CN108028786A - 控制在支持多个无线电通信协议的网状网络中运行的无线电操作设备之间的交互和协作的集中控制系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种网状网络(120)，该网状网络(120)由与无连接设备(109)和面向连接设备(110)通信的无线电控制的桥接器(101、102、103、104、105和106)构成。该网状网络(120)还配置有促进使用不同通信协议的设备之间的通信的多个通信协议转译器。该网状网络(120)还配置有中央控制单元(100)，该中央控制单元控制在网状网络(120)上通信的设备之间的被允许和不被允许的交互。
Description
技术领域
本发明涉及在遥测和自动化系统中所使用的无线电操作电子设备的控制，并且尤其涉及在由无线桥接器构成的网状网络中运行的设备之间提供互操作、协作和数据交换的集中控制系统。
背景
在现有技术中，已知的是无线网络中的无线电操作设备之间的互操作和协作受到许多参数和设计问题的限制，如电子接口标准、通信协议、无线电频率、公共规则和立法以及供应商特定实施方案方面的差异。一些类别的设备及其协议通常被设计用于特定的应用领域，例如在私人家庭环境内、在计量应用、公益技术或作为无线的“万物互联(Internetof everything)”的一部分中。
无线电通信协议可以分为一些主要类别：开放标准，如欧洲规范(EN标准，例如KNXRF和无线M-Bus)中定义的一个；以及由联盟或特殊利益集团推动的工业标准(例如ZigBee、蓝牙、Z轴向波和线程)。还存在其他供应商定义的协议，其可能已经或可能没有被发布至公共领域中(例如，ARC Technology的NEXA)。这些不同协议背后的监管机构通常不会采取任何行动来促进具有不同无线电通信协议的设备之间的互操作性或协作性，而是专注于其自身特定标准在市场上的开发和部署。此外，无线电操作设备的提供商可能发现在商业上有益的是引入新的协议而不是利用现有的标准。
从用户的角度来看，这些互操作限制通常看起来是人为的，并且代表了商业上可用的系统和设备的最佳使用的问题。用户是非常不同的并且其应用领域和需求也是如此，但是一个共同的问题是他们发现他们自己被这些限制所约束，并且可能不得不从并行运营的几个供应商购买解决方案。
一些协议可以利用无电池技术，例如使用按钮推动的动能(例如，某些基于KNX RF的开关)来传输短的突发数据。其他协议需要更多的能量来完成无线数据交换并且更适合与电池或主电源一起使用。
即使在开放标准内，无线电设备之间的互操作也受到地方当局发布的在符合当地规定的给定的地理区域内的规范的挑战。已采用这样的地方规则的协议的示例是KNX RF和无线M-Bus。示例例如是：
-KNX RF定义不同频率。在澳大利亚，KNX RF使用433MHz，而在欧洲则使用433MHz和868MHz频率。使用来自澳大利亚供应商的KNX RF设备要求基于433MHz的系统，而欧洲供应商所使用的最常用频率为868MHz。用户可以安装并行系统或支持两种频率的系统以便利用来自两个地区的设备。
-无线M-Bus定义了一组不同的模式，由于无线电设备的物理层中的差异而使其无法进行交互。例如，澳大利亚的T模式定义433MHz，而欧洲的T模式定义868MHz。
即使对于使用相同通信协议的设备，由于供应商特定属性、实施方案或特定标准中的模糊定义，可能不能进行互操作，类似例如在另一设备上的设备切换。这种标准的示例是例如基于ZigBee的设备，其中供应商通常定义他们自己的私有设备配置文件，从而防止来自其他供应商的设备与他们的设备互操作或协作。
许多广泛使用的RF协议的共同限制是它们仅支持与通过相同协议进行通信的设备的互操作，这是通过在彼此的特定物理无线电范围内的设备之间的直接逻辑操作一致性来实现的，并且例如仅支持点到(多)点网络拓扑。即使在路由器被引入无线网络中时，来自设备的无线电分组的传输经常局限于一跳或几跳。
在现有技术中，已知的是如何安排无线电通信协议的转译。例如，US20030158954A1公开了用于促进在不同通信协议上运行的通信系统之间的无线电通信的方法和装置。该过程涉及接收第一通信信号、将通信信号从第一协议转译为第二协议并且重新发送通信信号。通信协议可以包括数据格式、数据定时系统、编码方案、传输模式和载波频率中的至少一个。软件定义的转译器可以被配置用于接收通信信号、执行协议转译以及重新发送通信信号。
US 2013/0114582 A1公开了一种操作无线网状网络系统的方法，该无线网状网络系统具有支持第一无线网状网络设备协议的第一无线网状网络设备。根据该方法的应用支持第二无线网状网络设备协议，并且驱动器在应用的第二无线网状网络设备协议与第一无线网状网络设备协议之间进行转译，使得应用可以与第一无线网状网络设备交换数据。网关为第一无线网状设备提供接口，而耦合到网关的应用平台支持第二无线网状网络设备。
现有技术的另一个示例是TI CC1350，其可以是包括无线电通信协议转译器的桥接器。集成电路的描述可以从链接http://www.electronicsweekly.com/news/products/ micros/ti-redesigns-wireless-mcus-ground-2015-02/找到。该电路可以处理两路无线电，因此操作为桥接器，但限于一次仅处理一路无线电。因此，桥接器在切换到两个协议中的另一个协议之前选择两个协议中的一个协议。
因此，需要一种改进的无线电通信系统，其在同时控制和促进互连无线电网络中的设备之间的互操作和协作的不同的无线电通信协议之间提供协议转译。还需要提供一种扩展位于特定标准的所定义的物理无线电通信范围之外的无线电设备之间的无线电通信范围的可能性。
发明目的
具体而言，可以将本发明的目的看作是通过以下方式提供克服现有技术的问题的无线电通信网络：
-安排集中控制系统，其控制在相同通信协议上运行的无线电控制设备之间的可能的交互，
-或者在不同的通信协议上，
-扩展现有的和新的协议的操作范围，
-通过无线电收发器的物理分布来解决可能的干扰问题，
-其中，设备之间的互操作性或协作由集中式系统控制的规则的集合定义，从而提供网状网络中的桥接器的动态更新和设备的漫游。
本发明的另一目的是提供现有技术的可替代方案。
