CN105407534A - 所连家庭的无线传感器网络中处理不同类型生活方式和生活安全业务的多态性和优先级反转 - Google Patents

所连家庭的无线传感器网络中处理不同类型生活方式和生活安全业务的多态性和优先级反转 Download PDF

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CN105407534A CN201510696557.8A CN201510696557A CN105407534A CN 105407534 A CN105407534 A CN 105407534A CN 201510696557 A CN201510696557 A CN 201510696557A CN 105407534 A CN105407534 A CN 105407534A
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Abstract

一种系统，包括：控制面板，其具有第一和第二无线收发器；控制面板的信标处理器，其通过第一收发器传输信标，所述信标定义重复的超帧，所述重复的超帧具有第一时间段和第二时间段；多个无线设备，其在超帧的相应TDMA时隙内与控制面板交换消息；以及控制面板内的接入处理器，其基于多个无线设备的状态而动态调整第一和第二时间段的相对大小以减少或排除由便携式用户设备的WiFi接入，其中第二时间段的使用是在IEEE？802.11和IEEE？802.15.4协议下多态的，并且其中第一和第二时间段的相对优先级在控制面板与控制面板的其他设备之间的传输期间被反转。

Description

所连家庭的无线传感器网络中处理不同类型生活方式和生活安全业务的多态性和优先级反转
技术领域
本发明的该领域涉及传感器系统，并且更具体地涉及联网的传感器系统。
背景技术
系统被已知为检测受保护的区域内的威胁。威胁可能基于对人类安全或安全性的多个不同风险中的任何一种(例如火情、一氧化碳、未授权的入侵者等)。
安全性系统典型地基于检测区域内特定威胁的一个或多个传感器的使用。所述传感器可以是固定设备和/或移动设备，诸如FOB。例如，火情、烟雾和/或入侵检测器可分布遍及受保护的区域以便通过对火情或入侵的早期检测而减轻损害。传感器可以是受监督的或未受监督的。
在大多数情况下，传感器可由控制面板监视。在传感器之一被激活的情况下，控制面板可激活本地听觉警报以警告所述区域中的占有者关于威胁。控制面板还可向中央监视站发送警报消息。诸如密钥卡(keyfob)之类的便携式设备可用于向控制面板发送紧急告警(例如应急警报、医疗告警、警察等)，并且还向控制面板发送命令(例如戒备(arm)、取消戒备(disarm)等)。该控制面板还可包括小键盘和听觉警报器(siren)。
在工业或公共空间的情况下，安全性系统可覆盖大面积并包含数百或甚至数千传感器。为了适应这样大数量的设备，控制面板和传感器可经由无线接口相连接。
然而，安全性系统通常难以建立并与这样大数量的传感器一起使用。因此，存在对于维持无线安全性系统的控制面板、传感器以及中央监视站之间联系的更好的方法的需求。
附图说明
图1图示根据其的安全性系统的框图；
图2描绘了诸如图1的联网系统中使用的多学科(multidisciplinary)技术和协议的系统架构；
图3描绘了可由图1的系统所使用的超帧；
图4描绘了可以与图1的系统一起使用的传感器和WiFi设备的无线网络拓扑。
具体实施方式
虽然所公开的实施例可采取许多不同形式，但是其特定实施例在附图中示出并将在此详细进行描述，其中应理解的是本公开应被视为其原理的范例以及实践该原理的最佳模式，并不意图将本申请或权利要求限制到所说明的特定实施例。
图1是通常根据所说明的实施例示出的安全性系统10的框图。安全性系统内可包括针对威胁而监视受保护的区域16的一个或多个无线传感器12、14。
所述传感器可基于许多不同感测技术中的任一种。例如，传感器中的一个或多个可以是火情、烟雾或气体检测器。传感器中的一些其他传感器可以是入侵检测器。还可向传感器提供相应的听觉或视觉告警设备15，其向人类占有者警示危险。安全性系统还可包括其他无线设备，诸如密钥卡或小键盘。
传感器可以被监视以供由包含无线电装置或网关的控制面板18激活。控制面板可如图1所示位于受保护的区域内，或可位于远离受保护的区域。
