CN110491103A - 关键应用中使用的用于无线网络的抗干扰技术 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及关键应用中使用的用于无线网络的抗干扰技术。一种用于无线安全系统的设备，包括：耦接至安全系统中的控制器的多个无线传感器装置，其中多个无线传感器装置被配置于保护受保护区域的无线网络中，并且其中多个无线传感器装置中的至少一个无线传感器装置包括通过第一和第二父传感器装置与控制器进行通信的子传感器装置；测量所述受保护区域内的环境参数的子传感器装置的环境传感器；以及子传感器装置的发射器，其通过第一和第二父传感器装置中的每一个向控制器发送包括环境参数的消息。

Description

关键应用中使用的用于无线网络的抗干扰技术
本申请是申请号为201410557442.6、申请日为2014年7月24日的同名称发明的分案申请。
技术领域
本发明涉及安全系统，并且更特别地涉及无线安全系统。
背景技术
安全系统广为人知。这样的系统典型涉及利用一个或多个放置在受保护区域中并检测该区域内的事件的传感器。被检测到的事件可以包括表示对安全或治安构成威胁的任意事件（例如，火灾、一氧化碳、入侵者等）。
可以根据不同的应用采用不同传感器的组合。例如，家庭安全系统典型包括一个或多个环境传感器（例如，火灾，一氧化碳等）以及一个或多个入侵者传感器。
大多数家庭安全系统依次连接至中央监控站。当检测到事件时，家庭安全系统向中央监控站传输消息，该消息识别威胁的类型和位置。
对家庭安全系统的最新改进包括利用无线传感器。虽然这些传感器是可靠的，但它们以相对较低的功率水平运行并且容易受到干扰。
虽然通过增加传输功率可以改善这种装置的可靠性，但这样的增加只会提高对其他设备的干扰。因此，在无线家庭安全网络内存在使用更好的方法来传输信号的需要。
附图说明
图1描述了根据示例实施方式一般性示出的安全系统；
图2描述了图1系统内的一个子节点和两个父节点间的通信链路，其中干扰在父节点之一附近；
图3描述了图1系统内的一个子节点和两个父节点间的通信链路，其中干扰在子节点附近；
图4描述了利用波束形成的在图1系统中一个子传感器和两个父节传感器间的通信链路。
具体实施方式
虽然实施例可以采用不同形式来实现，其具体的实施例如图所示并将在本申请中详细说明，但应当理解本申请所公开的内容被认为是其原则的示例以及实践其的最好模式。并非意图将本发明限制成说明的具体实施例。
在安全系统内的无线传感器装置的情况下，利用规则来管理无线发射器在ISM频段下的行为。这些规则要求发射器每400ms至少随机跳频一次。要求无线安全系统应当是鲁棒的并保证在所有条件下传输报警信息。当存在作为干扰源的其他无线系统的的情况下，通常安装无线安全系统。并且，还存在许多移动干扰源，包括对讲机、无绳电话和RFID读取器，其可被带到非常靠近无线安全系统元件。可期望的是，创建从本质上对临近干扰源干扰免疫的无线系统。
图1描述了根据示例实施例一般性示出的安全系统实施例10。该系统中包括用于检测受保护区域16内的威胁的许多无线传感器装置12,14,40（例如烟雾、火灾，入侵者等）。还可以包括在传感器装置之一内或附接于传感器装置之一的是输出装置（例如，音频信号器，警示灯等）42。如下面将讨论的，传感器装置中的每个可以是传感器、中继器或输出装置。
系统的各种实施例可以利用以下各项的各种组合：天线分集、数据传输冗余、无线网状网中的发射机和接收机的空间分集、频率分集以及精心选择以避免上述问题的定时。通过在管理规则要求的框架内组合这些元素，这些实施例确保即使在很近距离内（约30cm）存在干扰源也可以完成信息传送。
如图1所示，传感器可被耦接于控制器（例如控制面板）18。在激活传感器装置之一时，控制面板可以向中央监控站20传输报警消息。中央监控站可以通过召集警察或其他合适的公共服务组织来应答。
包括在面板和每个相应的无线传感器装置中的是用于提供系统的功能的电路。该电路可以包括一个或多个处理器设备（处理器）22,24，其在从非瞬态计算机可读介质（存储器）30加载的一个或多个控制计算机程序26,28的控制下进行操作。如本文所使用的，提及由程序执行的步骤也就是提及处理器执行该步骤。