概述
因此，旨在通过提供集中控制的无线电通信系统的本发明的第一方面获得上述的目的和若干其它目的，该集中控制的无线电通信系统包括在网状网络上提供无线通信的无线电控制的无连接设备和面向连接设备，
-其中，该网状网络由多个无线电控制的桥接器构成，其中，分别的桥接器包括与网状网络通信的第一无线电控制通信端口以及与至少一个无连接设备或至少一个面向连接设备通信的第二无线电控制通信端口，其中，分别的桥接器还配置有在网状网络上在使用可选择地不同的通信协议的不同设备之间实现通信的通信协议转译器，
-中央控制单元在一个点中连接至网状网络，该中央控制单元被配置为控制在网状网络上彼此通信的设备之间的被允许和不被允许的交互。
附图
现在将参考附图更加详细地描述根据本发明的系统。附图示出了本发明的实施方式的示例并且不被解释为限制落入所附权利要求组的范围内的其他可能的实施方式。此外，实施方式的相应示例每个均可以与实施方式的任何其他示例相组合。
图1示出了根据本发明的实施方式的示例。
图2示出了在图1中所示出的实施方式的示例中的通信的示例。
图3示出了根据本发明的实施方式的示例中的桥接器。
图4示出了在图1中所示出的实施方式的示例中的系统部件CSA的示例。
图5示出了根据本发明的设备的应用的示例。
图6示出了根据本发明的在设备之间的操作的示例。
图7示出了根据本发明的负载切换的示例。
图8a、图8b和图8c示出了在图1中所示出的实施方式的示例中扩展无线电控制设备的无线电范围和漫游的示例。
图9示出了具有被打开或关闭的各种照明设备的住宅的示例。
图10示出了用于图9中的设备的操作的消息的序列。
图11示出了用于图9中的示例的IM 60中的互连和设备属性。
图12示出了具有BLE设备的漫游的建筑物的示例。
图13示出了用于图12中的设备的操作的消息的序列。
图14示出了具有使天线之间的耦合最小化的天线朝向的桥接器的可能的硬件实施方案。
详细描述
使用智能家庭系统作为示例，如果通过各种RF协议操作的许多不同的设备可以互操作和协作，那将是有益的。例如：住宅的所有者正在旅行，并已使用连接至互联网的智能单元(例如，平板电脑)将智能住宅系统设置为“离开”模式。当系统进入“离开”模式时，该系统可以被配置为应用额外的安全措施，如启动额外的门锁等。移动检测器可以检测通过窗户进入住宅的窃贼。然后，系统将打开所有的灯，通知所连接的安全警报中心，并且对于窃贼来说更糟糕的是，打开住宅周围的草坪的水灌溉系统。
窃贼的经验可能经常引发住宅的所有者在住宅内安装额外的安全设备，并且例如安装新的窗户玻璃破碎检测器，其可以通过已经安装在住宅中的系统尚未支持的协议进行操作。那么可能需要在住宅中安装第二个系统以支持额外的安全设备。
在公益技术中发现将不同的异构无线功能设备集成到通用操作系统中的另一个示例，其中提供个人连接的健康设备的本地处理和安全分配、和/或来自身体穿戴的传感器设备的数据的系统还应当支持建筑物参数如空气质量、照明和温度等的环境控制。
根据本发明的一个方面，可以使用公共网状骨干网来促进可以利用不同的无线电通信协议操作的无线电操作设备的互操作和协作。网状网络可以包括多个转换器设备，该转换器设备被配置为利用转换器设备支持的特定RF协议，提供自/至网状网络的协议的特定协议转译，以及自/至与转译器设备通信的RF设备的协议的特定协议转译。本发明的重要的方面是使用转换器设备作为桥接器，并且通过物理上在其中网状网络将被安装的位置或住宅内部等周围分布桥接器来构成网状网络。因此，多个桥接器形成网状网络，并且提供在网状网络中使用的网状网络协议与由特定设备所使用的相应协议之间的协议转译。根据本发明的系统利用配置在网状网络桥接器中的分布式协议转译，而不是例如集中式计算机或控制器系统中的集中式协议转译。
参考上面的示例，可以仅仅通过在网状网络中添加支持新协议的桥接器，而使玻璃破碎传感器与根据本发明的系统中的其它设备相集成。这个解决方案的另一方面在于添加新的桥接器，即设备，而因为另外的通信路径被引入到网状网络中，故这有助于网状网络的修复。因此，使桥接器和对应的连接设备相结合提高了网状网络的健壮性而且不降低网络的容量。
然而，协议转译通常不足以实现网络中设备之间的互操作或协作。在某种意义上，可以互操作或协作的两个设备必须被设计成能够这样做，即它们之间具有直接的逻辑操作一致性。此外，从具有第一RF协议的第一RF设备发送到具有第二RF协议的第二RF设备的特定命令将使命令能够被第二RF设备接收。然而，与该命令相关联的动作可能不在第二设备被设计为解译或执行的命令之中，或者出于某些原因不允许被执行。然而，这并不排除第一RF设备可以发出第二RF设备可以解译的另一个命令的可能性。可以在这个概念内运行的设备被称为互补设备。更进一步地，可以将命令转译成一系列命令，总之这些命令将提供该命令的预期动作。这种命令的转译是在它们之间具有直接的逻辑操作一致性的设备的概念和范围内。互补设备和/或在它们之间具有直接的逻辑操作一致性的设备的概念被表示为设备之间的互连。更为重要的是，将理解，互连能够是语义层面上的，并且可以是允许的互连或禁止的互连。
根据本发明的另一个方面，集中控制设备或系统，例如计算机系统与网状网络进行通信。当向网状网络添加桥接器，并且从而将新协议合并到网状网络中时，中央控制单元可以配置有用于将连接到所添加的桥接器的新设备与网络中的现有设备互连的所需要的功能。
在本发明的实施方式的示例中，协议转换器被实现为无线电控制网络桥接器中的软件组件，该无线电控制网络桥接器具有连接到网状网络的第一接口端口和网状网络协议以及使用特定的无线电通信协议连接到无线电操作设备的第二端口。在根据本发明的网状网络中，该网状网络由桥接器构成，对于网状网络控制的每个无线电操作设备，有一个桥接器。一个桥接器可以支持多个无线电通信协议并且能够将多个无线电控制设备连接到网状网络也处于本发明的范围内。
在本发明的实施方式的示例中，如在图1中所示，表示为CU 100的控制单元允许用户指定设备之间的互连，或者定义在给定时间、以特定顺序或由于至控制单元的输入而在设备上执行的动作。如在图6中所示，在交互矩阵(IM)60中定义两个设备或多个设备之间所允许的交互。然后，CU 100将根据在IM 60中定义的互连规则执行设备的自主操作和控制。