当激活传感器中的一个时，该控制面板可向中央监视站20发送警报消息。该警报消息可包括安全性系统的标识符(例如帐号，地址等)、传感器类型的标识符、传感器的系统或区标识符以及传感器的激活时间。
中央监视站可通过召唤合适的帮助进行响应。例如，如果传感器被确定是火情传感器，则中央监视站可召唤本地消防部门。另一方面，如果传感器被标识为是入侵传感器，则中央监视站可召唤警察。
所有传感器可经由无线接口耦合到控制面板。在这方面，控制面板内的射频(rf)收发器22、48以及每个传感器可一起形成无线接口的一部分，其允许每个传感器与该控制面板交换消息。
安全性系统还可包括一个或多个无线密钥卡(fob)24和/或无线小键盘24，其用于控制安全性系统的状态(例如有戒备的、取消戒备的、远处戒备的(armedaway)等)。每个密钥卡可包括用户接口(例如按钮和LED指示器等)以及允许每个密钥卡与控制面板交换控制消息的无线rf收发器。小键盘也可包括用户接口(例如键盘和显示器)和允许每个小键盘与控制面板交换控制消息的无线rf收发器。
受保护的区域内还可包括一个或多个便携式无线设备(例如iPhone、安卓设备等)26。便携式设备26可与一个或多个其他设备28通过互联网30在合适的格式(例如TCP/IP等)下交换数据。如此处使用的，便携式设备26被称为“生活方式(lifestyle)应用”，而传感器12、14、24被称为是“生活安全(lifesafety)应用”。
便携式无线设备26可经由位于受保护的区域内的一个或多个WiFi收发器42通过互联网交换信号。WiFi收发器可经由家庭(home)路由器46以及控制面板与本地互联网服务提供者之间的硬接线连接而耦合到本地互联网服务提供者。
在控制面板、传感器、密钥卡和便携式无线设备内包括控制电路，所述控制电路还可以包括一个或多个处理器装置(处理器)32、34，其均在从非临时性计算机可读介质(存储器)40加载的一个或多个计算机程序的控制下操作。如此处使用的，对由计算机程序所执行的步骤的引用也是对执行该步骤的处理器的引用。
控制面板内可包括一个或多个通信处理器，其定义了用于控制面板、传感器、密钥卡和便携式无线设备之间的通信的超帧。
可由第一和第二时间段定义超帧。可将第一时间段划分成在预定时间段内重新发生(re-occur)的许多时分多址接入(TDMA)时隙。第一时间段的时隙中的至少一些可被保留以供在6LowPan/IPv6/IoT或IEEE802.15.4协议下的传感器和/或密钥卡的至少一些中的每一个使用。
超帧的第二时间段可被保留以供在IEEE802.11或WiFi协议下的便携式无线设备使用。图1示出了两个收发器22、42(一个用于6LowPan/IPv6/IoT协议，并且一个用于IEEE802.11协议)。
图2示出了安全性系统的更一般化的框图。在图2中，家庭路由器与控制面板分离。
如图2所示，(图1中所示的传感器12、14中的)至少一些传感器50通过第一收发器22在IEEE802.15.4协议下直接与控制面板进行通信。其他传感器(诸如IP摄像机(示出为图2中的组52的部分)或WiFi摄像机(示出为图2的组54的部分))通过家庭路由器46在IEEE802.11b/g/n协议下与控制面板进行通信。来自网络52中的WiFi摄像机中的一个或多个的视频流可经由家庭路由器而被流式传输到入侵面板18的显示器上。在该情况下，2.4GHz带宽将在使用IEEE802.15.4/6LowPAN/IoT协议在该带宽上操作的传感器以及使用IEEE802.11协议在该带宽上操作的WiFi设备之间共享。
图3描绘了图1的系统内使用的超帧100的示例。该超帧是多学科的，这是因为其支持诸如IEEE802.15.4、6LowPan之类的标准，并且还促进与诸如IEEE802.11和基于ZigBee的系统之类的其他系统共存。在这方面，家庭路由器46进行操作以在控制面板的处理器和FOB和PD和传感器的至少一些之间路由消息。
虽然第二时间段通常用于WiFi业务，但它是多态的，因为它还可用于IEEE802.15.4业务。这将在以下更详细描述。
如所示，超帧的第一时间段包括：用于信标的时隙102、保留用于在传感器与控制面板之间以及密钥卡和控制面板之间在IEEE802.15.4和6LowPAN协议下交换消息的第一组时分多址接入(TDMA)时隙104、106、108、110。定义超帧的第二时间段110的第二组时隙112、114通常被指定用于在WiFi协议下在便携式无线设备与互联网之间交换消息。
