CN102870004A - 用于无线传感器网络的网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于无线通信网络、特别是用于无线传感器网络的网络节点，其包括无线通信设备（6）。所述通信设备（6）可以操作在第一通信模式中，在第一通信模式中，所述通信设备以第一发送功率发送第一通信信号，以便与所述通信网络中的其它网络节点（1）进行无线通信。此外，所述通信设备（6）可以操作在第二通信模式中，在第二通信模式中，所述通信设备（6）以第二发送功率发送第二通信信号，以便与转发器（11）进行通信，其中所述第二发送功率大于所述第一发送功率。在所述第一通信模式中，通过所述第一通信信号，可以由所述通信设备（6）检测在所述网络节点（1）的环境中转发器（11）的存在。

Description

用于无线传感器网络的网络节点

技术领域

本发明涉及一种用于无线通信网络的网络节点，特别涉及一种用于无线传感器网络的网络节点，其可以经由通信设备与传感器网络中的其它网络节点进行通信。

背景技术

在无线通信网络中、并且特别是在无线传感器网络中采用的网络节点包括用于与其它网络节点进行无线通信的对应通信设备。因为无线通信网络中的网络节点通常是由以电池或蓄电池的形式的能量存储设备自给自足地操作的，所以通信设备的发送功率通常是低的。因此，网络节点不允许与对应转发器（transponder）进行RFID通信，当进行所述RFID通信时通常采用较高的发送功率，以便经由非接触发送的通信信号而也向转发器提供能量。

在RFID通信设备和转发器之间的近场通信的情境（context）中，从出版物（print）EP 1 820 139 B1中已知通信设备可操作在通信模式以及检测模式二者中。在通信模式中，传统RFID通信经由非接触发送的通信信号而实现，而在检测模式中使用比通信模式中的通信信号更低的发送功率发出检测信号。这里，在通信设备中，提供了用于接收在转发器上反射的检测信号的接收设备，该接收设备评估反射的检测信号，因而检测通信设备周围的限定区域中转发器的存在。

从出版物EP 1 988 487 A1中已知在节能辨识模式中操作IC卡读取设备，直至非接触IC卡接近读取设备为止，从而接着将其改变为用于与IC卡进行通信的通信模式。这里，经由监控在读取设备中采用的振荡器的能量消耗而检测IC卡的存在，其中，在读取设备环境中的IC卡导致振荡器电流的降低。

从US 20080111661 A1中已知用于建立读取设备和位于其读取域中的多个RFID标签之间的通信的节能方法。原则上，RFID标签响应于由读取设备在特定时隙中发出的具有标签识别信息的询问信号。为了减少用于询问过程的能量消耗，读取设备以最低能量开始，增加几个步骤中的询问信号的传输能量，并且因此增加所述询问信号的范围。特别地，读取设备根据存在的RFID标签的数目的估算而确定要选择的能量值。

在US 20070159331 A1中，描述了用于与配备有RFID单元的物体进行通信的方法。RFID单元在第一操作模式中可操作作为无源转发器，并且在第二操作模式中可操作作为有源发送/接收单元。对于第二操作模式，RFID单元具有其自身的本地电源（energy supply）（例如以电池的形式）。原则上，RFID单元操作在第一操作模式中。仅当发生特定事件时，操作模式改变为第二操作模式，以便节约能量储备。

发明内容

本发明的目的是使得无线通信网络中的网络节点与通信网络的其它网络节点、以及与网络节点环境中的转发器这二者可以进行高能效通信。

通过根据专利权利要求1的网络节点和根据专利权利要求8的方法实现这个目的。在从属权利要求中限定了本发明的进一步发展。

根据本发明的网络节点（优选地是用于无线传感器网络的传感器网络节点）包括可操作在第一通信模式和第二通信模式中的通信设备。在第一通信模式中，通信设备以第一发送功率发出用于与通信网络中的其它网络节点进行无接触通信的第一通信信号。第一通信模式因此对应于无线通信网络中的网络节点的传统操作模式。这里的第一发送功率低于传统所采用用于RFID通信的发送功率。特别地，第一发送功率在0.001和0.1瓦特之间。