参考US 2013/0114582 A1，公开了支持多个RF协议的网关(GW)，该网关具有用于每个相应的协议的RF连接的一个点。多个无线电收发器被嵌入在相同的单元内，并且频率源(发射器)与辐射天线之间的有限物理距离可能导致无线电干扰和杂散，如上所述。
此外，除了根据官方无线电通信标准进行设计外，具有多路无线电和天线的无线设备的设计本质上是易于在由各个天线所发射的信号之间出现干扰。原因很简单，有限的设备尺寸会使天线之间的距离过短而不能避免干扰问题。图14示出了根据本发明的桥接器的天线布局的示例。该示图指示第一发射器的相应天线被定向为正交于相同桥接器的第二发射器的天线，其例如被实现在5cm长、3cm宽的印刷电路板上。
在这种GW中改进新的无线电协议需要向GW添加新的物理无线电收发器(TRX)或者替换整个GW。此外，这两种解决方案都增加了额外的成本以在新标准被引进市场时保持现有的GW更新。具有固定的RF收发器组的现有智能GW在不添加新的TRX的情况下，不能轻易地进行扩展，需要根据例如像ETSI EN 300 220和-328无线电发射标准的规范进行一致性测试。
改变GW中的硬件和/或软件以能够支持新的无线电也会需要新的功能一致性测试，例如以符合CU中已有的无线电的蓝牙SIG，以防引入意想不到的效应。在一个单元中具有多个TRX的现有技术的示例是：
-Lesswire HWC:http://www.lesswire.com/en/products/connected-ho me-systems/connected-home/hwc/overview/
另一方面，CU 100控制无线设备之间的互操作，并且在一个连接点中连接到网状网络120(因而网状网络120中的所有通信对于CU 100是可见的)，并且还可以通过互联网协议连接到外部系统。无线设备经由一端连接到网状网络120并且另一端连接到无线设备的桥接器连接到网状网络120。位于桥接器的内部的无线电通信协议转译器使设备适于网状无线电协议。CU 100控制设备如何与网状网络120中的另一个设备互操作。例如通过在建筑物中物理分配桥接器使它们之间具有较大距离，避免了多个发射器之间的任何干扰问题。在一个点中连接CU 100的效果是允许CU 100看到网状网络中的所有通信。在本发明的范围内，提供使网状网络中的所有通信对于CU 100可见的相同技术效果的其他连接方案可以被用在根据本发明的实施方式中。
添加新设备是简单的，安装相应的桥接器并且将设备连接到桥接器。然后将设备连同所允许功能的定义一起添加到CU 100的IM 60矩阵中。
每个桥接器不旨在连接到计算机网络，但仅连接在两个无线电协议之间。每个协议可以是网状或点对多点协议。
参照图6，在语义层面上，定义在IM 60中的互连64可以在设备之间(例如参考开放互联基金会(OCF)以进一步进行语义层面的定义)，而不管它们的功能和底层协议如何。在表格的左侧，存在被标记为D1、D2等的设备的列表。在右侧是通过列出作为各个互连的一部分的设备ID而定义的互连。例如，D2已经定义了与D1，D6和D7的交互。IM 60的其他属性是设备特性的集合。例如，设备协议(P1、P2等)、地理位置(A、B、C等)、设备ID(标识1、2、3等)、设备类型(T1、T2、T3等)、相关桥接器ID(标识B1、B2、B3等)和接收信号强度指示(RSSI)值(-38、-87等)和负载切换操作序列号(1、2、3等)。一个属性可以是设备的IPv6地址，用于无缝连接到外部IP网络。IM 60将能够使用相同的RF通信协议以及不同的RF通信协议来定义设备之间的互连。
可以使用IM 60中指定的属性和互连在语义层面进行互操作的设备示例可以是：
-基于KNX RF的致动器(例如，樱桃开关/ZF能量采集无线开关或Dinuy移动传感器DM SEN R02)或智能手机应用，控制BLE和/或基于Z轴向波的灯泡。
-KNX RF水监测器(例如，西门子QFP910)与电源开关之间的互连，以使如果检测到水则关闭房间中的电源。
-使用测量分升水平的用水量的无线M-Bus水表(例如Kamstrup Multical 21)定义用于识别水泄露的一组规则。
-不管底层RF协议如何，使用运动检测器、灯开关和灯泡以实现先进的光控制。
图4示出了控制软件应用(CSA)程序400，其被配置为在CU 100上执行。然后，CU100处理IM 60以及朝向外部网络405、外部系统115的连接、RF网状接口411以及本地连接(例如，TCP/IP 407或蓝牙409、410)，允许用户使用至少一个智能单元116配置和更新系统。
图9、图10和图11示出了本发明实施方式的示例，其示出了可以如何实现不同类型的设备之间的互操作。Z轴向波灯泡904和低能耗蓝牙(BLE)筒灯902、903由KNX RF移动传感器901控制。所有的设备及其互连都在IM 60中与设备和类型特定的属性一起定义。当用户在房间中来回移动时，移动传感器901向KNX RF桥接器103发送标准化的KNX RF消息1001。KNX RF桥接器103将KNX RF消息有效载荷转译并嵌入到网状网络分组1002中。CU 100通过RF网状接口411接收网状网络分组。CSA 400的DMUX层404将在分组分节/分段的情况下重新组装该分组，并将其传递至协议管理器414。协议管理器将解码所接收到的分组，并且将数据传递至设备管理器413，该设备管理器继而将数据转换成包括设备特定参数的公共互操作格式。系统管理器412然后可以从IM 60查找1003互连设备64及其属性，以推断将要执行哪个操作。在这个示例中，移动传感器901与BLE筒灯902、903和Z轴向波灯泡904互连64。Z轴向波灯泡904将执行点亮操作1004、1005，同时筒灯902、903将被接通到由IM 60中的属性之一所定义的预设昏暗百分比1006、1007、1008。设备处理程序将确定每个设备将要执行的特定动作。发送数据的另外的处理由CSA 400中的下一级处理并且将数据发送到设备。
上述示例中的移动传感器901的设备处理程序可以具有内部定时器，每次移动已被设备注册时内部定时器重新启动。如果定时器超时，则设备处理程序将向设备管理器413发出关灯操作。然后，类似于上述示例中所描述的操作，关灯操作将被处理。
