CN102157055A - 一种超低功耗的无线遥测遥控系统和方法 - Google Patents

Abstract

超低功耗的无线遥测遥控系统和方法，是让受控端平常处于一种周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的超低功耗状态。当需要向受控端发送工作指令时，控制端将在一段短的时间内连续不间断向受控端发射指令信号，受控端在苏醒的瞬间，先仅只接收1个或有限几个比特位的数据信号并核对其射频特征，特别是扩频编码特征。只有在射频特征吻合后，才延时接收并解析整个数据信号包。在大大降低受控端功耗的同时，在控制端和受控设备之间维持了一个的快速无线通道。从而为传感器数据的无线采集和传输，设备的无线遥测遥控在物联网市场中的广阔应用打开了大门。本发明还提供了一种不依赖无线移动公网的远距离GPS定位系统和简单有效的近距离物件搜寻方法。

Description

一种超低功耗的无线遥测遥控系统和方法

技术领域

本发明涉及无线传感器数据采集和传输，无线遥控设备等的控制技术和节电方法，及其在定位搜寻中的应用。

背景技术

物联网是远比互联网影响更加深远的一场新的信息革命。而千千万万关于物的各种信息的采集和传输，必然涉控制计算机，以及远端的传感器，GPS等受控设备等，以及与它们连接的低成本低功耗的无线传输设备。我们今后将与控制计算机连接的无线收发机称为控制端，而与受控设备连接的无线收发机称为受控端。如何使受控端在需要工作时能迅速进入工作状态，而在不需要工作时不向外发射任何信号，同时耗电又非常低，无疑是当前物联网信息革命中一个十分重要的课题。

为了防止环境电磁污染以及保证其它无线通信设备能够正常工作，按需工作(在需要的时间和需要的地点才向外发射无线信号)是对所有这些受控端的基本要求。在需要它们工作时能够让它们能很快接收到控制端的无线指令信号的最简单的方法，无疑就是让受控端始终处于一种等待接收控制端无线指令信号的接收状态。这就意味着受控端必须处于一种始终开启无线接收机的高耗电状态，而目前现有的单芯片无线收发机开启时的最低耗电都在20mA左右，因而使用一个一般常用的500mAh的锂电池，最多也就只能支持一天。为了解决这个问题，工程师们想了各种办法：

1.控制端采用连续不间断地发射指令信号，而受控端采用周期性睡眠苏醒后再监听指令信号一段时间的方式。一个完整的指令信号包应该包括包头，数据位，效验位等各种内容，因而一般都需要20个字节左右(为了方便起见，我们以后都统一按照20个字节计算)。而由于受控端苏醒监听的时间是随机的，而不可能与控制端发射信号的时间同步(参见附图一)，因而，为了保证在无干扰的情况下每次苏醒后都能接收到一个完整的数据信号包，受控端苏醒后监听接收信号的时间就必须要两倍于控制端发射信号的时间。这里还没有考虑由于干扰的原因，效验位通不过时重新发射所需的时间。这样，每次监听至少需要接收到40个字节所需的时间。以后我们统一使用50kbps的速率来计算，这就需要6.4mS的时间。如果按照每秒钟醒来一次计算，受控端工作的占空比就是0.0064。也就是说半年不到的时间，如果考虑干扰重发，实际工作所需的其它耗电以及电池漏电等因素，受控端的实际电池寿命还会短得多。这与实际要求的电池寿命相差甚远。因而，工程师们往往不得不采用更长的睡眠苏醒周期来降低工作占空比的方法，这自然也就降低了受控端对控制端指令的反应速度。使用这种方法来延长电池使用寿命显然在许多时候无法使用。

