CN107076719A - 针对大型无线气体传感器网络的用于减少rf业务量和增加网络容量的方案 - Google Patents

针对大型无线气体传感器网络的用于减少rf业务量和增加网络容量的方案 Download PDF

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Abstract

一种装置，包括气体监视处理器的无线收发器，其接收气体读数；以及在预定地理区域内的不同位置处的多个气体检测器，每个气体检测器周期性地测量气体检测器的相应位置处的当前气体水平，其中对于气体检测器的每个气体读数，气体检测器的处理器将当前气体水平与先前测量的气体水平相比较，如果当前气体水平不同于先前气体水平，那么气体检测器向气体监视处理器的无线收发器无线地传输包括当前气体水平的消息，以及如果当前气体水平未从先前气体水平改变，那么气体检测器向气体监视处理器的无线收发器传输信标消息，作为当前气体水平未从先前气体水平改变的指示。

Description

针对大型无线气体传感器网络的用于减少RF业务量和增加网 络容量的方案
相关申请的交叉引用
本申请要求美国专利申请序列号14/476,825(2014年9月4日提交的题为SCHEMATO REDUCE RF TRAFFIC AMD INCREASE THE NETWORK CAPACITY FOR LARGE WIRELESS GASSENSOR NETWORKS)的优先权，其通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及安全系统，并且更具体地涉及气体检测系统。
背景技术
在安全区域内保护人员和资产免受气体泄漏的系统是已知的。这样的系统通常基于分布遍及安全区域的一个或多个气体传感器的使用。
例如，一氧化碳检测器可以位于住宅的睡眠区域附近。类似地，烟雾或一氧化碳检测器可以放置在厨房中或者家庭加热系统附近。
在涉及使用有毒气体的工业设置中，一个或多个气体检测器可以放置在有毒气体的消耗源和点附近。一氧化碳和/或烟雾探测器也可以位于遍及用于保护人员的区域。
在一些情况下，气体检测器被构造为整体单元。在该情况下，整体意味着每个气体检测器具有其自身的可听警报，并且独立于任何其他气体检测器进行操作。
可替代地，区域内的气体检测器可以耦合到中央监视面板。在该情况下，每个气体检测器可以周期性地测量接近该设备的气体水平，并且将其读数报告给中央监视面板。中央监视系统可以接收来自每个气体检测器的气体读数，并且在检测到的气体超过某个阈值水平38的情况下发出通用(本地)警报。
虽然这样的系统工作良好，但是它们经常难以实施。例如，一些区域可能具有数百个气体检测器。在这样的情况下，对于中央监视系统而言难以可靠地接收来自每个检测器的读数并且以迅速的方式作用于那些读数。因此，存在对于将气体检测器和中央监视面板互连的更好方法的需要。
附图说明
图1图示了根据本文的系统的框图。
具体实施方式
虽然所公开的实施例可以采取许多不同的形式，但是其具体实施例在附图中示出并且将在本文中详细描述，其中应当理解的是，本公开被视为其原理的范例以及实践该原理的最佳模式，而并不意图将本申请或权利要求限制为所图示的具体实施例。
图1是通常根据所图示的实施例示出的气体监视系统10的框图。在系统内包括用于保护安全地理区域16的多个气体检测器12、14。
气体检测器可以被构造为基于对安全区域内的人员和/或资产构成的威胁来检测多种不同气体中的任何气体。例如，在区域内存在人员的情况下，至少一些检测器可以测量一氧化碳的水平。可替代地，至少一些其他检测器可以被构造为测量爆炸风险(例如，来自天燃气、氨气等)。再其他检测器可以被构造为基于除一氧化碳之外的燃烧副产品来检测火灾。
气体检测器可以由监视和警报面板18来监视。在检测到安全区域内的气体的危险水平时，监视面板可以发出本地警报。
警报面板还可以组成和发送警报消息到中央监视站20。该中央监视站可以通过召唤帮助(例如，消防部门、护理人员等)来进行响应。
在监视面板和每个气体检测器内可以包括一个或多个处理器装置22、24，每个处理器装置在从非暂时性计算机可读介质(存储器)30加载的一个或多个计算机程序26、28的控制下进行操作。如本文所使用的，对由计算机程序执行的步骤的引用也是对执行该步骤的处理器的引用。