在本发明的实施方式的示例中，CU 100具有无线电连接411的一个固定点，其作为网状网络120，其中使用网状网络作为骨干网120并且如图1中所公开的，被表示为桥接器101至106的协议转换器30转译每个协议并将数据发送到CU 100和发送来自CU 100的数据。通常，网状网络120以一个选定的频率操作，从而提供最佳的无线电性能。为了支持多于一个的设备的冗余和/或多信道操作，其中每个设备在不同信道上操作，CU可以配备有多于一个的无线电连接，每个信道一个。
图2示出了桥接器22、23如何支持至少一个特定无线电协议的转译，封装至和来自CU 100的网状数据分组24、25中的连接和协议参数，如桥接器的唯一ID和连接度量21。例如，由整个网状网络120中的桥接器支持IPv6寻址，从而实现设备与CU 100、外部系统115或对等设备交互的端到端的IP连接。桥接器22、23参与网状网络120的形成和修复，并且桥接器22、23可以充当网状网络120内的其他桥接器的路由器。根据本发明实施方式的示例，只有桥接器构成网状网络120，而路由器是可选择的。
传统的点对(多)点连接通常受其简单的网络拓扑结构的限制，这种网络拓扑结构不具有灵活性，并且在没有引入一个或更多个中继器的情况下限制了无线电范围。即使有中继器，它仍然是固定网络，易于受到周围环境的变化影响，故通常需要在安装过程中进行一定程度的网络规划。自形成和自修复的网状网络120在网络中引入了灵活的传输路径，并且克服了具有有限跳数的固定点到(多)点网络的限制。这样的网络的示例是针对由IETF6LoWPAN工作组定义的网状拓扑和由Tiny Mesh AS[1]定义的Tinymesh的路由考虑因素和协议。在Tinymesh中，网络的形成和修复是完全自主的操作。
随着无线电范围性能和信号穿透的进一步增强，可以在网状网络120内使用低于1GHz的频率。除了协议转译之外，一种可能的实施方案是桥接器101至106还从高无线电频率转换为低无线电频率，这提高了例如基于2.4GHz的协议的有限的无线电范围。使用低于1GHz的频率可以可选择地支持由IEEE 802.15.4g和CEPT ERC 70-03定义的RF信道参数。每跳长距离的网状网络120的使用将使得本发明的实施方式的示例能够促进智能城市/社区中的部署而不限于室内使用。
在本发明的可选择的实施方式中，除了协议转译之外，网状网络(120)的至少一个桥接器将与设备进行通信的至少一个桥接器的无线电的无线电频率从给定的高无线电频率转换至较低的无线电频率，从而将无线电通信范围增加到适于较低无线电频率的设备。
在本发明的另一可选择的实施方式中，与第二桥接器进行无线电通信的第一桥接器将与第二桥接器通信的无线电的无线电频率从给定的高无线电频率转换为较低的无线电频率，从而增加了从第一桥接器到第二桥接器的无线电通信范围，其中第二桥接器适于较低的无线电频率。
在本发明的实施方式的示例中，通过将配置有必要协议转译的新的桥接器105引入系统中来实现对网状网络120中的附加协议的支持。此外，可以更新CU 100上的CSA 400，并且在IM 60中定义新的互连和设备配置。任何所需的无线电资格和认证仅限于所添加的桥接器105，从而限制了支持新协议的成本和复杂性。因为该系统的额外的增强，所添加的桥接器将有助于提供具有额外的路由能力的网状网络120。
无线系统大体上消除了与布线有关的需要和成本。使用如在现有技术的示例中的无线电系统，可能需要向建筑物或设施提供若干GW和/或路由器，以基于所讨论的系统的无线电性能来覆盖整个区域。在实施方式的示例中，其中如网状联网、1GHz以下的无线电频率、桥接器中的任何协议的转译以及设备的中央互连和控制的所有因素都有助于减少规划、安装的成本和复杂性。它还通过利用有限的付出和成本以随时包括新的协议，来确保长期的灵活性。
CU 100硬件包括用于每个网状网络411的一个RF接口、用于支持与智能单元116连接的一个可选择的短距离无线接口410、以及用于连接到智能单元和外部系统115的IP接口407。它具有用于执行CSA 400的至少一个微处理器和用于存储IM 60的内容和其他应用程序设置的非易失性存储器。整个单元可以被实施在例如宽度为5cm、长度为7cm并且高度为3cm的物理设备中。设备外壳通常由塑料制成，使得用于各种收发器的天线将可以实施在外壳内部而不需要用于外部天线的任何连接器。因为电池供电将不太可能，故该设备具有用于电源的连接器。它还有用于IP接口的一个连接器，其通常是一个标准的RJ45连接器。可以可选择地通过IP接口连接器提供电力。
图4绘示了包括用于处理系统中的特定任务的多个抽象层404、407、410、411、412、413、414的CSA 400的示例。最靠近硬件的最下层407、410、411处理至或来自RF网状接口411、412或IP接口407的数据的传输。互联网IPv6分组可以按照6LoWPAN工作组的规定进行压缩，其描述了允许通过无线RF网络发送和接收IPv6分组的封装和报头压缩机制。MUX/DMUX层404分节/分段并重组网状或IP分组数据。根据由目标设备所使用的协议，协议管理器414具有处理协议特定参数和数据的协议特定处理程序403，该协议特定参数和数据是桥接器和系统管理器412所需的，以便转译至和来自设备的有效载荷。每个设备需要设备处理程序402，该设备处理程序可以在IM 60中保持设备的状态、执行设备特定动作/互作用、控制和数据管理、数据采集以及格式化至和来自IM 60的数据。系统管理器412基于在IM 60中设置的属性、参数和互连，执行设备的以及设备之间、设备与CU 100之间、设备与外部系统之间、以及CU 100与外部系统之间的通信的所有的监测和控制。此外，它执行管理任务，如应用程序的初始化、从非易失性存储器读取数据和向非易失性存储器写入数据、处理用户接口116、调度和优先处理任务、管理IM 60以及桥接器101至106和CU 100的软件升级。
IM 60可以被实现为包括相关属性62的每个设备的条目的数据库，以用于CU 100交互、控制和维护相应设备的状态。属性62例如是设备的目标协议、设备类别和所支持的功能、动作/互作用序列、连接的桥接器、地理位置、唯一ID、RSSI值、和至其他设备的互连64。当新设备被引入到系统中时，该设备被注册在IM 60中，设备参数被更新，并且系统可以基于设备类型的已知参数自动地采用该设备。如果设备类型是未知的，则可能需要更新CSA400。用户还可以在使用之前进一步配置IM 60中的设备参数、属性62和互连64。当设备改变状态时，CSA 400将检查设备的状态，并且基于设备之间的互连64来确定状态改变是否需要在其他设备上的动作/互作用，或者将状态传达给用户接口116和外部系统115。