2.采用无源唤醒的方式：即受控端平常处于掉电状态，受控端中安装有一个可得利用一定频率范围电磁场中能量的检波电路。另外在需要受控端工作的地方安装有一个连续不断向外发射唤醒信号的唤醒器。只有在受控端进入到发射唤醒信号的唤醒器的唤醒范围时，受控端中的检波电路利用唤醒器电磁场中的能量产生一个足以启动受控端的启动电压，从而使受控端进入可与控制端通信的状态。这种方式的优点是，除了可能使用一个非常小的检波偏置电流外，受控端平常并不消耗其它电能，因而非常省电。然而，这种方式的唤醒距离非常短，一般只有几米，而且唤醒器连续发射唤醒信号的功率往往非常大，因而适用范围非常有限。

3.传感器唤醒的方式：受控端本身与某种传感器(例如干簧管，地感线圈等)相连接。受控端平常处于关机或睡眠状态，只有当传感器探测到某种信号而启动电源开关，或产生一个中断信号来开启受控端收发机，使其进入与控制端的通信状态。这种方式的缺点是能够使用传感器激活唤醒受控端收发机的应用场景非常有限。

4.控制端使用相对简单而不带指令的专门用于唤醒受控端的唤醒信号，例如使用简单的方波信号等，通过连续不间断发射的方式，先将处于周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间低功耗状态的受控端唤醒，使其进入连续接收的状态，等待接收控制端在结束连续发射唤醒信号之后，再转回来向受控端发送的工作指令信号。这种做法虽然能够缩短受控端每次睡眠苏醒后的监听时间，但却降低了受控端的反应速度，而且，由于受控端在唤醒后需要在高耗电的状态下等待一定时间后才能接收控制端发来的指令信息，因而还会缩短电池的使用寿命，特别是需要受控端频繁工作的应用场景。(参阅ISO-18000-7标准及附图二)

5.受控端平常也处于周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态，然后利用具有一定强度的射频信号(RSSI)来唤醒受控端，当所探测到的信号强度值超过预先规定的门限时，受控端才会延长监听接收时间，继续接收更多的信号，以对数据信号包做进一步的判断。参阅专利文件CN101533480A以及CN 101236611A。这种做法虽然大大缩短了每次苏醒后监听信号的时间，但由于RSSI可以是来自任何信号源的射频信号强度的叠加，而且波动较大，因而，很容易出现误判断，从而消耗大量的电池能量，特别是在环境噪声较大的环境中。

尽管以上的这些方法在在一定程度上，满足了一些特定的应用场景的需要，然而，它们都存在相当的缺陷，因而无法满足当前市场急迫需要的，在物联网应用的各种场景中都能使受控端在需要工作的时候迅速进入工作状态，而在不工作的时候耗电又非常低的功能要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有一般方法无法满足物联网普遍应用场景的需要，提供了一种通过“DNA检测”的简单，准确，快速鉴别无线数据信号包的方法，这种方法不仅大大地缩短了受控端每次周期性睡眠苏醒后监听鉴别控制端指令信号的时间，从根本上解决了受控端电池寿命问题，而且控制端不需要重新向受控端发射工作指令，而只需要在“DNA检测”完之后继续接收一个完整的指令信号包就可以了。从而为传感器数据的无线采集和传输，各种设备的无线遥测遥控，以及有源电子标签等在物联网这个更加广泛市场中的应用打开了大门。

“DNA检测”方法，是指我们只对一个完整信号包中任意一个比特位或有限的几个比特位，而不是对整个信号包的检测，来鉴别该信号包是否是我们需要接收的信号包的方法。因为任何一个无线数据信号包的每一个比特位，都是在给定的工作频道上，使用给定的调制方式，传输速率和编码方式来传输和表示的。也就是说，数据信号包中的每一个比特位，都必须要具有这样的基本特征，与我们人体每个细胞都具有某种基因特征类似。这就是说，我们只需要对指令信号包中任意一个比特位信号进行分析，就能判断出所接收的信号是否是受控端可以识别的信号，而不需要每次必须接收一个完整的信号包，并对其加以解析后才能决定是否需要丢弃所接收的信号包。因而我们只需要求受控端在每次睡眠苏醒时，先只花非常短的时间(一般不超过100uS)，读取一个或有限的几个比特位进行射频基本特征的检测比对，就可以完成对该信号包的鉴别。对采用直序扩频通信方式的数据信号，我们只需通过对代表每一个比特位的若干个码片的相关性的进行比对，就可以判断该信号是否是受控端需要接收的信号。如果是，才继续接收。反之，则在100uS的监听时间结束后不再延时，立即进入睡眠状态并等待下一次监听信号的机会。