此外，通信设备可操作在第二通信模式中，在该第二通信模式中，通信设备以第二发送功率发出用于与转发器进行通信的第二通信信号，该第二发送功率高于第一发送功率并且使得可以进行RFID通信。优选地，第二发送功率在0.5和4瓦特之间。这里，根据本发明的网络节点的通信设备的特征为：使得可以通过第一通信模式中的第一通信信号，检测转发器的存在。因此，第一通信信号不仅承担（assume）了在通信网络中的网络节点之间的通信传输的任务，而且它们也用作用于检测网络节点的环境中转发器的存在的对应检测信号。

在特别优选的实施例中，基于出版物EP 1 820 139 B1的方法而实现对转发器的存在的检测。因此，通过引用将此公布的全部公开合并于本申请。在此处描述的方法中，为了检测转发器的存在，采用了用于接收在转发器上反射的检测信号的接收设备，其中，接收设备可以评估所反射的检测信号，以便检测限定区域中转发器的存在。根据本发明，现在通过第一通信模式中的第一通信信号表示这些检测信号。

在根据本发明的方法的变型中，除了对转发器的存在的检测之外，接收设备还承担了在第一通信模式中对由其它网络节点发出的第一通信信号的评估，以便提取第一通信信号中包含的其它网络节点的信息。可选地，对于该评估，也可以采用一个或多个独立的接收设备。

在又一实施例中，为了检测转发器的存在而采用的接收设备也评估在第二通信模式中从转发器反射的第二通信信号，以便在第二通信信号中提取由转发器发送的信息。可选地，也可以采用一个或多个另外的接收设备，用于接收以及评估第二通信信号。

为了使得可以以简单的方式将第一通信信号用作检测信号，在优选的实施例中，由通信设备用调制方法调制第一通信信号。经由该调制，特别地，可以确知（ascertain）第一通信信号是从转发器反射的通信信号、还是来自不同网络节点的通信信号。作为调制，这里优选地使用频率和/或相位调制，其中信号的幅度是恒定的，并且因此使得可以基于所反射的第一通信信号的信号强度检测转发器。

在根据本发明的网络节点的又一配置中，配置通信设备以使得当检测到转发器的存在时，实现从第一发送功率到第二发送功率的改变。这意味着由此实现从第一通信模式到第二通信模式的转变。在第二通信模式中，通信设备接着充当用于所检测的转发器的RFID读取设备。这里，优选地，从第一通信模式到第二通信模式的转变仅是临时的。特别地，在由于检测到转发器的存在而导致从第一发送功率到第二发送功率的改变之后，当预定的时间段已经期满、和/或在第二通信模式中与转发器进行的通信完成、和/或转发器不再在通信设备的范围内时，再次实现到第一发送功率的改变。

在根据本发明的方法的又一配置中，特别地，使得可以进行第一通信模式内的节能操作。特别地，这里，用于第一通信模式的第一发送功率比第二发送功率低至少十的一次幂（one power of ten），其中，第一发送功率优选地在0.001和0.1瓦特之间，并且第二发送功率优选地为1瓦特或更大，并且特别地约为2瓦特。

在另一个特别优选的实施例中，经由通信设备生成的第一和/或第二通信信号具有UHF频率范围内或微波范围内的频率。

如已经提到的，第一通信模式中的通信以尽可能节能的方式发生。这也可以通过在第一通信模式中在不耦接（couple）电力传输的情况下发出第一通信信号来实现，这使得很低的发送功率成为可能。另一方面，第二通信信号也使得转发器的电源成为可能。

除了上述网络节点之外，本发明还包括无线通信网络、特别是传感器网络，具有多个可以彼此进行无线通信的网络节点，其中，通信网络包括一个或多个根据本发明的网络节点，特别是仅仅包括这种网络节点。

此外，本发明涉及用于检测在无线通信网络、特别是在无线传感器网络中的网络节点的环境中转发器的存在的方法。在此方法中，网络节点的通信设备以比为了与转发器进行通信而所需的发送功率低的发送功率，发出用于与其它网络节点进行无接触通信的第一通信信号。这里，通过第一通信信号检测网络节点的环境中转发器的存在。这里的检测再次可以被配置为类似于上述出版物EP 1 820 139 B1中所述的方法。此外，该方法优选地在上述网络节点中使用，该网络节点使得在第一通信模式和第二通信模式中的操作成为可能，其中，在第一通信模式中发出第一通信信号，并且在第二通信模式中，基于第二通信信号，以增加的发送功率进行与检测到的转发器的通信。