在本发明的实施方式的示例中，桥接器30包括至少一个目标协议收发器32和朝向CU 100的支持网状网络的至少一个收发器33。收发器32、33可以是单独的芯片组或者是使用相同的物理实施方案的组合解决方案。在桥接器31的硬件中，往返于使用所支持的目标协议中的一个的设备的以及往返于网状网络的数据的转换被本地处理。如果需要的话，从IM 60为所讨论的目标协议提供必要的协议和设备信息。包括用于设备的唯一ID、设备连接度量(例如，RSSI)和用于桥接器30的唯一ID、以及(如果需要的话)包括目标协议开销的设备有效载荷，被放入用于网状网络120的帧格式26，或者从用于网状网络120的帧格式26被提取，用于与CU 100交换数据。为了将来更新和支持新特征，可以使用网状网络120无线地更新桥接器30上的固件31。整个单元例如可以被实施在宽度为3cm、长度为5cm和高度为2cm的物理设备中。设备外壳通常由塑料制成，因此用于各种收发器的天线将可以被实施在外壳内部，而不需要用于外部天线的连接器。该设备还具有用于电源的可选择的连接器。
图7示出了停电后高功耗设备通常将如何被同时接通，产生大的峰值浪涌电流71。主电源可以形成为用于最大总峰值而不是最大平均功耗的尺寸。在大多数情况下，电源供应器无法打开或关闭特定区域或位置中的此类设备以限制峰值消耗。
在本发明的实施方式的示例中，无线电控制的大功率设备可以以特定的或随机的顺序接通或关闭。每个设备之间的特定的或随机的时间延迟可以由IM 60中的属性62指定或者由外部系统115控制，以限制峰值功耗72，或者在所限定的位置内调节所限定的时间上的总功耗。
图5示出了一种电池供电的设备109，其被配置为处于低功率休眠状态，并且将仅定期或在特定事件上被唤醒，并且具有非常窄的发射(TX)和接收(RX)时间窗。由于系统的固有延迟，窄的RX时间窗限制了多跳网络中的跳数。在大多数情况下，设备仅由单跳解决方案支持。在实施方式的示例中，CU 100可以传送预先配置的响应数据51以存储在桥接器53中，并且桥接器53可以在下次唤醒时发送设备的RX时间窗内的数据。
无线电协议可以基于连接而被分成两个主要类别：无连接协议(CLP)801和面向连接协议(COP)802，并且一些协议基于模式或上下文而支持两个连接类别。
无连接协议不具有建立设备之间的逻辑链路的任何方法或程序，并且所传输的数据可以被认为是被广播(至范围内的所有设备)或被多播(到范围内的指定设备组)，并且一旦CLP设备有数据要发送，其通常将直接被传输。
面向连接协议要求在传送数据之前在设备之间建立逻辑连接。这通常通过遵循指定了应当如何发起、协商、管理和最终终止连接的一组规则来完成。在大多数现有技术协议中，COP设备将在对等拓扑中建立彼此之间的连接。设备可以存储用于稍后的会话的连接数据，但是如果设备中的一个被移动到在先前连接的对等体的无线电范围之外的另一个位置，则将不能连接或不得不建立到不同的对等设备的新连接，并且所有先前的会话特定数据会无效。
如本领域技术人员已知的，支持CLP和COP数据交换这两者的协议的示例是BLE。当BLE外围设备没有处在连接中时，它被表示为BLE广告器或广播装置，当BLE中心设备没有处在连接中时，它被表示为BLE扫描器或观察装置。BLE中的无连接数据交换是单向的，从广告器/广播装置到扫描器/观察装置。当处于连接中时，BLE支持双工通信。
在图12中所绘示的实施方式的示例中，基于与外部系统115或智能单元116的交互，CU 100可以指示特定桥接器85或桥接器86、87的组起到动态信标的作用，以向桥接器范围内的设备通告/广播所定义的数据集合。这样的数据集的示例可以是Apple iBeacon数据，Google Eddystone信标数据或任何将被广播的定制数据。
在使用根据本发明的桥接器的另一示例中，来自在桥接器120的网状网络中移动的CLP设备的数据将通过网状网络120传送到CU 100，其中由设备的范围内的一个或更多个桥接器接收数据。桥接器可以应用过滤器使系统中的流量最小化。
COP设备可以分为两个主要类别：a)通用类型，或者b)对于桥接器是已知的。通用COP设备是其中设备特定配置和数据集合对于桥接器是未知的设备，并且它将需要来自CU100的指令集合以便与设备相互作用。已知的COP设备是其中配置和如何执行数据交换已经被配置在桥接器中的设备，并且创建连接的任务可以不需要CU 100的参与。
在使用根据本发明的桥接器的另一示例中，当COP设备对于桥接器未知时，COP设备可以进入网状网络中，或者在桥接器120的网状网络中移动。网状网络中的一个或更多个桥接器检测设备。检测该设备的桥接器将检测数据传送到CU 100。CU 100确定哪个桥接器将参与与设备的连接，并且传送必要的指令和配置数据，以供随后所选择的桥接器执行往返于设备和网状网络的数据交换。
在使用根据本发明的桥接器的另一示例中，当使用智能单元116时，用户可以将IM60配置为将某些类型的广播数据中继到相关桥接器。此外，指定COP设备之间的互连，从而COP设备能够使用本发明的实施方式的示例在彼此之间建立表观连接(apparentconnection)。
在使用根据本发明的桥接器的另一示例中，桥接器可以支持COP设备的漫游，操作为动态信标，并且例如利用桥接器中的相同配置参与温度和照明的环境控制。这个示例的有益方面在于，将需要以其他方式在相同的物理位置处使用不同的桥接器，来实现与实施方式的这个可选择的示例相同的功能。
使用BLE协议作为示例，CU 100可以给在桥接器85中的BLE外围设备提供将被发送的广告数据，数据或被发送到任何正在收听的BLE中心或被发送到由例如设备的BLE MAC地址标识的特定BLE中心。这些连接数据还可以包含从相同的或不同的桥接器上的先前会话获得的配对和绑定信息以及加密密钥。该CU 100还可以指定哪个桥接器BLE中心86应当连接到广告BLE设备，并且连接数据可以包括从在相同或不同桥接器87上的BLE中心获得的先前协商的配对和绑定信息以及加密密钥。CLP设备通常将仅在可用时或以一定的时间间隔发送数据。然而，仅发射设备的无线电范围内的设备才会接收数据。