总的来说，每个传感器装置的控制电路可以包括入侵开关或环境传感器32以及一个或多个编程的处理器，这些处理器操作用于监控、检索和处理来自环境传感器或入侵传感器的环境读数。传感器装置或控制面板内的比较处理器可以将上述读数与一个或多个门限值相比较。当该读数超过对应的门限值时，可产生警报。
来自环境传感器或入侵传感器的警报可以被转发至控制面板内的警报处理器。该警报处理器可以转而生成报警消息并向中央监控站传输报警消息。该报警消息可以至少包括受保护区域的标识符（例如，地址，账号等）以及受保护区域内的传感器的位置。
在激活无线传感器时，这些传感器可以将其本身布置在通信系统中，该通信系统包括至少一个子传感器和至少两个父传感器，如图2所示。所述父传感器（即主和从父传感器）依次均直接地（如图3所示）或通过报警面板18与中央监控站形成相应的通信连接。为了简便起见，以下描述将基于通过报警面板与中央监控站的连接。
在该无线安全系统内建立的通信系统基于位于面板18中的无线收发器34和每个无线传感器的可用性。在通信系统建立的过程中，每个无线收发器中的建立处理器可被编程以便使无线收发器调到默认的频率并传输注册消息。无线收发器可以随机地或基于从控制面板传输的定时信号来这样做。在每个无线传感器中的注册处理器控制下的无线收发器尝试直接或通过另一个无线传感器向控制面板进行注册。每种情况下，在无线传感器不能直接向控制面板注册的情况下，该传感器通过至少两个父无线传感器装置进行注册。
在这点上，每个无线传感器装置可以首先在预定长度的时间内指向面板的注册信息。如果控制面板没有应答，则无线传感器装置可以通过信号强度或一些其他的检测机制来检测任意临近的传感器装置。该传感器装置（子传感器）可以接着选择两个最近的传感器装置作为父传感器并试图通过这两个装置向控制面板进行注册。
在这点上，试图进行注册的子设备可以传输注册消息，其试图进行专门指向两个附近的装置的注册。该装置接收注册消息，并且以确认作为应答，并返回通过该父装置可用的信道集合。该试图进行注册的装置中的注册处理器对列表进行比较，以找出父装置中两个可用的在时间上直接相邻的上行信道和两个在时间上直接相邻的下行信道，并向每个父装置返回识别相应的信道集合的接受消息。所述两个父装置接受连接，并且子装置和两个父装置之间的相应上行链路的建立完成。
接着，所述两个父装置可以分别尝试向面板注册子装置，通过每个父装置将来自子装置的注册消息在另一个上行信道（其在那时并未由相应父节点针对它们自身与面板的通信而被使用）上转发给面板来这样做。一旦该父装置已经在另一个上行信道上向面板注册了子装置，该父装置就可以在子装置和面板之间通过为了子装置的利益而维护的父装置的分离的上行和下行信道来交换消息。
总的来说，无线传感器装置间的无线通信系统如此形成，使得每个子传感器装置具有至少两个父传感器装置。每个子传感器装置将其数据传输两次（向每个父传感器装置传输一次）。传输被布置为在时间上直接相邻，并且对于每次传输都使用不同的传输频率，并且该传输频率由每个接收机以伪随机的方式来确定。由于不同频率下的这些传输在时间上是紧邻的，因此，两个频率都被临近的干扰所使用的几率很小。此外，由于两个不同接收机在空间上是相分离的，其中干扰源在接收机之一的附近，并且同时使用相同的信道将不会对使用不同信道的另一个接收机产生影响。
在同一个无线网状网系统中，两个不同的父传感器装置在几乎相邻的时隙以由每个父传感器装置伪随机分配的不同频率冗余地向网状网中子传感器传输数据。
在以上的两个方法中，都保持传输的持续时间尽可能短（至少要比大多数干扰源低一个数量级）。大多数在相同频段操作的商业可用的移动装置在每个频隙中使用最大可用的停留时间。在不同频率处在相邻或几乎相邻的时隙上冗余传输的数据的更短的停留时间，用来减缓使用较长停留时间的干扰源的影响。为了进一步减少临近干扰的影响，可以额外使用天线分集。当使用天线分集时，通过装置内的处理电路来选择每个装置上的多根天线，以最大化有关所需信号的增益，并最小化有关干扰源的增益。