在每个气体检测器和监视面板内包括射频收发器32、34。在系统激活时，监视面板的收发器可以通过气体检测器的对应无线收发器与每个气体检测器同步并且形成与每个气体检测器的无线连接。
监视面板和每个气体检测器之间的无线连接可以被加密。在该情况下，加密涉及使用公共密钥和私有密钥(例如，AES128)。
该无线连接可以是直接的或者可以经由网状网络来实现。在实现为网状网络的情况下，在监视面板的范围之外的气体检测器可以使用其他气体检测器将其信号中继到监视面板，反之亦然。
在正常操作期间，每个气体检测器内的气体传感器36可以测量接近气体检测器的区域中的气体水平。气体检测器内的气体水平检测处理器可以从气体传感器检索读数，并且将该读数与先前读数40相比较。如果读数已经改变，那么通信处理器可以通过无线连接将读数传输到监视面板内的监视处理器。
通常，射频(RF)带宽是具有大量无线气体检测器的气体检测系统中的重大瓶颈。为了减少网络业务量和增加网络容量，图1的无线传感器网络可以替代轮询而使用推送模式。在该情况下，推送可以用于容易地使网络的容量加倍。然而，即使在其中数据由每个气体检测器推送到监视面板的无线网络的情况下，网络大小也被无线地传输到监视面板的数据分组的大小所限制。
通常，使用ISM频带、900MHz系统的气体检测器的RF数据速率为约20于比特每秒(kbs)或更低。在该吞吐量的情况下，在理论上只有大约100个气体检测器可以被联网。这基于每数据分组120字节的计算的数据速率，20kbs的传输速率，假定每个气体检测器每30秒向监视面板提供更新的读数，并且系统使用网状网络，所述网状网络在报告、远端气体检测器和监视面板之间的重复的气体检测器之间包括5跳。
因此，对于具有多于100个节点(即，气体检测器)的大型无线网络，将需要两个RF网络。在该情况下，第二网络将具有不同的网络标识符和信道。
图1的系统使用在正常操作期间显著减少网络业务量的方法。基于来自气体传感器的气体读数，通过使每个检测器在两个不同模式之一下进行操作来减少网络业务量。例如，对于具有六个传感器的气体检测器，到监视面板的数据分组(有效载荷)可以如100字节那么大。其还可以具有用于分组报头(封装报头)和安全报头信息的多达20个字节的额外有效载荷。基于这些假定，常规气体检测器将每30秒传输120字节。
相比之下，图1的系统的气体检测器不需要每30秒传输完整的120字节分组。相反，基于在相应气体传感器处的气体读数中检测到的变化，数据分组可以小得多。例如，如果来自任何特定气体检测器的所有传感器的读数自先前读数40以来尚未改变，那么气体检测器仅发送信标信号(信标信息)。如果读数在某个时间段内继续不变，那么气体传感器每30秒广播所述信标。所述信标可以如几个字节那样短。这保留了系统内的RF带宽，并且可以将网络容量增加到多达10倍。
此外，由于信标没有关键传感器读数信息，所以可以移除数据分组的安全报头。这从监视处理器卸载密集解密的负担，并且增加监视处理器的吞吐量。
除了气体读数之外，在降低数据速率中还可以考虑电池电荷水平。例如，如果气体检测器的所有气体传感器和电池电荷水平尚未改变，那么气体检测器传输信标以告知监视处理器当前读数与先前读数相同。当监视处理器接收到该信标时，监视处理器简单地从存储器调出先前数据，并且在警报面板的显示器上显示先前读数。
如果自先前读数以来，多传感器气体检测器的不到所有传感器已经改变，那么检测器仅发送具有来自已经改变的传感器的读数的数据分组。类似地，如果电池水平已经改变，那么气体检测器仅转发新的电池水平。当监视处理器接收到该分组时，监视处理器更新受影响的传感器读数。对于尚未改变的传感器读数，监视处理器简单地从存储器检索先前读数，并且使用先前读数作为当前读数。
另一方面，如果一个或多个传感器读数已经改变并且至少一个的水平超过警报阈值，那么具有设置的警报标志的数据分组将被发送到监视处理器。该监视处理器将显示读数，并且在其显示器上示出警报指示符。
如果一个或多个传感器读数已经改变并且已经触发警报，那么分组传输的重复率将自动地改变到快节奏。例如，重复率可以从30秒改变为10秒。