图8a绘示了可以如何在CLP设备811、812之间中继的广播或多播数据的示例。第一CLP设备811正在发送由桥接器85接收813的数据。桥接器将数据803转发给CU 100。CU 100然后将数据中继804到第二桥接器86，其发送814数据，使得它可以被第二CLP设备812接收，反之亦然。使用BLE作为示例，BLE广告器811将广告数据广播813至附近的桥接器85，其继而将广告有效载荷和设备信息发送803到CU 100。CU 100将信息发送804到处于BLE扫描器812的无线电范围中的桥接器86。桥接器86承担广告器的角色并且发送814将由扫描器812接收的广告数据。通过使用例如Nordic Semiconductor nRF51822[2]和S130Softdevice[3](BLE软件堆栈)，BLE桥接器可以充当BLE外设/广告器和BLE中心/扫描器这两者。S130Softdevice同时支持1个链路外设和8个链路中心。
如果例如体配COP设备在网络内移动，则该系统可以被配置为通过将连接切换至附近的桥接器来保持与该设备的数据交换，用于最佳连接质量。这种漫游由CU 100处理或者由桥接器基于一组预定义连接度量自主处理。
图8b的1)绘示了两个COP设备88、110，其中该系统可以被配置为建立表观连接808。第一COP设备88建立至附近的桥接器85的连接805。桥接器85将连接数据发送到CU100，其可以基于IM 60中的属性和连接数据来推断想要连接至哪个设备。CU 100然后将指示目标COP设备110的附近桥接器86建立至设备110的连接。当建立成功的连接时，系统将在假设彼此处于表观上直接连接的COP设备88、110之间中继有效载荷数据。
例如，CU 100可以将BLE连接数据传送到一个桥接器上的BLE中心和另一个桥接器上的BLE外设，使得两个BLE设备可以建立到它们各自的桥接器的连接，并且执行与表观对等BLE设备的数据交换。
使用BLE作为示例，根据本发明的方面，两个BLE设备88、110通过它们所连接的桥接器85、86以及CU 100交换数据。将被交换的数据由来自发送设备的连接桥接器上的BLE堆栈或GATT数据库的固件(FW)31提取，并且被传送到接收BLE设备的连接桥接器，这将执行该分组的必要转换，并且将数据插入GATT数据库或BLE堆栈中，然后将其发送到BLE设备。可以在BLE堆栈的多个层中处理这个双向数据交换。可以通过在应用层上传递纯有效载荷数据或者提取BLE协议(例如GATT、ATT、L2CAP、HCI)分组并且将其从一个桥接器传递给另一个来进行处理。
图8b的2)绘示了如在图8b的1)中所描述的两个COP设备之间的表观连接808的漫游。例如，如果第二设备110正移动到所连接的桥接器86的无线电范围之外，则CU 100被配置为例如基于如RSSI的连接度量来确定链路质量是否已经劣化到某个阈值以下。CU 100然后可以决定桥接器86应当终止或切换连接806，并且然后经由804、807将连接数据传送到第三桥接器87。可以建立到第二COP设备110的新连接810并且通过表观连接808、809恢复COP设备88、110之间的数据交换。在这个过程期间，即使数据交换可能已经受到过程的影响，但至第一COP设备88的连接不受影响，并且设备之间的表观连接808、809被保持。
对于仅在网络内漫游而没有处于与网络中的另一个设备的表观连接中的设备而言，基于COP设备的类型，设备的漫游或者由已知设备类型的桥接器自主执行或者由用于通用COP设备的CU控制。
图8c绘示了本发明的实施方式的示例，其中COP设备在网络中漫游并与CU交换数据。在图8c的1)中，血糖仪110与桥接器85接合在连接815中，并且正在与CU 100交换数据，并且正沿方向817移动。在图8c的2)中，设备已经从桥接器85断开连接，并且与桥接器86建立了新连接816，并且已经恢复与CU 100的数据交换。当执行漫游操作时，已知设备的漫游过程在网状网络120中需要很少的流量。
图12和图13示出了实现两个桥接器之间的COP设备的漫游互操作的实施方式的示例。典型的应用是在利用个人连接的健康监督设备的公益技术内。两个BLE设备，血糖仪110和智能设备88处于表观连接808中。当血糖仪110正在移动1201时，基于对BLE连接事件1301的响应1302，BLE桥接器86正在向CU 100反复报告1303所连接设备的RSSI。基于RSSI，CU100可以确定链路质量是否低于在IM 60中定义的阈值1304，并且如果是，则它将指示1305BLE桥接器86终止至血糖仪110的连接1306。当血糖仪110断开连接时，它将开始BLE广告1307、1308，它们是由BLE桥接器86、87两者接收的相同的广告分组。BLE桥接器86、87将广告数据1309、1310转发给CU 100，其从IM 60查找1311桥接器属性作为阈值，以确定哪个桥接器可以建立到血糖仪110的新连接。基于这些标准，BLE桥接器87被指示1312建立至血糖仪110的新连接1313。在这整个过程1201期间，BLE桥接器85与智能设备88之间的实际连接805被保持，并且从智能设备的角度来看，表观连接808、809被保持。
在血糖仪110具有对于桥接器已知的配置文件和/或根据如例如由ContinuaAlliance所规定的公认标准被认证的情况下，在第二桥接器上恢复连接所需的数据可以是连接数据的小的子集。在网络中有多个设备漫游的情况下，这个过程将确保漫游连接时的最小延迟。如果有多个Continua认证设备在系统中漫游，则将确保每个漫游设备的最小带宽利用。
在根据蓝牙SIG指定的连续血糖监测(CGM)配置文件认证的并由ContinuaAlliance采用的血糖仪110的漫游示例中，需要连接数据的小的子集来恢复第二位置处的桥接器的操作。连接数据可以是MAC地址、配对和/或绑定信息以及由CGM服务定义的特征和描述符。
在现有技术中，临床环境中的蓝牙基础速率(BBR/常规蓝牙)设备的漫游是使用包括主从切换程序和WIFI作为骨干网[4]的定制实施方案来执行的。
