发送消息，该消息包括招呼消息、该环境状态消息、或警报消息；储存单元714与该消息接收单元712电连接，用以储存所接收到的该功率级别消息；处理器单元715与感测单元711、消息接收单元712、消息发送单元713、储存单元714电连接，用以决定消息接收单元712接收到的该丛集头节点所广播的功率级别消息的最小值；独立电源716一般为电池，用以提供终端装置71所有的驱动电源。

该处理器单元715并计算该消息发送单元713发送消息到达该丛集头节点73的消息成功率，并将该消息成功率与第一门坎值及第二门坎值比较，根据该比较结果调整该消息发送单元的发射功率。例如，该消息成功率可为封包传递率，即终端装置71在固定时间内发送消息封包总数量与成功发送至该丛集头节点73的消息封包数量的比率，若该消息成功率低于该第一门坎值，则将终端装置71的发射功率提高一个功率级别，反之，若该封包传递率高于该第二门坎值，则将终端装置71的发射功率降低一个功率级别。

此外，当感测单元711检测到非周期性的紧急事件，经处理器单元715判定后，该消息发送单元713即将其发射功率调至最大值，并发送紧急消息，以确保紧急消息的成功传送，丛集头73接收到该紧急消息后往回传到控制中心75，即可控制该警报装置77发出警报，且/或将该紧急消息经网络或通讯传送至相关人士的移动电话或终端系统。

终端装置71或该丛集头亦可具备独立的警报装置717、737，当感测单元711检测到紧急事件时，经处理器单元715判断确定后，即可在传送紧急消息的同时，亦独立发布警报，以达先期警报的效果。

一较佳的实施方式是在感测网络发射功率控制系统7中，其终端装置71、丛集头节点73和控制中心75具有唯一的识别码，且控制中心75具有依法则(Rule-Based)建立的数据库，用以储存所接收的该环境消息以及反应行为。

此外，终端装置71与丛集头节点73间的消息传送可使用如ZigBee、Z-Wave、WiBree、Bluetooth、Insteon、WiFi以及UWB等的通讯协议技术；丛集头节点73与控制中心75间的消息传送则可使用如ZigBee、Z-Wave、WiBree、Bluetooth、Insteon、WiFi、UWB等无线协议，或是电力线(power linecommunication，PLC)、Ethernet、CAN bus等有线协定。

纵上所述，本发明提供的发射功率控制方法与系统，的确可以在无线感测网络中，在发挥其既有功能的情况下，调整各终端装置的发射功率以达有效益的节省电力消耗，而进一步延长各终端装置的寿命。此外，由于经由丛集头广播功率级别的方式，无需经由定位各个终端装置的位置，或经由丛集头与各终端装置间繁复的通讯协商(Negotiation)过程，仅需经由少量的招呼与确认消息交换，即可使各个终端装置快速的收敛至最佳的发射功率设定，在时间与通讯容量亦具有相当的效益，同时亦进一步的节省各个终端装置在设定阶段的用电量。

换言之，本发明揭露了一种省电、快速、易于设定且兼具弹性的发射功率控制方法与系统，其适合于各种无线感测网络，或环境检测系统，其节省终端装置的用电量、延长终端装置的使用寿命、减少通讯负载度的效益是明显而特出的，故本发明存在显著的产业利用性与进步性。

虽然本发明已以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (27)

1.一种终端装置发射功率控制方法，包括：

(A)以多个彼此不同的发射功率广播其功率级别消息；以及

(B)设定终端装置的发射功率为该终端装置所接收到的功率级别消息中的最小值。

2.根据权利要求1的终端装置发射功率控制方法，还包括：

(A1)储存该终端装置所接收到的功率级别消息于该终端装置。

3.根据权利要求1的终端装置发射功率控制方法，还包括：

(C)确认该终端装置是否可与消息接收端通讯；若该终端装置不能与该消息接收端通讯，则将该终端装置的发射功率提高一个功率级别。

4.根据权利要求3的终端装置发射功率控制方法，其中该消息接收端为丛集头节点，其中步骤(C)还包括：

(C1)该终端装置以所设定的发射功率发送招呼消息；

(C2)若该终端装置未收到该丛集头节点回传的确认消息，则将该终端装置的发射功率提高一个功率级别；以及

(C3)重复步骤(C1)和步骤(C2)，直到该终端装置收到该丛集头节点回传的该确认消息为止。

5.根据权利要求1的终端装置发射功率控制方法，还包括：

(D1)该终端装置发送检测消息；

(D2)该丛集头节点接收该检测消息，并将该检测消息传送至控制中心；

(D3)将该检测消息与该控制中心的数据库作比对；

(D4)若该检测消息符合特定事件，则发布警报；以及

(D5)储存该检测消息。

6.根据权利要求1的终端装置发射功率控制方法，还包括：

(E)计算该终端装置于固定期间的封包传递率；

(F)比较该封包传递率与第一门坎值，若该封包传递率低于该第一门坎值，则将该终端装置的发射功率提高一个功率级别；以及

(G)比较该封包传递率与第二门坎值，若该封包传递率高于该第二门坎值，则将该终端装置的发射功率降低一个功率级别。

7.根据权利要求6的终端装置发射功率控制方法，其中该封包传递率是指该终端装置在固定时间内发送检测消息封包总数量与成功发送该检测消息封包至消息接收端的消息封包数量的比率。

