CN111066352A - 在无线传感器网络内利用改进网络帧结构架构提供通信的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于在无线传感器网络内利用改进的网络帧结构提供通信的系统和方法。在一个实施例中，系统包括集线器，该集线器具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路。该系统还包括多个传感器节点，每个传感器节点具有带有发送器和接收器的无线装置以在无线网络架构中实现与集线器的双向通信。集线器的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间在向传感器节点发送通知时，使得将传感器节点的接收器的第一功率模式改变到第二功率模式。

Description

在无线传感器网络内利用改进网络帧结构架构提供通信的系 统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月23日提交的申请号为15/684,894的美国申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及在无线传感器网络内利用改进网络帧结构架构提供通信的系统和方法。
背景技术
在消费电子和计算机行业，已经对无线传感器网络研究了很多年。在典型的无线传感器网络中，结合无线电实施一个或多个传感器，以实现从部署在网络内的一个或多个传感器节点的数据的无线收集。每个传感器节点可包括一个或多个传感器，并且将包括无线电和用于为传感器节点的操作供电的电源。对于具有大量传感器节点的网络而言，先前的无线系统难以同时实现低功率和低延迟。为每个传感器节点提供专用时隙会导致下一时隙的等待时间过长。如果大量传感器节点同时发送，则为每个传感器节点提供随机访问会导致冲突。
发明内容
对于本发明的一个实施例，本文公开了在针对传感器节点的改进网络帧结构的无线传感器网络内提供通信的系统和方法。在一个实施例中，一种系统包括集线器，该集线器具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路。该系统还包括多个传感器节点，每个传感器节点具有带有发送器和接收器的无线装置以在无线网络架构中实现与集线器的双向通信。集线器的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间在向传感器节点发送通知时，使得将从传感器节点的接收器的第一功率模式改变到第二功率模式。
在一个示例中，一种无线网络架构的传感器节点包括至少一个传感器、用于存储指令的存储器以及联接到存储器和该至少一个传感器的处理逻辑。处理逻辑运行指令，以用于处理从至少一个传感器接收的数据并用于处理传感器节点的通信。射频(RF)电路联接到处理逻辑。RF电路包括发送器和接收器功能，以在无线网络架构中将通信发送到集线器并从集线器接收通信。处理逻辑被配置成运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间在从集线器接收具有控制或警报信息的通信时，以将接收器功能的第一低功率模式改变为第二功率模式，其中控制或警报信息源自集线器或一组传感器节点。
本发明的实施例的其他特征和优点将从附图和下面的详细描述中变得显而易见。
附图说明
在附图的图形中以示例而非限制的方式示出了本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1例示出根据一个实施例的针对改进网络帧结构的不同类型通信而具有不同长度时隙的无线节点的示例性系统。
图2示出根据一个实施例的主要具有能够实现网状网络功能的树状网络架构的系统，在该网状网络功能中，传感器节点对于不同类型通信可以具有不同长度的时隙并且当适于改进网络帧结构时可以抑制通知。
图3示出根据一个实施例的具有非对称树状和网状网络架构的系统，该网络架构具有多个集线器，其中每组传感器节点基于用于通信的伪随机算法而分配有时隙。
图4例示出根据一个实施例的针对无线网络架构中的无线节点的不同类型通信而具有不同长度时隙的时间线。
图5例示出根据一个实施例的针对无线传感器网络中的无线传感器节点确定对于不同类型通信的不同长度的时隙并且当适于改进网络帧结构时抑制通知的方法。
图6例示出根据一个实施例的根据无线传感器网络中的无线传感器节点的可扩展且节能的下行链路警报传递的方法。
图7例示出根据一个实施例的针对无线网络架构中的无线节点具有可扩展且节能方式的下行链路警报传递的时间线。
图8例示出根据一个实施例的用于在无线传感器网络中以节能方式操作传感器节点的方法。
图9A示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖层1500的集线器的示例性实施例。
图9B示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖层的集线器1520的框图的分解视图的示例性实施例。
图10A示出根据一个实施例的被实施为用于部署在计算机系统、应用或通信集线器中的卡的集线器的示例性实施例。