如图2所示，在非常近距离内存在干扰源（例如，手机、对讲机等）不应当影响从子无线装置到父无线装置的传输。在这点上，网状网可以以时分复用（TDM）的方式工作。在设立过程中，控制面板中的通信处理器可以从帧设立文件36下载预先确定的一组操作参数，所述文件定义了帧操作的细节以及系统将在其内操作的超帧的细节。通信处理器可以通过经由控制面板中的收发器传输的信号来建立帧和超帧的定时。该文件可以指定超帧中的帧的数量、每帧中的时隙数以及每帧中的每个时隙的持续时间。
在这点上，帧设立文件可以包括预先确定的频率列表，父收发器和子收发器可以在这些频率下操作。在每个子无线传感器和父无线传感器中的信道处理器可以通过频率列表使用跳频，其中对应的子收发器和父收发器在每一帧同步地提升一个频率。可替代地，对应的子收发器和父收发器可利用每个收发器34中的匹配伪随机数生成器38，以在每个传输时隙期间同时从列表中选择相同的频率。
总的来说，子无线传感器可以将分配的时隙一分为二，并且利用该时隙的一半向第一父传感器传输消息，意见利用时隙的第二半在不同频率下向第二父传感器传输该消息的副本。可替代地，子传感器可以利用两个连续的时隙向两个父传感器进行传输。以这样的方式，在向第一个父传感器的传输完成之后立即开始对第二个父传感器的传输。
相似地，至少两个父传感器中的每一个父传感器在两个直接相邻的时隙中或在时隙的直接相邻部分中传输消息。如图3所示，干扰源（例如，手机）可以在距离子传感器12英寸之内操作而不会阻碍来自任一父传感器的信号。
在另一个实施例（如图4所示）中，使用了波束形成。在这点上，无线传感器100利用包括第一天线102和第二天线104的分集布置。无线传感器中的信号优化处理器可以用来自每个父传感器的最强信号选择天线或利用波束形成，从每根天线时移信号以形成最强的可能信号。
在另一个实施例中，系统可以使用信道集合偏移来减少干扰的影响。如图1所示的系统以如此设计，其检测这些干扰并智能地移动到频段的末端边缘以减少干扰的影响。
例如，NCH1和NCH2定义了在图1的系统的正常操作中使用的主信道集合，其中NCH1用于主父传感器通信，并且NCH2用于从父传感器通信。当检测到干扰时，系统移动到从信道集合，其包括用于主父传感器通信的WCH1和用于从父传感器通信的WH2。由于WCH1和WH2位于频段的边缘，它们受干扰的影响较少。由于频段中在任何地方操作的干扰并不会同时影响WCH1和WCH2，因此广泛地减少了系统级影响。因此，运在频段边缘操作的系统装置在其空闲时间期间以特定周期对主信道集合（NCH1和NCH2）进行采样以检查干扰是否仍然存在。如果确认干扰不存，所述装置相互协调以一起移动回主信道集合。
为了实现信道偏移，在无干扰的情况下，主父无线传感器通常在主信道集合（NCH1）中监听，并且从父无线传感器在从信道集合（NCH2）中监听。在检测到干扰时（在NCH1和NCH2信道集合中），主和从父无线传感器顺序或同时移动到频段的边缘（WCH1和WCH2）。在这种模式下，主父无线传感器在主和从信道集合上都监听来自子节点的消息。相似地，从父无线传感器也在主和从信道集合上都监听来自子节点的消息。试图加入网络的装置总是首先尝试加入主信道集合中的网络，如果它们没能发现网络，则转移到从信道集合上。由于这种额外的冗余，使干扰对系统的影响最小化。
总的来说，系统执行了一组步骤，提供耦接至安全系统中的控制器的多个无线传感器装置，所述多个无线传感器装置被配置于无线网络中，所述无线网络保护受保护区域，在所述受保护区域处，所述无线传感器装置中的至少一个无线传感器装置进一步包括子传感器装置，所述子传感器装置至少通过第一和第二父传感器装置与控制器通信，所述子传感器装置测量受保护区域内的环境参数，并且所述子传感器装置通过至少两个父传感器装置中的每个向控制器传输至少包括测量到的环境参数的消息，在第一时间段期间并以第一频率向所述第一父传感器装置传输消息，并且在第二时间段期间并以第二频率向所述第二父传感器装置传输消息的副本，其中所述第一时间段和所述第二时间段以及所述第一频率和所述第二频率都不相同，并且所述第一时间段和所述第二时间段在时间上彼此直接相邻。