附图说明

下面，参考附图而详细描述本发明的实施例。

图1示出传感器网络中的传感器网络节点的本身已知的结构，在该传感器网络中可以整合（integrate）基于本发明的通信设备。

图2示出根据本发明的被整合在传感器网络节点中的通信设备的实施例的示意图。

具体实施方式

图1在示意图中示出网络节点1的本身已知的结构，以下将网络节点1称为用于在无线传感器网络中使用的传感器网络节点，该无线传感器网络包括几个另外的传感器网络节点1。传感器网络节点1包括传感器2，可以用该传感器2测量传感器2的环境中的某些量，诸如温度。经由A/D转换器3以及带有对应的存储器5的处理器4以适当的方式处理经由传感器2捕获的数据，以便接着经由收发器6（即发送和接收单元）将该数据作为无线通信信号而发送到传感器网络中。这些通信信号接着可以由传感器网络节点1的范围内的其它传感器网络节点接收并处理。这里，传感器网络中的每个传感器网络节点能够在其广播范围内建立到其它传感器网络节点的通信连接，并发出和接收通信信号。

对于传感器网络节点1的各个组件2至6的操作，提供本地能量存储设备7，其可以被配置为电池或蓄电池，并将电力提供给组件2至6。在传感器网络节点1之间发送的通信信号仅为通信传输服务，而不实现电力传输，因为这是在RFID读取设备和无源转发器之间的通信时的RFID系统中的情况。因此，收发器6的发送功率为低，并且甚至使具有本地能量存储设备7的传感器网络节点1的长期操作成为可能。典型地，用于与其它传感器网络节点1进行通信的发送功率比相同频率范围内的传统RFID读取设备的发送功率低至少十的一次幂，并且优选地低十的几次幂。作为传感器网络中用于发出或接收通信信号的频率范围，适当的是例如466/868/915 MHz或2.4GHz。由此，依赖于所采用的无线电技术（蓝牙、WiFi、ZigBee等），可以实现从10m到200m的用于各个传感器网络节点的室内范围。

在图1的传感器网络节点中，除了上述组件之外，还表示了由虚线框指示的可选组件。在适当情况下，也可以提供电源8等，通过电源8，传感器网络节点1与能量网络连接，使得传感器网络节点1不仅依赖于本地能量存储设备7。特别地，电源8也可以具有独立自给自足的形式，优选地为再生能源，其例如基于太阳能电池、热元件、压电晶体、发电机装置等等。在适当情况下，也可以提供定位系统9和移动化（mobilization）单元10。使用定位系统9，可以定位能够在房间中的任何地方设立的传感器网络节点1的位置。移动化单元10使得能够实现可以在房间中独立地移动的传感器网络节点1。图1的传感器网络节点1、或基于其的传感器网络可以用于各种目的，例如在建筑监管的情境中、或用于建筑中的气候控制，其中，传感器网络节点1的各个传感器的数据在传感器网络节点1之间无线地交换，并且，基于其而实现对适当的操纵变量的对应控制。

图1的传感器网络节点中所采用的收发器6是短程无线电设备（SRD=短程设备），其配备有有源无线电发送器，并且可以基于高频电磁场而独立地发射通信信号。

根据本发明，已经发现以用于与其它传感器网络节点1进行通信的低发送功率发出的通信信号（以下也被称为第一通信信号）也可以用作检测信号，以便检测在传感器网络节点1的响应范围中转发器11的存在，如图2所指示的。在已经辨识到转发器11之后，传感器网络节点1接着可以以用于与检测到的传感器11进行RFID通信的更高的发送功率发出第二通信信号。为了使其成为可能，通过使得可以基于第一通信信号检测转发器11的检测设备，以适当方式扩展传感器网络节点1中的传统转发器6。

图2示出通过上述检测设备扩展的、并且根据本发明用作图1的传感器网络节点中的收发器6的通信设备的示意图。这里，通信设备6的功能模式对应于根据EP 1 820 139 B1的通信设备，然而，现在不生成用于检测转发器的独立检测信号，而是使用上述第一通信信号用于这个目的。