这里到底使用一个或几个比特位来进行DNA检测，取决于每个比特位所所包含的射频特征信息量。例如在前述的直序扩频通信中，我们可以使用64个PN码片来代表一个比特位，也可以使用4个码片来代表一个比特位。显然在进行DNA检测时，对与64个码片代表一个比特位的情况，我们只需要读取一个比特就够了，而对于后者，我们可能需要读取几个比特位才能得到更加可靠的检测结果。

而这种“DNA检测”通过无线收发机硬件就可以完成，而且所需时间非常短，远远小于对整个数据信号包的解析。而受控端周期性睡眠苏醒后监听信号时间的长短，是采用低占空比工作方式工作的受控端电池寿命的决定因素。因而采用“DNA检测”的方法将大大延长受控端电池的使用寿命。

受控端本身可以根据应用需要，预先输入控制各种受控设备工作的单片机程序，并通过控制端发来的工作指令，调用相关的程序来控制受控设备的工作。并在工作结束后，回到周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。

系统基本结构

本发明系统和方法涉及的硬件包括：控制计算机，与计算机连接的控制端，受控设备(包括GPS终端，传感器或报警器等)，以及与受控设备连接的受控端。控制计算机可以是一般的PC，或具有数字信息输入功能的手持机或手机，它们通过有线连接的方式与控制端无线收发机连接，并可通过控制端无线收发机发射所输入的数字信息，需要时还可接收，处理和显示通过控制端传回来的信息。当受控设备为GPS终端时，还应储存有相关区域的电子地图。控制端和受控端都是由低成本的无线单芯片收发机制成，相互间可以进行无线通信，每个无线单芯片收发机一般都有一个世界唯一的出厂编号。受控端通过有线的方式与各种受控设备连接，并可通过受控端单片机中的预置程序对受控设备进行控制管理。受控端平常处于周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。只有在接收到控制端发来的工作指令时才开始工作。

工作原理：

当控制端需要向受控端下达工作指令时，控制端将在一段短的时间内(一般应大于受控端的睡眠苏醒周期)向受控端连续不间断地重复发射同一个指令信号。而受控端则采用周期性睡眠，苏醒后监听控制端指令信号一瞬间的状态。这一瞬间时间的长短，就是受控端每次苏醒后，能够保证接收到足以完成对可能来自控制端指令的信息的“DNA检测”的需要来决定的，即接收控制端指令信号中任意一个或几个比特位所需的时间，这个时间一般都小于100uS。如果所监听到的信号通过了“DNA检测”，受控端将延长接收信号的时间，继续接收该信号并通过对该数据信号包的解析，来决定下一步的动作，解析的结果包括目标地址码或密码等与受控端匹配和不匹配等情况。如果匹配，则受控端将立即执行指令信号所要求的动作，否则将不执行。如果所监听到的信号不能通过“DNA检测”(包括无任何信号的情况)，受控端在这100uS的监听期限结束后，将不再延长监听时间，而立即进入预先设定的周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。(参见附图三)

由于受控端的苏醒监听的信号可以是一个完整数据信号包的任意一个或几个比特位，而控制端发射的指令信号是连续重复且不间断的。因而，受控端每次苏醒监听信号时，所接收到的信号无论处于一个完整数据信号包的任何位置，都可以用于“DNA检测”。