在另一个实施例中，系统包括耦接至安全系统中的控制器的多个无线传感器装置，所述多个无线传感器装置被配置于无线网络中，所述无线网络保护受保护区域，在所述受保护区域处，所述无线传感器装置中的至少一个无线传感器装置进一步包括，至少通过第一和第二父传感器装置与控制器通信的子传感器装置，所述子传感器装置的环境传感器测量所述受保护区域内的环境参数，并且所述子传感器装置的发射器用于通过至少两个父传感器装置中的每个向控制器传输至少包括测量到的环境参数的消息，在第一时间段期间并以第一频率向第一父传感器装置传输消息，并且在第二时间段期间并以第二频率向第二父传感器装置传输消息的副本，其中所述第一时间段和所述第二时间段以及所述第一频率和所述第二频率都不相同，并且其中所述第一时间段和所述第二时间段在时间上彼此直接相邻, 并且其中在完成对所述第一父传感器装置的传输后随即开始对第二父传感器装置的传输。
在又另一个实施例中，系统包括耦接至安全系统中的控制器的多个无线传感器装置，所述多个无线传感器装置被配置于无线网络中，所述无线网络保护受保护区域，在所述受保护区域处，所述无线传感器装置中至少一个无线传感器装置进一步包括，至少通过第一和第二父传感器装置与控制器通信的子传感器装置，所述子传感器装置的环境传感器测量受保护区域内的环境参数，并且该子传感器装置的收发器通过至少两个父传感器装置中的每个与所述控制器传输至少包括测量到的环境参数的消息，并且通过至少两个父传感器装置中的每个从中央监控站接收消息，子装置所传输的消息在第一时间段期间并且以第一频率被传输到第一父传感器装置，并且在第二时间段期间并且以第二频率向第二父传感器装置传输消息的副本，并且在第三时间段期间并且以第三频率从第一父传感器装置接收由子装置接收的消息，在第四时间段期间并且以第四频率从第二父传感器装置接收消息的副本，其中所述第一、第二、第三和第四时间段不重叠，并且所述第一、第二、第三和第四频率在时频方面与相邻的不同，并且其中所述第一和第二时间段在时间上彼此直接相邻，以及所述第三和第四时间段在时间上彼此直接相邻，并且其中在完成对第一父传感器的传输和来自其的接收后随即开始对第二父传感器装置的传输和来自其的接收。
从从前文将看出，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可实现多种变型和修改。将理解的是，并不意在或者应当推断对在此说明的具体装置进行限制。当然，所打算的是，所附权利要求覆盖落入权利要求范围之内的所有的这样的修改。

Claims (20)

1.一种用于无线安全系统的设备，包括：
耦接至安全系统中的控制器的多个无线传感器装置，其中所述多个无线传感器装置被配置于保护受保护区域的无线网络中，并且其中所述多个无线传感器装置中的至少一个无线传感器装置包括通过第一和第二父传感器装置与控制器进行通信的子传感器装置；
测量所述受保护区域内的环境参数的子传感器装置的环境传感器；以及
子传感器装置的发射器，其通过第一和第二父传感器装置中的每一个向控制器发送包括环境参数的消息。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述子传感器装置在第一时间段期间并以第一频率将所述消息传输到所述第一父传感器装置，并且在第二时间段期间并以第二频率将所述消息的副本传输到所述第二父传感器装置，其中所述第一和第二时间段以及所述第一和第二频率均是不同的。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述第一和第二时间段在时间上彼此直接相邻。
4.如权利要求2所述的设备，其中在完成将消息传输到第一父传感器装置之后，所述子传感器装置立即开始将消息的副本传输到所述第二父传感器装置。
5.如权利要求1所述的设备，还包括所述子传感器装置的处理器，所述处理器利用跳频来通过所述第一和第二父传感器装置将所述消息传输到所述控制器。
6.如权利要求1所述的设备，还包括所述子传感器装置的处理器，所述处理器利用跳频和时分复用来通过所述第一和第二父传感器装置将所述消息传输到所述控制器。
7.如权利要求1所述的设备，进一步包括所述第一和第二父传感器装置中的至少一个父传感器装置利用波束形成通过至少两个不同的天线接收所述消息。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述第一和第二父传感器装置包括分集天线。