进一步在本发明的范围内的是，中央控制单元(100)可以被配置为通过以下方式识别网状网络(120)中朝向特定设备(109，110)的路由
-通过使用连接度量(21)，其中，该连接度量(21)至少基于和与特定设备(109，110)通信的桥接器(30)相关联的唯一标识指示符，以及
-所接收到的无线电信号强度指示值，其指示处于通信中的设备与桥接器之间的连接质量。
此外，中央控制单元(100)可以配置有提供被配置为定义设备(109，110)之间的被允许和不被允许的交互的可寻址矩阵元素的可配置的交互矩阵(60)。
此外，当将新桥接器(30)添加到网状网络(120)中时，该添加可以有助于形成和修复网状网络(120)。
此外，网状网络(120)的至少一个桥接器(30)可以可选择地被配置为网络路由器。
此外，当将使用先前没有在网状网络(120)中使用过的通信协议的新设备(109，110)添加到系统中时，这可能需要：
添加与新设备(109，110)通信的桥接器(30)并且其配置有适于新通信协议的通信协议转译器，并且
其中，任何所需要的无线电资格和认证仅限于所添加的桥接器(30)。
此外，中央控制单元(100)还可以被配置为使用已知的连接参数来传送连接特定数据：
-连接特定数据被记录在交互矩阵(60)中，作为来自至少第一位置处的桥接器的数据，
-在由网状网络(120)支持的设备(109，110)中的至少一个在至少第一位置处的桥接器与至少第二位置处的桥接器之间漫游时，至少第二位置处的桥接器接收连接特定数据。
此外，特定连接数据可以包括必要的规范，其允许两个面向连接设备在所述面向连接设备中的至少一个面向连接设备正在漫游时保持所述网状网络(120)上的表观连接。
此外，至少一个面向连接设备可以包括配置或数据集合，使得面向连接设备在漫游到第一位置处的桥接器的范围之外时能够在第二位置处的桥接器上恢复连接。
此外，当面向连接设备的配置和数据集合对于第一桥接器已知时，该桥接器可以被配置为首先自主地建立至设备的连接，并且其次，此后使得CU 100能够与所述设备互操作并且交换数据。
此外，当无连接设备正在广播数据时，由桥接器接收的数据可以被传送到CU 100。
此外，其中，中央控制单元(100)可以被配置为准备将被存储在与配置有用于接收数据的窄的时间窗的电池供电的设备(109，110)通信的桥接器(30)中的数据，并且当设备宣告其存在时，该桥接器将把所准备好的数据发送到该设备。
此外，中央控制单元(100)可以被配置为在互联网协议网络上通信，其中，中央控制单元(100)被配置为允许系统的远程或本地监测、系统的远程或本地控制、以及系统的远程或本地配置。
此外，其中，可以通过所述中央控制单元(100)将至少一个所识别出的桥接器或一组所识别出的桥接器配置为向所述桥接器的无线电范围内的任何设备发送所定义的数据集合。
此外，其中，CU(100)可以配置有多于一个的无线电连接，其中，每个无线电连接在不同的信道上操作，从而提供多于一个设备的冗余和/或多信道操作。
此外，除协议转译之外，网状网络(120)的至少一个桥接器可以将与设备进行通信的至少一个桥接器的无线电的无线电频率从所定义的高的无线电频率转换为较低的无线电频率，从而为适于较低无线电频率的设备增加无线电通信范围。
此外，其中，与第二桥接器无线电通信的第一桥接器可以将与第二桥接器通信的无线电的无线电频率从所定义的高的无线电频率转换为较低的无线电频率，从而增加从第一桥接器到第二桥接器的无线电通信范围，其中，第二桥接器适于较低的无线电频率。
此外，其中，桥接器可以配置有使网状网络中的流量最小化的过滤器。
尽管已经结合具体实施方式描述了本发明，但是不应将其解释为以任何方式限于本发明的示例。本发明的范围由随附的权利要求的集合陈述。在权利要求的上下文中，术语“包括(comprising)”或“包括(comprises)”不排除其他可能的元素或步骤。另外，提及诸如“一(a)”或“一个(an)”等的引用不应被解释为排除多个。权利要求中使用参照附图中所指示的元件的附图标记不应被解释为限制本发明的范围。此外，在不同的权利要求中所提及的单独的特征可以被有利地组合，并且在不同权利要求中提及的这些特征并不排除特征的组合是不可行的和/或有利的。
缩写词
ATT 属性协议(BLE)
BLE 低能耗蓝牙(智能蓝牙)
BBR 蓝牙基础速率(常规蓝牙)
CGM 连续血糖监测
CLP 无连接协议
COP 面向连接协议
CSA 控制软件应用程序(运行在设备的微控制器上的应用程序)。
CU 中央单元
DMUX 解复用
EN 欧洲规范
FW 固件
GATT 通用属性配置文件(BLE)
Ghz 千兆赫兹
GW 网关
HCI 主机控制器接口(BLE)
ID 身份标识
IETF 互联网工程任务组
IM 交互矩阵
IP 互联网协议
Ipv6 互联网协议版本6
L2CAP 逻辑链路控制和适配协议(BLE)
MAC 介质访问协议
MUX 多路复用
RF 无线电频率
RSSI 接收的信号强度指示
RX 接收
TCP 传输控制协议
TRX 收发器
TX 发送
无线M-Bus 无线仪表总线
6LoWPAN 低功耗无线个域网上的IPv6
定义：
KNX RF 用于智能建筑的通信协议。
无线M-Bus 用于智能计量的协议。
NEXA 在无线家庭自动化产品内的商标。
BLE 用于节能智能设备的低能耗蓝牙通信协议。智能蓝牙商标。
BBR 蓝牙基础速率，其为原始蓝牙协议，也被称为常规蓝牙。
线程 基于IPv6的“智能”家用设备协议，以在网络上进行通信。
Z轴向波 用于家庭自动化的无线通信规范。
ZigBee 用于个人区域网络的无线通信协议。
信标 将所定义的数据集广播到无线电范围内的任何接收设备的BLE设备。
iBeacon 由Apple标准化的信标协议，以广播通用唯一识别码。
Eddystone 由Google定义的开源信标标准。
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Claims (18)
1.一种集中控制的无线电通信系统，包括在网状网络(120)上提供无线通信的无线电控制的无连接设备(109)和面向连接设备(110)，