本发明的有益效果

如果受控端睡眠苏醒周期为一秒，每次控制端连续发射指令信号的时间超过1秒时，受控端至少有一次监听到控制端指令信号的机会。也就是说从控制端开始向受控端下达指令算起，受控端能够接收到指令信号所需的平均时间为0.5秒，这种反应速度对大多数应用来讲都已足够。与此同时，受控端在非工作状态的耗电只有微不足道的几个微安。当然我们还可通过缩短受控端睡眠苏醒周期的办法来进一步加快受控端对控制端指令信号的响应速度，但这将以缩短电池使用寿命为代价。

采用这种工作方式的另外一个好处是，由于受控端在苏醒后需要接收的信息仅仅是一个或几个比特位，因而所需时间非常短，比起接收一个长的信息包而言，受到干扰的机会就非常少，因而，每次监听信号的成功率就很高。与此同时，在通过短时间的DNA检测后，受控端又能保证有充足的时间来接收数据包，直到接收到一个完整的通过CRC校验的正确数据包。

“DNA检测”方法从根本上解决了如何使采用低占空比工作方式工作的无线传感器网络，有源电子标签及无线遥控设备等在需要工作时，能够迅速进入工作状态，而在不需要工作的时候既不占用无线信道向外发射信号，同时耗电又非常低的重大难题，从而为物联网的具体实施扫清了一个关键的障碍。

附图说明

附图一每次苏醒后监听接收一个完整数据包的方法耗时费电

附图二采用简单唤醒信号的方法时，受控端被唤醒后需要等待

附图二采用“DNA检测”的方法省时节电

具体实施方式

我们将以如下几个例子来加以具体说明：

1.野外，海上遇险人员的搜救

由于植被，波浪，可见度(大雾，夜晚，反光等)，以及搜寻范围太大等原因，使用肉眼对被搜救人员搜救往往非常困难。汶川地震中对失踪直升机的搜救就是一个典型的例子。

因而，我们只需要让每个野外工作人员携带一个，或在渔船的救生设备，以及船只等其它设备上安装一个定位终端就可以了。这个定位终端包括一个GPS终端(受控设备)和与之相连接的一个无线受控端。定位终端中的GPS模块平常处于掉电状态，而其中的无线终端模块则处于周期性睡眠苏醒后监听唤醒信号一瞬间的超低功耗状态。

当使用直升飞机，船只或搜救人员进行搜救时，只需通过与安装有电子地图的PC机或带显示的手持设备连接的控制端(搜寻机)先在唤醒频道上向外连续不间断地广播发射1秒钟的唤醒指令信号，被搜救人员或遇险渔民所携带的受控端，接收到唤醒指令后，即可立即启动定位终端的GPS模块，使其进入初始化和采集数据的过程。并在等待读写器发射完唤醒信号后(一般为一秒钟)，在应答频道上(这里的应答频道可以与唤醒频道相同，也可以是不同的其他频道)向控制端返还一个应答信号(这里控制端在接收受控端返还的应答信号时，必须使用相同的频道)，通知搜寻机已已接收到唤醒指令信号。否则，搜寻机将继续发射搜寻唤醒信号。受控端在接收到GPS模块计算出的位置信息后，再在应答频道上向搜寻机发回自身的位置信息。收到搜寻机发回的确认回执后，受控端便立即回到周期性监听唤醒信号的低功耗状态，等待新的指令。如果每隔一定时间(例如5分钟)需要重新确定被搜救者新的位置，搜救者则需要重复上面的过程，发出新的唤醒定位指令。如果两次间隔时间不超过2小时，GPS定位终端则不需要再次进行初始化，而可以很快给出新的位置信息。在获取位置信息后，通过搜救者的PC机或手持机中的电子地图显示出被搜救者的位置。

