CN102428678B - 用于控制资源受限设备的传输的方法和无电池设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制在无线网络中操作的无电池设备（1）的传输的方法。该方法包括以下步骤：无电池设备（1）传输包括用于控制远程设备（2a）或受控设备的操作的元素的帧，无电池设备被配置为具有控制帧的计划重新传输的预定数目；无电池设备感测由于受控设备（2a）的操作而引起的物理现象的改变；基于感测步骤，无电池设备确定帧传输的成功或失败；在传输已成功的情况下，无电池设备忽略控制帧的进一步的重新传输。本发明还涉及实现这样的方法的无电池设备。

Description

用于控制资源受限设备的传输的方法和无电池设备

技术领域

本发明涉及用于控制无电池设备的传输的方法。

例如，本发明涉及用于其中无电池设备对灯或其操作有可检测结果（例如在物理上可检测）的其他设备进行控制的无线网络中。

背景技术

无线控制近来已成为通信领域中，尤其对于建筑管理系统而言，普遍存在的趋势。因为无需拖拽线缆和钻孔，无线技术在布置自由度、便携性及安装成本降低方面具有主要优势。因此，该技术对于使用那些必须设置为彼此远离及远离其控制的设备（例如，灯）的传感器设备（例如灯开关、调光器（dimmer）、无线遥控器、运动或光检测器）的互连检测、自动化、控制或监控系统而言特别具有吸引力。

在类似网络中出现的缺点之一涉及设备供电。实际上，因为设备未接线，它们无法从干线（mains）或经由与控制器之间的连接接收执行网络中要求的所有操作所需的电力。因此，已经设想为这样的设备配备内置电池。然而，因为这样的设备有很大的尺寸限制，电池不能有很大的尺寸，这导致降低的设备寿命或劳动密集型的电池替换。此外，使用过的电池会导致有毒废物。

已建议通过为传感器设备配备从其环境中收割（harvest）能量的自维持能量源来补救这个问题。尽管如此，通过现成的能量收割机（harvester）可获得的能量的量是非常有限的，这意味着无电池设备的特征和功能严重受限。因为等待传输之后的确认消息是耗能的，尤其是在未收到确认而因此需要重新传输原始消息的情况下更是如此，所以现有的能量收割无电池设备的通信方法不实现任何确认处理，而是直接执行消息的数次重新传输以便于确保通信的可靠性。这种方案在考虑到通常正确接收的情况下是有效的。然而，该方案也有几个缺点。首先，在这样的不期待确认消息的实现方式中，无电池设备从不监听在其所属网络中发生的事件。因此，在例如有关通信信道、网络标识符或地址分配的配置改变的情况下，无电池设备不能接收任何信息，并因此不能使其传输参数适应于新的配置，致使进一步传输失败。尤其是，不能适应于信道改变是危险的，因为其将迫使被分配为接收来自无电池设备的通信的设备在多个信道上操作，由于数个控制应用的实时要求，这在技术上非常有挑战性，或迫使用户重新布置无电池设备，这是劳动密集型的并因此从用户角度而言是不可接受的。其次，重新传输的数目是固定的，即使在首次传输之一成功的情况下也不会变化。因此，这样的实现方式导致浪费能量用于无用传输，该能量因能被更有目的性地使用。

此外，为了节省能量的原因，在没有网络的正确操作所要求的合适的信道访问机制CSMA/CA的情况下进行所有的重新传输，由此潜在地导致分组冲突，并且由此使得其他设备（无电池的、代理网络上的、或使用相同频带的其他周围网络）的通信恶化。

发明内容

本发明的一个目的是提出用于控制无电池设备的帧传输、以便根据先前通信的成功或失败而调整无电池设备的进一步操作的方法。

更具体地，本发明的一个目的是提出一种方法，其中无电池设备经由不同于通信接口的部件接收对其传输的反馈。

更具体地，本发明的一个目的是提供一种方法，该方法允许无电池设备在通信已成功时跳过附加传输，因此允许在无电池设备中节省能量，并且减轻周围设备的冲突可能性。

为此，本发明提出如权利要求1所限定的方法。

如同在传统方案中那样，在本发明中，无电池设备初始被配置为执行一定数目的重新传输。更具体地，在一个示例实施例中，该方法包括确定（例如，通过配置）重新传输的数目及其之间的时间间距的初始步骤。然而，与现有的方法相反，在本发明中，已发送控制帧的无电池设备有不同于通信接口的部件，以基于感测到由已传输的帧控制的物理现象获得通信上成功或失败的反馈。因此，无电池设备得知通信的状态，因此能关于进一步的操作做出决定（例如，保持重新传输相同分组或跳过重新传输）。