该帧可体现为跨传感器和协调器分布的许多时间阈值，其标识超帧内的各种标记的位置。例如，时隙102可由起始时间(即，零秒)和结束时间(例如5毫秒)来标识。类似地，每个时隙的起始和结束时间可由它们从超帧的起始的偏移来定义。此外，帧文件还可包括被允许使用每个时隙的设备的类型的标识符以及可在任何时隙中传输的消息的类型的指示器。
该信标标识超帧的起始点并包含由信标处理器定义和填充的多个数据字段。数据字段可包括用于帧信息的第一字段以及一个或多个控制时隙。
系统中的每个设备(例如传感器、密钥卡等)具有短地址和IPv6(6LowPan)地址以及MAC标识符(MACID)。寻址系统促进在物联网(IoT)概念下由任何可兼容IPv6的设备对传感器和密钥卡的访问。这允许传感器被相应的处理器布置成如图4所示的星形或树形网络，但不布置成网格网络。
控制面板的状态(例如有戒备的、取消戒备的、困难(trouble)等)作为信标净荷(payload)的部分而被承载。此外，如果需要的话，可在6LowPAN/802.15.4协议下的相应时隙内承载面板状态的详细指示器。
可由控制面板的消息处理器使用信标的控制时隙以基于最终设备的IEEE802.15.4地址而使用单播、多播或广播格式将请求消息从控制面板发送到最终设备(例如传感器、密钥卡等)。
在超帧的第一组时隙内，第一部分106被保留用于控制面板和传感器之间.的警报、状态和监督消息。由于警报、状态和监督消息具有有限数据大小，IEEE802.15.4分组格式被对应的分组处理器用来使这些消息的播放时间(airtime)最优化。该协议支持适应要求更大范围的场景所需的星形或树形拓扑。
通常，来自控制面板的网络信息基于用于单信道操作的动态PAN-ID和802.15.4信道号。符合该信息的传感器和/或密钥卡可以在激活之后立即自动向控制面板注册。每个传感器的最终设备委托(commissioning)可基于公共秘密消息加密密钥以及最终设备唯一的MAC-ID。
传感器可基于该信息而将其自身布置到星形或树形拓扑中，所述星形或树形拓扑包括协调器、中继器以及一个或多个最终设备。父和子设备之间的分组交换可使用部分110、112而不是104、106、108和114的一个或多个时隙而发生。协调器和最终设备之间的DNA简档传输(即传感器标识出它是什么)和配置事务可被用于促进将这些设备布置到星形或树形拓扑中。
对于距控制面板过远的最终设备来说，该协调器将转发该信标。
到控制面板的警报、状态和监督消息可导致协调器和最终设备之间的双向通信。可使用网络密钥来完成针对每个消息的空中安全加密通信。
从传感器到控制面板的警报消息可经由第二部分106的时隙之一来完成。在该情况下，激活的传感器可在发生事件(例如火情、入侵等)时唤醒。传感器内的警报处理器可检测到该事件，组成警报消息，与其超帧信标进行同步，基于帧文件而识别出时隙，并在该超帧内的对应位置处传输警报消息。TDMA超帧的每个时隙可包括用于传输经加密的分组的充足的时间加上用于来自父级的MAC级ACK消息的足够的时间。
如果传感器在第一部分106的时隙内没有接收到ACK消息，则传感器的警报处理器可在载波感测多路访问和碰撞避免CSMA/CA算法/机制下重新发送该警报消息。在该情况下，激活的传感器可通过首先尝试感测其他而选择部分104、108之一内的时隙。如果没有检测到其他用户，则该传感器可在所选择的时隙内向控制面板重传警报消息。
WiFi设备可在时间段110到112和/或114中操作。可基于超帧的结束处的时隙可用性而发送在该协议下操作的设备的选通(strobe)。可替换地，WiFi设备可经由硬接线信号进行同步。
图1的系统在仅单个信道上操作。例如，生活方式和生活安全应用可使用相同2.4GHzISM频带中的重叠或非重叠频率。该信道上的业务可包括音频、视频、警报数据或其它高容量业务，诸如固件升级、JPEG或网页。对于不同类型的应用，该业务是不同的，且需要不同的带宽。例如，视频/音频需要兆字节范围中的带宽，而警报数据仅需要几个字节。
另一方面，通过单信道发送数据的不同应用具有不同的优先级。例如，警报数据不能被推迟，并且在生活安全的上下文中必须立即被发送。来自图2所示的IP摄像机的数据的视频流式传输将实时发生，而JPEG数据将不实时发生，并且能够被延迟。
系统的等待时间要求也是不同的。例如，UL标准要求警报在几秒内被转发到控制面板。另一方面，固件升级可被推迟，并且能够在涉及多个小时的时段内发生。
在现有技术系统中，2.4GHz网络用于生活方式应用，而使用低于GHz(sub-GHz)的网络(例如868MHz、902MHz等)处理生活安全应用。因此，对于现有技术应用而言不需要在生活方式和生活安全应用之间共享其带宽，这是因为每个具有其自己的操作区域(不同的操作频率)和专用带宽。