2.空降伞兵的定位：

在战场上，当伞兵被空降到地面后，由于各种原因会分散在一个比较宽的范围内(比如1-2公里)。而每个伞兵具体位置分布的信息对作战指挥人员来讲则非常重要，如果通过对讲等方式来进行联系显然很容易暴露目标。作战指挥人员通过本发明的方式来确定每个士兵的具体位置，显然具有明显的优越性。

在每个战士身上携带一个定位终端。如前所述，定位终端中的GPS模块平常处于掉电状态，而其中的受控端则处于周期性睡眠苏醒后监听唤醒信号的超低功耗状态。当伞兵落地后，指挥人员只需向外广播发射1秒钟的带密码的唤醒指令信号，核对密码无误后，就可以启动每个士兵身上的GPS终端，使其进入初始化和采集计算位置数据的过程，并在计算出位置数据后，经过加密向指挥员发回各自的位置信息。实际上，由于指挥人员预先知道每个伞兵的ID编号，因而在广播位置信息采集指令时，可以要求每个定位终端根据自己的ID号，按时间先后顺序发回自己的位置信息。如果要求某些低级士官也要知道某些他们所管理的士兵的位置信息，则每个士兵在发射自己位置信息时采用带目标地址码的定向广播方式，同时低级士官所携带的受控端，在自身不发射信号时，处于接收他们所管理的士兵位置信息的状态。(当然，为了加快位置信息的采集时间，当士兵在空降的同时就可以通过按键的方式打开自己的GPS模块完成初始化过程，这样一当指挥人员发布位置采集命令时，便可以省去GPS初始化的时间，迅速得到每个士兵的位置信息)。

有了这些信息，现场指挥人员就可以使用带屏幕显示的手持设备和电子地图指挥作战了。随着时间的推移，士兵的位置将可能发生变化，此时，指挥人员只需采用滚动密码的方式，发射位置采集指令就可以很快采集到所有士兵的位置信息了。

3.行李仓中的行李搜寻：

在许多情况下，我们不可能将许多东西预先按照一定的次序整齐安放，例如仅仅需要临时堆放的托运行李等。在这种情况下，当我们需要找寻某件行李时，将会面临极大的麻烦。

采用本发明的唤醒技术，就变得很简单了。我们只需要在每件托运行李上，固定一个带蜂鸣器或其它可以发射报警信号装置的受控端(行李标牌)。当我们需要搜寻某件行李时，只需要使用一个手持读写器，输入需要搜寻的行李编号，然后采用前述的方法，在一段短的时间内，连续广播发射搜寻该物件的指令。通过DNA检测后被唤醒的行李标牌，将根据指令信号包中的物件编码号，来决定是否需要启动蜂鸣器并向外发出声音信号。只有与搜寻物件编码号相匹配的标牌才会发出声音信号，向搜寻者提示自己所在的位置。其它标牌则不会做出任何响应。

同样的行李标牌还可以用于人们搜寻自己丢失遗忘的东西，只不过此时的手持机读写器，可以使用带有控制端的通信手机来代替。此时的手机代替了计算机，用于输入行李编号。

这种行李标牌不仅可以用于行李搜寻，而且还可以用于行李和人员的清点。即在需要的时候和地方，将搜寻指令换成清点指令，行李或人员标牌在收到清点指令后，不是启动蜂鸣器而是向读写器返回行李和人员编号就行了。

Claims (7)