这一特征对于无电池设备而言是最重要的，因为其允许无电池设备通过消除无用的重新传输而节省能量。在本发明的示例实施例中，该方法包括无电池设备收割用于执行重新传输的预定数目的能量的量的步骤。因此，如果在通信成功后跳过重新传输，则所收割的能量未被完全地消耗，因此能被用于其他操作。因此，在一个具体实施例中，存储剩余的所收割的能量。在另一具体实施例中，剩余的所收割的能量被用于例如无线通信消息的接收的双向通信。在另一具体实施例中，所接收的消息是维护消息。

本发明还涉及如权利要求12所限定的无电池设备。

在一个实施例中，控制无线接口的部件包括将接口从发送模式切换至接收模式的部件，和/或定义重新传输的数目及重新传输之间的时间间隔的部件。

能量收割电路被用于收割周围的能量，该能量来自例如照明（illumination）的物理现象，例如电机振动的技术现象，或例如按动按钮的用户互动。

能量存储器被用于临时地存储所收割的能量，并使其可用于通信接口或其他组件（诸如存储器，例如微型控制器或其他HW组件的控制部件，或包括在检测部件中用于确定传输成功的传感器）。能量存储器可采用例如以低漏电流为特征的固态电池或超级电容器的形式。

本发明的这些及其他方面根据下文描述的实施例将变清楚，并将参照下文描述的实施例进行阐述。

附图说明

现在将通过示例的方式参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1示出了实现根据本发明的方法的网络。

具体实施例

本发明涉及控制如图1所示的无电池设备1的传输的方法。无电池设备1发送受控设备2a、2b、2c想要的帧。经由代理设备3处理这些传输，该代理设备3接收无电池设备1发送的帧，并使用由无线通信标准提供并在配置步骤中选择的单播、多播或广播传输，将它们转发给相关的目标设备或设备组。

为了本方法的正确操作，无电池设备1位于受控设备2a、2b、2c的物理邻域。这允许无电池设备1被动地接收有关发送至代理设备的帧的带外反馈。实际上，根据本发明的方法将被应用于无电池设备1控制影响物理现象的设备2a、2b和2c的网络中。

在第一个例子中，设备1是控制灯2a、2b和2c的开/关状态的无电池按钮光开关。因此，当被用户的按钮动作触发时（还提供了开关操作所需的收割能量），无电池设备1发送帧以控制照明灯的开或关状态。为了得到命令帧的传输的成功或失败的反馈，无电池设备1检测是否存在光（图1上的箭头所示），并将检测的结果与鉴于命令帧的内容而期待的结果进行比较。该检测通过使用包括在无电池设备1中的传感器10（例如，光敏电阻，光电二极管或太阳能电池）节能地执行。

在另一个例子中，设备1是影响灯2a、2b和2c的光强度的无电池调光开关或遥控器。在另一个例子中，设备1是影响遮板（blind）2a、2b和2c位置的遮板调节器。因此，为了确定控制帧是否已被恰当接收了，无电池设备1在已发送控制帧后感测光强度，然后将该光强度与就在帧传输之前感测到的光强度进行比较，以确定强度的实际改变。基于这个比较，无电池设备1可确定传输是否已成功。该检测通过使用包括在无电池设备1中的传感器10（例如，光敏电阻，光电二极管、太阳能电池或自主光强度改变传感器）节能地执行。

在再一例子中，无电池设备是流能量收割温度传感器，且受控设备2c是用于控制流的阀控制器（例如包括在恒温器中）。然后无电池设备可检测由基于流的能量收割机的旋转部分供应的电压和/或电流的改变，以得到有关传输成功的反馈。

在再一例子中，物理现象按照可检测到每个设备2a、2b和2c的单独贡献的方式而受到受控设备2a、2b和2c的操作的影响。例如，设备1是无电池调光开关，且受控设备2a、2b和2c是有单独的脉冲位置调制参数的灯。为了得到有关命令帧传输成功或失败的反馈，无电池设备1检查受控设备2a、2b和2c（由图1中箭头表示）中的每个发出的光强度的改变，并将检测的结果与鉴于命令帧的内容而期待的结果进行比较。

本发明不限于上述设备，并可被应用于任何受控设备，该受控设备的操作具有可被无电池设备节能地检测的物理后果。

基于传感器10指示控制帧的传输成功或失败的反馈，无电池设备如下决定进一步的操作：

--如果传输已失败了，则基于与重新传输的数目和两个传输之间的时间间距相关的预定参数，无电池设备执行重新传输；

--如果传输已成功，则无电池设备跳过或放弃进一步的重新传输，并且剩余的所收割的能量保持在能量存储器中可用。

在优选实施例中，按照可在进行全部重新传输前接收指示传输成功的反馈的方式，确定重新传输的参数，即，重新传输的数目和任意两个重新传输之间的时间间距。从这个角度而言，通过考虑以下元素来确定参数：