当气体检测器仅传输信标时，没有理由执行广播信标的加密(例如，根据AES128)。这减小了组件的封装大小并且消除了对系统的气体检测器和监视处理器侧的加密/解密的需要。
一般来说，图1的系统包括气体监视处理器，其监视预定地理区域内的气体读数；气体监视处理器的无线收发器，其接收气体读数；以及在预定地理区域内的不同位置处的多个气体检测器，每个气体检测器周期性地测量气体检测器的相应位置处的当前气体水平，其中对于气体检测器的每个气体读数，气体检测器的处理器将当前气体水平与先前测量的气体水平相比较，如果当前气体水平不同于先前气体水平，那么气体检测器向气体监视处理器的无线收发器无线地传输包括当前气体水平的消息，以及如果当前气体水平未从先前气体水平改变，那么气体检测器向气体监视处理器的无线收发器传输信标消息，作为当前气体水平未从先前气体水平改变的指示。
可替代地，该系统包括气体监视系统，其监视预定地理区域内的气体读数；以及分散在预定地理区域内的气体监视系统的多个气体检测器，每个气体检测器周期性地测量气体检测器的相应位置处的当前气体水平，其中对于每个测量的气体读数，气体检测器将当前气体水平与先前测量的气体水平相比较，如果当前气体水平不同于先前气体水平，那么气体检测器向气体监视系统无线地传输包括当前气体水平的消息，以及如果当前气体水平未从先前气体水平改变，那么气体检测器广播信标消息，作为当前气体水平未从先前气体水平改变的指示。
可替代地，该系统包括气体监视系统，其监视预定地理区域内的气体读数；以及包括分散在预定地理区域内的气体监视系统的多个气体检测器的网状网络，每个气体检测器周期性地测量气体检测器的相应位置处的当前气体水平，其中对于每个测量的气体读数，气体检测器将当前气体水平与先前测量的气体水平相比较，如果当前气体水平不同于先前气体水平，那么气体检测器通过网状网络向气体监视系统无线地传输包括当前气体水平的消息，以及如果当前气体水平未从先前气体水平改变，那么气体检测器广播信标消息，作为当前气体水平未从先前气体水平改变的指示。
从前文将观察到在不脱离其精神和范围的情况下，可以实施许多变型和修改。应当理解的是，不旨在或应当推断关于本文所图示的具体装置的限制。当然，旨在通过所附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。此外，在附图中描绘的逻辑流程不需要所示的特定次序或顺序次序来实现期望的结果。可以提供其他步骤或者可以从所述流程消除步骤，并且可以向所述实施例添加其他组件或从所述实施例中移除其他组件。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
在预定地理区域(16)内的不同位置处的多个气体检测器(12、14)，其中所述多个气体检测器(12、14)中的每个气体检测器周期性地测量气体检测器的相应位置处的当前气体水平；
气体监视处理器(22、24)，其监视来自所述多个气体检测器(12、14)的所述预定地理区域(16)内的气体读数；以及
所述气体监视处理器(22、24)的无线收发器(32)，其接收来自所述多个气体检测器(12、14)的气体读数，其中对于所述多个气体检测器(12、14)的第一气体检测器的每个气体读数，所述第一气体检测器(14)的处理器将当前气体水平与先前测量的气体水平(40)相比较，其中当所述当前气体水平不同于先前气体水平(40)时，所述第一气体检测器向气体监视处理器(22、24)的无线收发器(32)无线地传输包括当前气体水平的消息，并且其中当所述当前气体水平未从先前气体水平(40)改变时，所述第一气体检测器向气体监视处理器(22、24)的无线收发器(32)传输信标消息，作为当前气体水平未从先前气体水平(40)改变的指示。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一气体检测器的处理器测量电池的电压，所述电池为所述第一气体检测器供电，并且其中当电池电量低并且气体读数尚未改变时，所述第一气体检测器的处理器代替于信标消息而向所述气体监视处理器(22、24)传输电池低电压消息。