图10B示出根据一个实施例的被实施为用于部署在计算机系统、应用或通信集线器中的卡的集线器1664的框图的示例性实施例。
图10C示出根据一个实施例的被实施在应用(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其他智能应用等)内的集线器的示例性实施例。
图10D示出根据一个实施例的被实施在应用(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其他智能应用等)内的集线器1684的框图的分解视图的示例性实施例。
图11例示出根据一个实施例的传感器节点的框图。
图12例示出根据一个实施例的具有集线器的系统或应用1800的框图。
具体实施方式
本文公开了用于在具有改进网络帧结构架构的无线传感器网络内提供通信的系统和方法。在一个实施例中，系统包括集线器，该集线器具有一个或多个处理单元和用于在无线网络架构中发送和接收通信的RF电路。该系统还包括多个传感器节点，每个传感器节点具有带有发送器功能和接收器功能的无线装置，以在无线网络架构中实现与集线器的双向通信。集线器的一个或多个处理单元被配置成在重复的集线器广播时隙期间向传感器节点发送通知时，运行指令以使得从传感器节点的接收器功能的第一功率模式改变到第二功率模式，其中该通知源自集线器或不同的传感器节点。
在一个示例中，该通知源自集线器或不同的传感器节点。
集线器可包括RF电路，该RF电路可在相关时间段期间进行操作，以用于在无线网络中，特别是在室内环境中，向传感器节点接收和发送通信。为此目的，也假设室内环境包括诸如在建筑物和其他结构周围区域中的附近室内环境，其中可能存在类似的事物(例如，存在附近墙壁等)。
无线网络包括集线器和属于一组或多组装置(例如，传感器节点)的装置。装置大多处于睡眠状态以节省电力，然而集线器一直监听来自装置的任何通知。装置偶尔必须向集线器和其所属组中的其他装置发送通知。通知通常以突发形式出现。某些装置比其他装置更有可能同时收到通知。如果在突发期间允许随机访问，则装置的数量是足够大以阻塞无线连接。如果大量装置最终同时发送，则具有随机访问的装置会导致冲突。装置的数量也是足够大，使得每个装置的专用时隙导致装置的两个时隙之间的时间很长，因此不能保证低延迟。
在具有大量装置(例如，至少5个装置，至少10个装置)的网络中，很难同时实现低功率和低延迟。如802.15.4TSCH的时隙帧结构具有较大的时隙长度，并且这仅对于数据传输有效。较小控制数据包仅会使用时隙的一部分，这使得对于具有混合有较大数据包的大量控制信息的应用，网络吞吐量非常低。
本设计针对可有益于装置的应用，使得每当需要时能够通过低功率模式与装置的某些子集通信或者唤醒装置的某些子集。
本设计包括以下主要改进：1)短上行链路控制时隙、下行链路转发时隙和较长数据时隙的混合；2)通过对装置进行分组来启用控制信号抑制。
在一个实施例中，可利用电力供应的非对称性以在无线非对称网络架构中提供较长的通信距离，同时保持由电池源供电的节点的较长电池寿命。在示例性实施例中，可实现在通信节点之间的20米的通信距离，同时提供电池供电的节点的较长电池寿命(例如，约10年、至少10年)。根据本发明的实施例，这可通过实施能量感知网络协议来实现。具体地，可使用具有基于网状特征的树状网络架构，其中在树的终端上使用长寿命电池供电的节点。
在于2015年1月29日提交的申请号为14/607,045的美国专利申请、于2015年1月29日提交的申请号为14/607,047的美国专利申请、于2015年1月29日提交的申请号为14/607,048的美国专利申请以及于2015年1月29日提交的申请号为14/607,050的美国专利申请中已经描述了示例性树状网络架构，这些专利申请通过引用整体并入本文。
无线传感器网络被描述为用于包括住宅、公寓、办公室和商业建筑物的室内环境，以及附近的外部场所，诸如停车场、人行道和花园。无线传感器网络也可用于具有电源的任何类型的建筑物、结构、围墙(enclosure)、车辆、船等中。传感器系统提供传感器节点的良好电池寿命，同时保持较长的通信距离。
图1例示出根据一个实施例的针对改进的网络帧结构的不同类型通信具有不同长度时隙的无线节点的示例性系统。根据一个实施例，系统100主要具有能够实现网状网络功能的树形网络架构。系统100主要具有用于标准通信(例如，节点识别信息、通知、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息、用于无线传感器网络的其他此类信息、渡越时间(TOF)通信等)的树形网络架构。系统100包括具有无线控制装置111的集线器110、具有无线装置121的传感器节点120、具有无线装置125的传感器节点124、具有无线装置129的传感器节点128、具有无线装置131的传感器节点130以及具有无线装置133的传感器节点132。未示出的附加集线器可与集线器110或其他集线器通信。每个集线器与传感器节点120、124、128、130和132双向通信。集线器还被设计成与其他装置(例如，客户端装置、移动装置、平板装置、计算装置、智能应用、智能TV等)双向通信。