图1系统的超帧可通过发现在启动期间动态地进行调整。例如，第一时间段(即802.15.4时间段)可通过量度(dimensioning)处理器基于向该系统登记的传感器的数量以及通过基于所登记的传感器而确定的时隙的成比例的数量来确定。
类似地，第二或802.11时间段可经由发现处理器来确定。例如，处理器可首先使用发现机制来确定系统中的WiFi摄像机的数量，然后是802.11b、g或n类型摄像机的数量。接下来，处理器可查询摄像机以确定一组操作特性(例如每秒帧数(fps)、分辨率等)。每个摄像机的全带宽可被组合以提供对第二时间段的估计。然后第一和第二时间段可被组合，并与最小响应相比较以确定是否任何额外或剩余时间可用。剩余时间可被传感器用于警报的重传。
应注意的是，由于所有摄像机将同时进行传输是高度不可能的，摄像机的实际数据传输时间可能并不占用第二时间段的全部。因此，有用的多态方法可在第二时间段内实施，其中相同时间片段由调度处理器使用以处理不同类型的数据。例如，处理器可临时(或半永久地)地调度第二时间段的一部分以用于在802.15.4网络之上注册(enroll)或再注册(re-enroll)传感器。类似地，该处理器可保留第二时间段的一部分以用于其他高容量业务(例如JPEG、对传感器的固件升级等)。在所有情况下，WiFi业务是不允许的，并且802.15.4业务具有较高的相对优先级。虽然多态性(polymorphism)可被看作为用于802.15.4数据的第二时间段的使用，多态性还可被看作对第一和第二时间段之间的边界进行移位。
在系统内可实施任何使用情况。在一个实施例下，优先级处理器可控制多态性的优先级。在一些条件下，第二时间段将用于生活方式应用以发送和接收生活方式数据。然而，在其他802.15.4业务的情况下(例如基于6LowPAN的请求/响应或空中/网络下载(OND)，第二时间段的全部或部分将被窃取以由802.15.4系统来使用。
在安全性警报、从控制面板到中央监视站的传输的情况下，优先级被反转(invert)。在该情形下，WiFi数据(通常被给予低优先级)的传输被给予最高优先级。例如，如果控制面板需要经由WiFi传输向中央监视站发送警报消息，则该传输将被给予甚至高于其他802.15.4数据的优先级。类似地，如果由控制面板从WiFi摄像机接收警报，则802.15.4数据的优先级将被反转，且从WiFi摄像机到控制面板的WiFi视频/音频被给予最高优先级。
通常，该系统可包括控制面板，其具有在IEEE802.15.4或等同协议下操作的第一无线收发器以及在IEEE802.11协议下操作的第二无线收发器，其中第一和第二无线收发器可在重叠或非重叠射频(RF)频带或信道上操作，并且其中第二无线收发器间或地(occasionally)向便携式用户设备提供WiFi接入；控制面板的信标处理器，其通过第一收发器传输信标，所述信标定义重复的超帧，所述重复的超帧具有被划分成多个时分多址接入(TDMA)时隙的第一时间段以及用于WiFi接入的第二时间段；控制面板的多个位于远程的无线设备，每个具有无线收发器，其中多个无线设备中的至少一些在RF信道上在超帧的相应TDMA时隙内与控制面板交换消息；以及控制面板内的接入处理器，其基于多个无线设备的状态而动态调整第一和第二时间段的相对大小以减少或排除由便携式用户设备的WiFi接入，其中第二时间段的使用是在IEEE802.11和IEEE802.15.4协议下多态的，且其中第一和第二时间段的相对优先级在控制面板与控制面板的其他设备之间的传输期间被反转。
可替换地，该系统可包括控制面板，其具有在IEEE802.15.4或等同协议下操作的第一无线收发器以及在IEEE802.11协议下操作的第二无线收发器，其中第一和第二无线收发器在重叠或非重叠射频(RF)频带或信道上操作；控制面板的信标处理器，其通过第一收发器传输信标，所述信标定义重复的超帧，所述重复的超帧具有其中由控制面板在IEEE802.15.4协议下处理消息的第一时间段，以及其中可以在IEEE802.11协议下处理消息的第二时间段；控制面板的多个位于远程的无线设备，每个具有无线收发器，其中多个无线设备中的每一个在第一时间段期间在RF信道上在超帧的相应的时分多址接入(TDMA)时隙内与控制面板交换消息；以及控制面板内的接入处理器，其动态地调整第一和第二时间段的相对大小，其中第二时间段的相对大小的调整基于多个无线设备的状态而影响通过外部便携式用户设备对RF信道的独立使用，其中由控制面板和多个无线设备对第二时间段的使用是在IEEE802.11和IEEE802.15.4协议下多态的，且其中第一和第二时间段的相对优先级在控制面板与控制面板的其他设备之间的传输期间被反转。