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述第一气体检测器还包括与所述第一气体检测器的单个外壳相关联的多个气体传感器，并且其中所述处理器仅传输来自多个传感器的已经改变的气体读数。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述第一气体检测器的处理器将每个气体读数与阈值(38)相比较，并且当所述读数超过所述阈值(38)时，向气体监视处理器(22、24)传输警报消息。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述第一气体检测器的处理器响应于气体读数超过所述阈值(38)而增加到所述气体监视处理器的数据传输的速率。
6.如权利要求1所述的装置，其中所传输的信标还包括没有加密的信标消息。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述气体监视处理器还包括存储器(30)，所述存储器(30)包含针对所述多个气体检测器(12、14)中的每一个的先前气体水平读数，并且其中当所述气体监视处理器从所述多个气体检测器(12、14)中的一个接收到所述信标消息时，所述气体监视处理器还从存储器(30)检索针对所述一个气体检测器的先前气体水平读数。
8.一种装置，包括：
气体监视系统(10)，其监视预定地理区域(16)内的气体读数；以及
分散在预定地理区域(16)内的气体监视系统(10)的多个气体检测器(12、14)，每个气体检测器(12、14)周期性地测量气体检测器的相应位置处的当前气体水平，其中对于每个测量的气体读数，气体检测器将当前气体水平与先前测量的气体水平(40)相比较，其中当所述当前气体水平不同于先前气体水平(40)时，气体检测器向气体监视系统(18)无线地传输包括当前气体水平的消息，并且其中当所述当前气体水平未从先前气体水平(40)改变时，气体检测器广播信标消息，作为当前气体水平未从先前气体水平(40)改变的指示。
9.如权利要求8所述的装置，还包括气体监视系统(10)的处理器(22、24)，其在从所述多个气体检测器(12、14)中的一个接收到广播的信标消息时，检索和使用先前气体读数(40)作为当前气体读数。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述多个气体检测器(12、14)中的至少一个还包括多个气体传感器(36)。
11.如权利要求8所述的装置，其中所述至少一个气体检测器还包括处理器，所述处理器检测所述多个传感器(36)中的任何一个是否已经提供了来自所述传感器的未从先前读数(40)改变的读数，并且其中所述处理器仅传输已经改变的来自所述传感器的读数。
12.如权利要求8所述的装置，还包括所述多个气体检测器(12、14)中的一个的处理器，当电池电量低并且气体读数尚未改变时，所述处理器代替所述信标而向所述气体监视系统传输电池低电压消息。
13.如权利要求8所述的装置，还包括所述多个气体检测器(12、14)中的一个的处理器，所述处理器将每个气体读数与阈值(38)相比较，并且当所述读数超过所述阈值(38)时，向气体监视系统(10)传输警报消息。
14.如权利要求8所述的装置，还包括所述多个气体检测器(12、14)中的一个的处理器，所述处理器响应于气体读数超过所述阈值(38)而增加所述气体监视处理器的数据传输的速率。
15.一种装置，包括：
气体监视系统(10)，其监视预定地理区域(16)内的气体读数；以及
包括分散在预定地理区域(16)内的气体监视系统的多个气体检测器(12、14)的网状网络，每个气体检测器周期性地测量气体检测器的相应位置处的当前气体水平，其中对于每个测量的气体读数，气体检测器将当前气体水平与先前测量的气体水平(40)相比较，其中当所述当前气体水平不同于先前气体水平(40)时，气体检测器通过网状网络向气体监视系统无线地传输包括当前气体水平的消息，并且其中当所述当前气体水平未从先前气体水平(40)改变时，气体检测器广播信标消息，作为当前气体水平未从先前气体水平改变的指示。
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