--接收设备（多个）中的处理延迟；

--可能的控制网络架构，例如消息到达提供物理反馈的受控设备必须经历的跳数；

--提供反馈的受控设备的物理限制，例如灯的有限点火时间或者遮板调节器中的遮板的限速。

节省的已收割能量的量可用于不同动作，诸如：

--接收和永久地存储配置数据，例如信道、网络标识符、安全密钥、地址信息；

--管理存储器，例如，执行擦除NVM的耗能操作；

--执行发现操作，例如寻找网络、更好的代理或新的信道；

--收集可靠性数据以调整无电池设备的长期行为，例如，存储如检测部件所观察到的、在导致控制成功的无线介质上的分组重新传输的长期平均数目。

从前述角度而言，看起来，与传统无电池设备相反，在一个实施例中，如果期望的能量节省要用于维护数据通信，则根据本发明的无电池设备可包括将无线接口11从传输模式切换至接收模式的部件。实际上，该设备必须处于传输模式中以便向代理设备3传输控制帧，而且，在经由“带外”部件从设备2a、2b和2c接收成功确认后，其必须切换至接收模式以便从代理设备3接收维护数据。这里具体地，“带外”意味着经由不同于无线帧传输的形态提供反馈。此外必须注意，对于无电池设备而言，执行反馈的接收可以没有能量成本或可忽略能量成本。

因为代理设备3接收和处理来自无电池设备的命令帧以及来自受控设备2a、2b、2c的确认，链接到无电池设备1的代理设备3显然得知无电池传输的状态；代理自身可以是由无电池设备控制的物理输出设备。因此，代理可根据无电池帧接收的成功调整其行为。例如，从所有受控设备2a、2b、2c接收确认帧后，代理可切换至传输模式并向无电池设备带内发送配置数据（例如，经由无线通信接口）。因为代理很有可能将仅错过来自无电池设备的再一重新传输，所以即使代理不知道无电池设备是否及时且正确地将带外反馈解译为成功，代理仍可继续。例如，配置数据可包括此后使用（优选地在配置改变已经变为有效之前）的新的操作信道、新的安全密钥、新的网络或设备标识符。此外，在优选实施例中，代理估计无电池设备中剩余的能量的量，并使得其动作（例如，传输至无电池设备的信息量）适应于该能量的量。

此外，在本发明的另一个实施例中，无电池设备可能仅仅能够从代理正确接收配置消息的片段，而非完整的消息。这可能因为无电池设备上剩余的能量的量太少，或因为代理使用的估计ZBLD上剩余的能量的量的估计方法不够精确，或因为干扰或其他传播现象导致的分组恶化。然而，如果片段是足够的，即，如果其允许正确地标识至少一部分字段，则无电池设备可能仍可使用其进行工作，以在下一个操作循环中修改其行为。

可能发生的是，代理设备传输至无电池设备的配置改变，尤其是信道改变，可能在无电池设备能接收它前变为有效。因此，在本发明的一个实施例中，在预定数目的不成功传输之后，无电池设备执行以下步骤：

--在非易失性存储器中存储标志，通知可能的传输信道变化；

--在另一信道上进行进一步的重新传输，以及

--在进一步的重新传输成功的情况下，清除标志并永久地存储新的信道。

在再一实施例中，“带外”传输成功检测的特征可在无电池设备和/或代理上显式地启用或停用。用户可完成这一点来作为无电池设备初始配置的一部分。如果检测到在预定义数目的控制操作之后物理参数未改变，则无电池设备也可能使得缺省启用的特征停用；然后还优选地向代理通知该改变。这将允许无电池设备不在物理参数感测上浪费能量，相反将其全部用于重新传输。

基于上述全部元素，明显地，本发明提出一种方法及无电池设备，其允许克服以下缺点：

--与能量收割的无电池设备之间的单程通信的限制及其后果为：

  --无法接收对无电池设备发送的控制帧的反馈；

  --无法接收配置和维护信息；

  --无法发现网络问题（例如，代理链接的降级，由于网络重新配置引起的网络消失）。

--手动无电池设备重新布置的妨害，尤其在信道改变的情况下；

--代理的多信道操作的妨害；

--由于多个无电池设备不使用合适的信道访问机制进行重新传输而引起的代理无线网络中的分组冲突。

本发明尤其更专注于在无线控制网络中使用，例如照明控制网络，建筑自动化和家庭自动化网络，包括诸如灯开关、光传感器和存在检测器之类的设备。具体地，其可被用于基于IEEE 802.15.4/ZigBee的具有实现了无电池ZigBee协议或ZigBee RF4CE协议的无电池设备的网络中；在基于802.15.6的网络中等。然而，本发明可被应用于任何无线网络中。