根据图2，通信设备6包括发送器12，其可操作在第一通信模式和第二通信模式中。在第一通信模式中，以第一发送功率发出用于与其它传感器网络节点进行通信的第一通信信号。这里，发送器12与定向耦合器15耦接，所述定向耦合器15经由天线16基于第一信号路径发出第一通信信号。定向耦合器15也具有第二信号路径，经由所述第二信号路径将由天线16接收的通信信号馈送到定向耦合器15中，并且所述通信信号到达接收器13。在图2的实施例中，该接收器13承担了第一通信模式中的第一通信信号的接收和评估、以及第二通信模式中的第二通信信号的接收和评估这二者，其中，该第二通信模式表示转发器和通信设备6之间的近场通信，在这种情况下所述通信设备6操作作为RFID读取设备。在图2中用标号11指示与通信设备6进行通信的转发器。此外，为了示出通信设备6是传感器网络的一部分的事实，指示了通信设备6的范围中的另一个传感器网络节点1。

通信设备6还具有控制单元14，其与发送器12和接收器13这二者均耦接。经由控制单元14，控制通过发送器12和接收器13的通信信号的发出和接收。特别地，控制单元14基于来自接收器13的切换信号，将发送器12和接收器13从第一通信模式切换为第二通信模式，并且反之亦然。在第一通信模式中操作时，发送器12经由定向耦合器15以低发送功率发出第一通信信号，特别地，该第一通信信号涉及包括由其传感器确知的传感器数据的信息。类似地，接收器13接收由其它传感器网络节点1发出的第一通信信号，并且可以以适当的方式读出其中包含的信息。

此外，通过检测设备的功能扩展接收器13，所述检测设备被构造为类似于出版物EP 1 820 139 B1中所述的检测设备。这里，接收器13也分析所接收的第一通信信号是否是从转发器11反射的由发送器12先前发出的通信信号。为了支持反射的辨识，为此目的而用适当的调制方法得当地调制由发送器12生成的第一通信信号。优选地，使用频率和/或相位调制，其幅度是恒定的，并且因此使得可以经由对所反射的信号的信号强度的估算而检测转发器11。

只要在天线16附近不存在转发器，接收器13就记录实质上恒定的、反射的第一通信信号，其通过由天线16发出的电磁波在天线的环境中的物体上反射而生成。当转发器11向着天线16接近时，所反射的第一通信信号的信号强度增加。当由发送器12生成具有转发器11的响应频率范围内的频率的第一通信信号时，这个增加特别显著，在该响应频率范围内通常也进行与转发器11的通信。在该响应频率范围中（其例如位于860MHz到930MHz之间），转发器11具有特别高的后向散射截面。因此，当所反射的第一通信信号的所记录的信号强度超过指定值或者突然改变时，接收器13检测在通信设备6的范围中转发器1的存在。

因而，接收器13使得来自其它传感器网络节点1的这种第一通信信号的评估、以及经由发送器12发出且从转发器11反射的这种第一通信信号的评估二者都成为可能，以便基于评估而检测在传感器网络节点的环境中转发器11的存在。与转发器11的数据交换在检测时尚未实现，并且甚至在第一通信模式中是不可能的，因为发送功率不足。

如果检测到转发器11的存在，则接收器13将切换信号赋予控制单元14，该控制单元14接着将发送器12和接收器13切换为第二通信模式，其使得在RFID通信内可以进行在通信设备6和转发器11之间的数据交换。在第二通信模式中，发送器12的发送功率增加为RFID通信所需的值。用所增加的发送功率接着发出第二通信信号，用该第二通信信号不仅可以在通信设备6和转发器11之间交换信息，也可以将能量提供给转发器11。这里，对于从转发器11到通信设备6的数据传输，依赖于要发送的数据而调制（未示出的）转发器天线的后向散射截面。

这里仅在转发器11的检测之后的有限的时间内实现发送器12的发送功率的增加。如果完成与转发器11的通信、或者转发器11离开通信设备6的响应范围，则发送功率降低回到用于第一通信模式中进行通信的量。

根据图2的实施例，通过一个单独的接收器13，进行对转发器11的存在的检测、以及为了提取第一和/或第二通信信号中包含的信息而对第一和/或第二通信信号的评估这二者。然而，在适当情况下，也可以将这些功能分布到多于一个接收器。特别地，可以将一个接收器13配置为仅用于检测转发器11的存在，可以采用一个或多个另外的接收器用于评估来自不同传感器网络节点或转发器的通信信号。此外，也可以将独立的发送器用于发出第一通信信号和第二通信信号。特别地，在适当情况下，第一通信信号的频率也可以不同于第二通信信号的频率。