8.根据权利要求7的终端装置发射功率控制方法，其中该消息接收端为丛集头节点，而该封包传递率可通过该终端装置所接收到该丛集头节点的回传确认消息累积计算。

9.根据权利要求1的终端装置发射功率控制方法，还包括：

(H)若该终端装置检测到特定事件，则将该终端装置的发射功率提高至最大级别，并发送警告消息。

10.根据权利要求1的终端装置发射功率控制方法，其中该终端装置可为火焰检测器、烟雾检测器、温度检测器以上其中之一或其组合，该特定事件可为火灾。

11.一种终端装置发射功率控制系统，包括：

终端装置，用以感测环境状态，并传送环境状态消息；以及

丛集头节点，用以接收该环境状态消息，并以至少一不同的发射功率广播其功率级别消息，

其中，该终端装置接收该丛集头节点的广播，并以该终端装置所接收到的功率级别消息中的最小值为该终端装置的发射功率，用以传送该环境状态消息。

12.根据权利要求11的终端装置发射功率控制系统，还包括：

控制中心，其与该丛集头节点连接，用以接收、储存、显示并处理该丛集头节点传送的该环境状态消息，并控制该丛集头节点广播其功率级别消息；以及

警报装置，其与该控制中心和该终端装置至少其一连接，用以发送警报。

13.根据权利要求11的终端装置发射功率控制系统，其中该终端装置还包括：

感测单元，用以感测该环境状态；

消息接收单元，用以接收该丛集头节点广播的该功率级别消息及该丛集头节点的回传确认消息；

储存单元，其与该消息接收单元电连接，用以储存所接收到的该功率级别消息；

处理器单元，其与该消息接收单元电连接，用以决定所接收到的该功率级别消息的最小值；

消息发送单元，其与该感测单元和该处理器单元电连接，并具有动态功率调整单元，可以不同的发射功率发送消息，该消息包括招呼消息、该环境状态消息、与警报消息；以及

电源，用以提供该终端装置驱动电能，

其中，该处理器单元并计算该消息发送单元所发送消息到达该丛集头节点的消息成功率，并将该消息成功率与第一门坎值及第二门坎值比较，根据该比较结果调整该消息发送单元的发射功率。

14.根据权利要求13的终端装置发射功率控制系统，其中，该电源是电池。

15.根据权利要求13的终端装置发射功率控制系统，其中该消息成功率为封包传递率，是指该终端装置在固定时间内发送消息封包总数量与成功发送至该丛集头节点的消息封包数量的比率，若该消息成功率低于该第一门坎值，则将该终端装置的发射功率提高一个级别，若该封包传递率高于该第二门坎值，则将该终端装置的发射功率降低一个级别。

16.根据权利要求13的终端装置发射功率控制系统，其中该消息发送单元用最大发射功率发送该警报消息。

17.根据权利要求11的终端装置发射功率控制系统，其中该终端装置与该丛集头节点间的消息传送可使用以下通讯协议技术至少其一：ZigBee、Z-Wave、WiBree、Bluetooth、Insteon、WiFi以及UWB。

18.根据权利要求12的终端装置发射功率控制系统，其中该丛集头节点与该控制中心间的消息传送可使用ZigBee、Z-Wave、WiBree、Bluetooth、Insteon、WiFi、UWB等无线协议，或是电力线PLC、Ethernet、CAN bus等有线协定。

19.根据权利要求12的终端装置发射功率控制系统，其中该终端装置、该丛集头节点和该控制中心具有唯一的识别码，且该控制中心还具有数据库，用以储存所接收的该环境消息以及依法则建立的反应行为。

20.一种调整检测装置发射功率的方法，包括：

(A)计算检测装置的消息传送成功率，

(B)比较该消息传送成功率与第一门坎值；以及

(C)若该消息传送成功率低于该第一门坎值，则将该检测装置用以发送该检测消息的发射功率提高一个功率级别。

21.根据权利要求20调整检测装置发射功率的方法，其中该消息传送成功率是指在固定时间内或特定消息量时该检测装置发送消息的总数量和成功发送至该消息接收端的消息数量的比率，该消息传送成功率可通过该终端装置所接收到该消息接收端的回传确认消息数量累积计算。

22.根据权利要求20调整检测装置发射功率的方法，还包括：

(D)比较该消息传送成功率与第二门坎值；以及

(E)若该消息传送成功率高于该第二门坎值，则将该检测装置用以发送该检测消息的发射功率降低一个功率级别。

23.根据权利要求20的调整检测装置发射功率的方法，还包括：

(F)若该检测装置检测到特定事件，则将该检测装置的发射功率提高至最大级别，并发送警告消息。

24.根据权利要求23的调整检测装置发射功率的方法，其中该检测装置可为火焰检测器、烟雾检测器、温度检测器以上其中之一或其组合，该特定事件可为火灾。

25.根据权利要求20的调整检测装置发射功率的方法，还包括：

(F)若该检测装置检测到特定事件，则将该检测装置的发射功率提高至最大级别，并发送警告消息。

26.根据权利要求20的调整检测装置发射功率的方法，还包括：

(A1)消息接收端以至少一不同的发射功率广播该不同的发射功率的功率级别消息；

(A2)设定该检测装置的发射功率为该检测装置所接收到的功率级别消息中的最小值；

(A3)确认该检测装置是否可与该消息接收端通讯；以及

(A4)若该检测装置不能与该消息接收端通讯，则将该终端装置的发射功率提高一个功率级别。

27.根据权利要求26的调整检测装置发射功率的方法，其中该消息接收端为丛集头节点，其中步骤(A3)确认该检测装置是否可与该消息接收端通讯是由该检测装置发送招呼消息，并接收到由该丛集头节点回传的对应该招呼消息的确认消息。

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