在本说明书和权利要求中，在元素之前的词语“一个”不排除多个这类元素的存在。进一步地，词语“包括”不排除那些列明之外的其他元素或步骤的存在。

权利要求中括号内包含的参考记号意图帮助理解而不意图于使其受限。

通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这类修改可涉及无线通信领域已知的及其可被用于替代或添加到此处已描述的特征的其他特征。

Claims (14)

1.一种控制在无线网络中操作的无电池设备（1）的传输的方法，所述方法包括以下步骤：

无电池设备（1）传输控制帧，所述控制帧包括用于控制受控设备（2a）的操作的元素，其中代理设备（3）接收由无电池设备（1）发送的帧并将它们转发到相关的受控设备；

其特征在于：

无电池设备感测由于受控设备（2a）的操作而引起的物理现象的改变已发生还是未发生；

基于感测步骤，无电池设备分别根据所述改变已发生还是未发生，确定所述控制帧传输的成功或失败；

在控制帧传输已失败的情况下，无电池设备重新传输所述控制帧，其中所述无电池设备被配置为执行控制帧的预定数目的计划重新传输，

在所述控制帧传输已成功的情况下，无电池设备忽略控制帧的重新传输；

其中剩余的已收割能量被所述无电池设备用来接收与传输相关联的配置数据，其中所述接收配置数据包括以下步骤：

在感测步骤确定传输成功的情况下，所述无电池设备从传输模式切换为接收模式，

在成功接收来自所述受控设备的确认帧的情况下，所述代理设备（3）从接收模式切换到传输模式，并且经由无线通信接口将配置数据发送到所述无电池设备。

2.如权利要求1所述的方法，包括确定重新传输的数目及其之间的时间间距的初始步骤。

3.如权利要求1或2所述的方法，包括无电池设备收割一定量的能量以执行预定数目的重新传输的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，包括在忽略重新传输时存储剩余的已收割能量以供将来使用的步骤。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述受控设备是控制光条件的设备，且其中无电池设备使用在包括下述的群组中所包括的感测设备执行所述感测步骤：光敏电阻、光电二极管、太阳能电池和自主光强度改变传感器。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中所述受控设备是阀，且其中无电池设备通过经由位于流中的旋转部分供应的电压和/或电流的改变而检测流的改变，从而执行所述感测步骤。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中所述代理设备用于估计所述无电池设备中剩余的能量数量，并使其动作适应该能量数量；或者

如果检测到在预定义数目的控制操作之后物理现象未改变，则无电池设备适于不在物理现象感测上使用能量，相反将能量全部用于重新传输。

8.如权利要求1或2所述的方法，包括无电池设备使用剩余的已收割能量以确定用于传输控制帧的传输信道，并将其永久地存储在存储器中的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，包括无电池设备的以下步骤：

在非易失性存储器中存储关于未成功传输尝试的指示；

在预定数目的连续未成功传输尝试之后，在非易失性存储器中存储标志以通知可能的传输信道改变；

在一个或者多个其他信道上进行后续传输，以及

在任一后续传输成功的情况下，清除所述标志并永久地存储新信道。

10.如权利要求1或2所述的方法，其中感测步骤的执行可被启用或停用。

11.如权利要求1或2所述的方法，所述无线网络是ZigBee网络。

12.一种无线网络中用于控制受控设备（2a，2b，2c）的无电池设备（1），所述无电池设备包括：

无线通信接口（11），用于传输控制帧，所述控制帧包括用于控制受控设备（2a）的操作的元素，其中代理设备（3）被配置为接收由无电池设备（1）发送的帧并将它们转发到相关的受控设备，

其特征在于，所述无电池设备包括：

传感器（10），用于感测由于受控设备（2a）的操作而引起的物理现象的改变已发生还是未发生，并且在于

所述无电池设备被配置用于基于所述传感器的感测，分别根据所述改变已发生还是未发生，确定控制帧传输的成功或失败；

所述无电池设备被配置用于在控制帧传输已失败的情况下，重新传输所述控制帧，其中所述无电池设备被配置为执行控制帧的预定数目的计划重新传输，

所述无电池设备被配置用于在控制帧传输已成功的情况下，忽略控制帧的重新传输；

其中剩余的已收割能量被所述无电池设备用来接收与传输相关联的配置数据，其中在确定传输成功的情况下，所述无电池设备被配置为从传输模式切换为接收模式，在成功接收来自所述受控设备的确认帧的情况下，所述代理设备（3）被配置为从接收模式切换到传输模式，并且经由无线通信接口将配置数据发送到所述无电池设备。

13.如权利要求12所述的无电池设备，其中所述接口根据无电池ZigBee协议实现。

14.如权利要求12所述的无电池设备，其中所述接口根据ZigBee RF4CE协议实现。