如上所述，根据本发明的为了在传感器网络节点1中使用的通信设备的实施例具有许多优点。特别地，使得可以进行对位于传感器网络节点1的传输范围中转发器11的存在的可靠检测，而不需要为了辨识处理而实现与转发器11的数据内容交换，使得不需要对应的电力传输。当检测转发器11的存在时，通过发送出的第一通信信号实现对应的传感器网络节点1的能量平衡的改善，所发送出的第一通信信号通过适当调制同时作为检测信号，而无需附加的能量付出，其中，接收并评估从转发器11反射的检测信号，用以检测转发器11。这里，传感器网络节点1的特性是，传感器网络节点1的发送器12的用于与其它传感器网络节点进行通信的发送功率低于用于与转发器进行RFID通信的发送功率。

Claims (8)

1.一种用于无线通信网络、特别是用于无线传感器网络的网络节点，包括无线通信设备（6），其中：

-所述通信设备（6）能够操作在第一通信模式中，在所述第一通信模式中，所述通信设备（6）以第一发送功率发出用于与所述通信网络中的其它网络节点（1）进行非接触通信的第一通信信号；

-在所述通信设备（6）中，提供了接收设备（13），用于接收在转发器（11）上反射的第一通信信号，其中，所述接收设备（13）能够评估所反射的第一通信信号，以便检测在所述网络节点（1）周围的限定区域中所述转发器（11）的存在；

-所述通信设备（6）能够操作在第二通信模式中，在所述第二通信模式中，所述通信设备（6）以第二发送功率发出用于与转发器（11）进行通信的第二通信信号，其中所述第二发送功率大于所述第一发送功率；

-所述通信设备（6）被配置为使得当已经检测到转发器（11）的存在时，实现从所述第一发送功率到所述第二发送功率的改变。

2.如权利要求1所述的网络节点，其特征为，所述接收设备（13）和/或至少一个其它接收设备在所述第一通信模式中可以评估由其它网络节点（1）发出的所述第一通信信号，以便提取所述第一通信信号中包含的信息，并且，所述接收设备（13）和/或至少一个其它接收设备还能够在所述第二通信模式中评估从转发器（11）反射的所述第二通信信号，以便提取所述第二通信信号中由所述转发器（11）发送的信息。

3.如权利要求1至2中任意一项所述的网络节点，其特征为，所述通信设备（6）被配置为使得所述通信设备（6）通过调制方法调制由此发出的所述第一通信信号。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的网络节点，其特征为，所述通信设备（6）被配置为使得在由于检测到转发器（11）的存在而导致从所述第一发送功率到所述第二发送功率的改变之后，当预定的时间段已经期满、和/或在所述第二通信模式中与所述转发器（11）进行的通信完成、和/或所述转发器不再在所述通信设备的范围内时，再次实现到所述第一发送功率的改变。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的网络节点，其特征为，所述第一发送功率比所述第二发送功率低至少十的一次幂，其中，所述第一发送功率优选地在0.001和0.1瓦特之间，并且所述第二发送功率优选地为1瓦特或更大，特别地约为2瓦特。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的网络节点，其特征为，所述通信设备（6）被配置为使得在所述第一通信模式中在没有与电力传输耦接的情况下发出所述第一通信信号，而在所述第二通信模式中能够经由所述第二通信信号将能量提供给所述转发器（11）。

7.一种无线通信网络、特别是传感器网络，具有多个能够彼此进行无线通信的网络节点（1），其中所述通信网络包括一个或多个根据权利要求1至6中任意一项所述的网络节点。

8.一种用于检测在无线通信网络、特别是在无线传感器网络中的网络节点（1）的环境中转发器（11）的存在的方法，其特征为，所述网络节点（1）的通信设备（6）以比为了与转发器（11）进行通信所需的发送功率低的发送功率，发出用于与其它网络节点（1）进行非接触通信的第一通信信号，其中通过所述第一通信信号检测所述网络节点（1）的环境中转发器（11）的存在。

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