可替换地，该系统可包括保护受保护的区域的安全性系统；安全性系统的控制面板，该控制面板具有在IEEE802.15.4或等同协议下操作的第一无线收发器以及在IEEE802.11协议下操作的第二无线收发器，其中第一和第二无线收发器在重叠或非重叠射频(RF)频带或信道上操作，并且其中第二无线收发器间或地且独立地向便携式用户设备提供WiFi接入；控制面板的信标处理器，其通过第一收发器传输信标，所述信标定义重复的超帧，所述重复的超帧具有被划分成多个时分多址接入(TDMA)时隙的第一时间段以及第二时间段；控制面板的多个位于远程的无线传感器设备，传感器设备均具有无线收发器，其中多个无线设备中的至少一些在RF信道上在超帧的相应的TDMA时隙内与控制面板交换消息；以及控制面板内的接入处理器，其基于多个无线传感器设备的状态而动态地调整第一和第二时间段的使用以减少或排除由便携式用户设备的独立的WiFi接入，其中第二时间段的使用是在IEEE802.11和IEEE802.15.4协议下多态的，且其中第一和第二时间段的相对优先级在控制面板与控制面板的其他设备之间的传输期间被反转。
从前文中将观察到可以在不脱离其精神和范围的情况下实施各种变形和修改。应理解的是，意图不在于或不应当推断出关于在此说明的特定装置的限制。当然，意图在于由所附的权利要求涵盖如落入权利要求的范围内的所有这样的修改。另外，附图中所描绘的逻辑流程并不要求所示出的特定次序、或顺序次序来实现期望的结果。可提供其他步骤，或者可从所描述的流程中去除步骤，并且向所描述的实施例添加或从中移除其他组件。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
控制面板，其具有在IEEE802.15.4或等同协议下操作的第一无线收发器以及在IEEE802.11协议下操作的第二无线收发器，其中第一和第二无线收发器在重叠或非重叠射频(RF)频带上操作，并且其中第二无线收发器间或地向便携式用户设备提供WiFi接入；
控制面板的信标处理器，其通过第一收发器传输信标，所述信标定义重复的超帧，所述重复的超帧具有被划分成多个时分多址接入(TDMA)时隙的第一时间段和用于WiFi接入的第二时间段；
控制面板的多个位于远程的无线设备，每个具有无线收发器，其中多个无线设备中的至少一些在RF信道上在超帧的相应TDMA时隙内与控制面板交换消息；以及
控制面板内的接入处理器，其基于多个无线设备的状态而动态调整第一和第二时间段的相对大小以减少或排除由便携式用户设备的WiFi接入，其中第二时间段的使用是在IEEE802.11和IEEE802.15.4协议下多态的，并且其中第一和第二时间段的相对优先级在控制面板与控制面板的其他设备之间的传输期间被反转。
2.如权利要求1所述的系统，其中与第一和第二时间段的相对优先级的反转相关联的传输进一步包括在IEEE802.11协议下从控制面板传输到控制面板的中央监视站的警报通知。
3.如权利要求1所述的系统，其中第二时间段的多态使用进一步包括处理器，其在IEEE802.15.4协议下在多个传感器中的一些处向控制面板注册或再注册。
4.如权利要求1所述的系统，其中多个传感器进一步包括至少一个IP摄像机。
5.如权利要求4所述的系统，其中第二时间段的多态使用进一步包括处理器，其在IEEE802.15.4协议下将视频图像帧从至少一个IP摄像机下载到控制面板。
6.如权利要求1所述的系统，其中第二时间段的多态使用进一步包括处理器，其在IEEE802.15.4协议下将软件下载到多个传感器中的至少一些。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述信标进一步包括6LowPAN协议。
8.如权利要求1所述的系统，其中控制面板和多个传感器进一步包括安全性系统。
9.如权利要求8所述的系统，其中多个传感器中的至少一些进一步包括火情检测器或入侵检测器。
10.如权利要求8所述的系统，其中多个通告器中的至少一些进一步包括警报通告器。
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