1.超低功耗的无线遥测遥控系统涉及如下几个最基本硬件组成部分：控制计算机，与计算机连接的控制端，受控设备以及与受控设备连接的受控端；控制计算机是指具有数字信息输入功能的PC机或具有相同功能的其它手持设备，它们通过有线的方式与控制端无线收发机连接，并可通过控制端向外发射所输入的数字信息，需要时还可接收，处理和显示通过控制端传回来的信息；控制端和受控端都是由低成本的无线单芯片收发机制成，相互间可以进行无线通信，它们都有属于自己的独一无二的身份编号；受控端通过有线的方式与各种受控设备连接，并可通过受控端单片机中的预置程序对受控设备进行控制管理；受控端平常处于周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态，而控制端则采用在一段短的时间内连续不间断地向受控端发射工作指令信号的方式，以便受控端在苏醒的瞬间能够接收到控制端发射的指令信号；而受控端在苏醒的瞬间，采用先仅只花足以接收来自控制端指令信号中的1个或有限几个比特位的时间，完成相关的“DNA检测”，受控端只有在接收到信号，而且所接收的信号合符“DNA检测”匹配条件的情况下，才会延长接收时间继续接收一个完整的指令信号包以进行解析，并根据解析结果来执行指令信号包所要求的动作；如果受控端在苏醒监听的瞬间没有接收到任何信号，或所接收的信号不能通过DNA检测时，将立即返回到周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。

2.根据权利要求1所述的超低功耗的无线遥测遥控系统，其特征在于：受控端中的单片机可以根据不同具体应用的实际需要，预先置入管理控制与受控端连接的受控设备的各种工作程序；而在需要对受控设备进行控制管理时，控制端可以通过连续在一段短的时间内不间断地向受控端发射带有程序工作参数的程序调用指令，启动受控端工作程序，实现对受控设备的控制管理，并在执行完指令动作后，回到周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。

3.根据权利要求1或2所述的超低功耗的无线遥测遥控系统，其特征在于：当受控设备为GPS终端时，控制端还应储存有相关区域的电子地图。

4.根据权利要求1或2所述的超低功耗的无线遥测遥控系统，其特征在于：受控端不与任何受控设备连接，控制计算机通过控制端发给受控端的工作指令，仅仅是要求受控端本身通过与控制端之间的无线连接，实现与控制计算机之间的信息交流，而此时的受控端就成为一种按需工作的超低功耗有源电子标签。

5.一种利用“DNA检测”实现超低功耗无线遥测遥控的方法，其特征在于，这种方法包括：控制计算机，控制端，受控端和受控设备；控制计算机与控制端之间，以及受控端与受控设备之间采用有线的方式连接；而控制端与受控端各自都有属于自己的唯一身份编号，它们之间采用无线方式连接；控制计算机用于根据控制端和受控端之间的无线通信协议编辑通过控制端发给受控端的无线工作指令，并通过受控端对受控设备进行控制管理；控制端通过如下的方式实现与受控端之间的超低功耗无线连接：受控端平常处于周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态，而控制端则采用在一段短的时间内连续不间断地向受控端发射工作指令信号的方式，以便受控端在苏醒的瞬间能够接收到控制端发射的指令信号；而受控端在苏醒的瞬间，采用先仅只花足以接收来自控制端指令信号中的1个或有限几个比特位的时间，完成对可能接收到的射频信号的“DNA检测”，受控端只有在接收到信号，而且所接收的信号合符“DNA检测”匹配条件的情况下，才会延长接收时间继续接收一个完整的指令信号包以进行解析，并根据解析结果来执行指令信号包所要求的动作；如果受控端在苏醒监听的瞬间没有接收到任何信号，或所接收的信号不能通过DNA检测时，将立即返回到周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。

6.根据权利要求5所述的超低功耗的无线遥测遥控方法，其特征在于：受控端中的单片机可以根据不同具体应用的实际需要，预先置入管理控制与受控端连接的受控设备的各种工作程序；而在需要对受控设备进行控制管理时，控制端可以通过连续在一段短的时间内不间断地向受控端发射带有程序工作参数赋值的程序调用指令，启动受控端工作程序，以一种简洁的无线指令，实现对受控设备的控制管理。

7.根据权利要求5或6所述的超低功耗的无线遥测遥控方法，其特征在于：受控端不与任何受控设备连接，控制计算机通过控制端发给受控端的工作指令，仅仅是要求受控端本身通过与控制端之间的无线连接，实现与控制计算机之间的信息交流。

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