9.如权利要求1所述的设备，进一步包括所述子传感器装置以及所述第一和第二父传感器装置在检测到干扰时同时移动到频带的边缘。
10.一种用于无线安全系统的设备，包括：
耦接至安全系统中的控制器的多个无线传感器装置，其中所述多个无线传感器装置被配置于保护受保护区域的无线网络中，并且其中所述多个无线传感器装置中的至少一个无线传感器装置包括通过第一和第二父传感器装置与所述控制器通信的子传感器装置；
测量所述受保护区域内的环境参数的所述子传感器装置的环境传感器；以及
所述子传感器装置的收发器通过所述第一和第二父传感器装置中的每一个将包括所述环境参数的第一消息传输到所述控制器，并且通过所述第一和第二父传感器装置中的每一个从所述控制器接收第二消息。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述子传感器装置在第一时间段期间并以第一频率将所述第一消息传输到所述第一父传感器装置，并且在第二时间段期间并以第二频率将所述第一消息的副本传输到所述第二父传感器装置。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述子传感器装置在第三时间段期间并以第三频率从所述第一父传感器装置接收所述第二消息，并且在第四时间段期间并以第四频率从所述第二父传感器装置接收所述第二消息的副本。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述第一、第二、第三和第四时间段是不重叠的，其中所述第一、第二、第三和第四频率均是不同的，其中所述第一和第二时间段在时间上彼此直接相邻，并且其中所述第三和第四时间段在时间上彼此直接相邻。
14.如权利要求10所述的设备，其中在完成将所述第一消息传输到所述第一父传感器装置之后，所述子传感器装置立即开始将所述第一消息的副本传输到所述第二父传感器装置。
15.如权利要求10所述的设备，其中在完全从所述第一父传感器装置接收到所述第二消息之后，所述子传感器装置立即开始从所述第二父传感器装置接收所述第二消息的副本。
16.一种用于无线安全系统的方法，包括：
提供耦接到安全系统中的控制器的多个无线传感器装置，其中所述多个无线传感器装置被配置于保护受保护区域的无线网络中，其中所述多个无线传感器装置中的至少一个无线传感器装置包括子传感器装置，所述子传感器装置通过第一和第二父传感器装置与所述控制器通信；
所述子传感器装置测量所述受保护区域内的环境参数；以及
所述子传感器装置通过所述第一和第二父传感器装置中的每一个将包括所述环境参数的第一消息传输到所述控制器。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述多个无线传感器装置中的至少一个无线传感器装置包括通过第一和第二父传感器装置与所述控制器通信的子传感器装置，并且其中多个无线传感器中的每一个包括传感器、中继器或输出装置。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述子传感器装置在第一时间段期间并以第一频率将所述第一消息传输到所述第一父传感器装置，并且在第二时间段期间并以第二频率将所述第一消息的副本传输到所述第二父传感器装置。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二时间段以及所述第一和第二频率均是不同的，并且其中所述第二时间段在所述第一时间段结束之后立即开始。
20.如权利要求16所述的方法，还包括：所述控制器通过所述第一和第二父传感器装置中的每一个向所述子传感器装置发送第二消息，其中所述第一父传感器装置在第三时间段期间并以第三频率将所述第二消息传输到所述子传感器装置，其中所述第二父传感器装置在第四时间段期间并以第四频率将所述第二消息的副本传输到所述子传感器装置，其中所述第三和第四时间段以及第三和第四频率均是不同的，并且其中所述第三和第四时间段在时间上彼此直接相邻。
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