-其中，所述网状网络由多个无线电控制的桥接器(30)构成，其中，分别的桥接器(30)包括与所述网状网络(33)通信的第一无线电控制通信端口以及与至少一个无连接设备(109)或至少一个面向连接设备(110)通信的第二无线电控制通信端口，其中，所述分别的桥接器(30)还配置有在所述网状网络(120)上在使用可选择地不同的通信协议的不同设备(109，110)之间实现通信的通信协议转译器，
-中央控制单元(100)在一个点中连接到所述网状网络(120)，所述中央控制单元被配置为控制在所述网状网络(120)上彼此通信的设备(109，110)之间的被允许和不被允许的交互。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央控制单元(100)还被配置为通过以下方式识别所述网状网络(120)中的朝向特定设备(109，110)的路由：
-通过使用连接度量(21)，其中，所述连接度量(21)至少基于和与所述特定设备(109，110)通信的所述桥接器(30)相关联的唯一标识指示符，以及
-通过使用所接收到的无线电信号强度指示值，其指示处于通信中的所述设备与所述桥接器之间的连接质量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央控制单元(100)配置有可配置交互矩阵(60)，所述可配置交互矩阵提供被配置为定义在设备(109，110)之间的被允许和不被允许的交互的可寻址矩阵元素。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，将新的桥接器(30)添加到所述网状网络(120)中有助于形成和修复所述网状网络(120)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述网状网络(120)的至少一个桥接器(30)可选择地被配置为网络路由器。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，将使用先前没有在所述网状网络(120)中使用过的通信协议的新设备(109，110)添加到所述系统需要：
添加与所述新设备(109，110)通信并且配置有适于新通信协议的通信协议转译器的桥接器(30)，并且
其中，任何所需要的无线电资格和认证仅限于所添加的桥接器(30)。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述中央控制单元(100)还被配置为使用已知的连接参数来传送连接特定数据：
-所述连接特定数据被记录在所述交互矩阵(60)中，作为来自至少第一位置处的桥接器的数据，
-在由所述网状网络(120)支持的所述设备(109，110)中的至少一个设备在所述至少第一位置处的桥接器与至少第二位置处的桥接器之间漫游时，所述至少第二位置处的桥接器接收所述连接特定数据。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述特定连接数据包括允许两个面向连接设备在所述面向连接设备中的至少一个面向连接设备正在漫游时保持所述网状网络(120)上的表观连接的必要规范。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，至少一个面向连接设备包括配置或数据集合，使得所述面向连接设备在漫游到第一位置处的桥接器的范围之外时能够在第二位置处的桥接器上恢复连接。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，面向连接设备的配置和数据集合对于第一桥接器是已知的，所述桥接器被配置为首先自主地建立至所述设备的连接，并且其次，此后使得所述CU 100能够与所述设备互操作并且交换数据。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，无连接设备广播数据，由所述桥接器接收的所述数据将所述数据传送给所述CU 100。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央控制单元(100)被配置为准备将被存储在与配置有用于接收数据的窄的时间窗的电池供电设备(109，110)通信的桥接器(30)中的数据，并且当所述设备宣告其存在时，所述桥接器将把所准备的数据发送到所述设备。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央控制单元(100)被配置为在互联网协议网络上通信，其中，所述中央控制单元(100)被配置为允许所述系统的远程或本地监测、所述系统的远程或本地控制、以及所述系统的远程或本地配置。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个所识别出的桥接器或一组所识别出的桥接器由所述中央控制单元(100)配置为向所述桥接器的无线电范围内的任何设备发送所定义的数据集合。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述CU(100)配置有多于一个的无线电连接，其中，每个无线电连接在不同的信道上操作，从而提供多于一个的设备的冗余和/或多信道操作。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，除了协议转译之外，所述网状网络(120)的至少一个桥接器被配置为将与设备通信的所述至少一个桥接器的无线电的无线电频率从所定义的高的无线电频率转换至较低的无线电频率，从而为适于所述较低的无线电频率的设备增加无线电通信范围。
17.根据权利要求1所述的系统，其中，与第二桥接器无线电通信的第一桥接器被配置为将与所述第二桥接器通信的无线电的无线电频率从所定义的高的无线电频率转换为较低的无线电频率，从而增加了从所述第一桥接器到所述第二桥接器的无线电通信范围，其中，所述第二桥接器适于所述较低的无线电频率。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述桥接器配置有使所述网状网络中的流量最小化的过滤器。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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