在一个实施例中，集线器110的控制装置111被配置成运行指令，以确定针对集线器和传感器节点(例如，节点120、124、128、130、132)之间的不同类型通信的不同长度的时隙。例如，控制装置111可被配置成确定较短的上行链路控制时隙、下行链路转发时隙和较长的数据时隙。集线器或传感器节点还被配置成当由于传感器节点的分组而处于适当时，抑制通知。
如果传感器节点仅具有与较高层集线器或节点的上行通信，不具有与另一集线器或节点的下行通信，则该传感器节点是终端节点。每个无线装置包括具有发送器和接收器(或收发器)的RF电路以实现与集线器或其他传感器节点的双向通信。
图2示出根据一个实施例的主要具有能够实现网状网络功能的树状网络架构的系统，在该网状网络功能中，传感器节点可以具有针对对于不同类型通信的不同长度的时隙并且在适于改进的网络帧结构时可以抑制通知。系统250可建立网状网络架构，该网状网络架构基于被触发的阈值标准(例如，至少一个节点移动特定距离，节点和集线器之间的路径长度改变特定距离)来确定传感器节点的位置。系统250包括集线器210、节点220、224、228、230、232的第一组295以及节点270、280和290的第二组296。传感器节点可被分配到不同的组中。在另一示例中，组296被分成节点220和224的第一子组以及节点228、230和232的第二子组。在一个示例中，每个组(或子组)被分配伪随机时隙，用于与其他节点或集线器通信。
集线器210包括无线装置211，传感器节点220包括无线装置221，传感器节点224包括无线装置225，传感器节点228包括无线装置229，传感器节点230包括无线装置231，传感器节点232包括无线装置233，传感器节点270包括无线装置271，传感器节点280包括无线装置281，并且传感器节点290包括无线装置291。未示出的附加集线器可与集线器210或其他集线器通信。集线器210与传感器节点双向通信。
这些通信包括无线非对称网络架构中的双向通信240-244、272、282和292。传感器节点基于通信261-266、273和283彼此双向通信，以针对不同的应用提供网状功能，包括确定集线器和传感器节点的位置。
在一个实施例中，集线器210的控制装置211被配置成运行指令，以针对集线器和传感器节点之间的不同类型通信而确定不同长度的时隙。例如，控制装置211可被配置成确定较短的上行链路控制时隙、下行链路转发时隙和较长的数据时隙。集线器或传感器节点还被配置成当由于传感器节点的分组而处于适当状态时，抑制通知。
图3示出根据一个实施例的具有非对称树状和网状网络架构的系统，该网络架构具有多个集线器，其中每组传感器节点基于用于通信的伪随机算法而分配有时隙。系统700包括具有无线控制装置711的中央集线器710、具有无线控制装置721的集线器720、具有无线控制装置783的集线器782以及包括具有无线控制装置n的集线器n的附加集线器。未示出的附加集线器可与中央集线器710、其他集线器进行通信，或者可以是附加的中央集线器。每个集线器与其他集线器以及一个或多个传感器节点双向通信。集线器还被设计成与包括装置780(例如，客户端装置、移动装置、平板装置、计算装置、智能应用、智能TV等)的其他装置双向通信。
传感器节点730、740、750、760、770、788、792、n和n+1(或终端节点)各自分别包括无线装置731、741、751、761、771、789、793、758和753。如果传感器节点仅具有与较高层集线器或节点的上行通信，不具有与另一集线器或节点的下行通信，则该传感器节点是终端节点。每个无线装置包括具有发送器和接收器(或收发器)的RF电路以实现与集线器或其他传感器节点的双向通信。
在一个实施例中，中央集线器710与集线器720、782、集线器n、装置780以及节点760和节点770通信。这些通信包括在无线非对称网络架构中的通信722、724、774、772、764、762、781、784、786、714和712。具有无线控制装置711的中央集线器被配置成向其他集线器发送通信并且从其他集线器接收通信，以用于控制和监测无线非对称网络架构，包括基于针对不同类型通信而具有不同长度的时隙的伪随机算法来分配节点组和分配时隙。
集线器720与中央集线器710以及传感器节点730、740和750通信。与这些传感器节点的通信包括通信732、734、742、744、752和754。例如，从集线器720的角度来看，通信732由集线器接收，并且通信734被发送到传感器节点。从传感器节点730的角度来看，通信732被发送到集线器720，并且从集线器接收通信734。
在一个实施例中，中央集线器(或其他集线器)将节点760和770分配到组716，将节点730、740和750分配到组715，将节点788和792分配到组717，并且将节点n和n+1分配到组n。在另一示例中，将组716和715组合成单个组。
中央集线器的无线控制装置被配置成单独地或与其他集线器组合地运行指令，以针对集线器和传感器节点之间的不同类型通信而确定不同长度的时隙。例如，集线器可被配置成确定较短的上行链路控制时隙、下行链路转发时隙和较长的数据时隙。集线器或传感器节点还被配置成当处于适当状态时(例如，当不需要或不想要某些通知时)抑制通知。
通过使用图1至图3所例示的架构，需要较长电池寿命的节点最小化消耗在通信上的能量，并且树状层级中的较高层节点使用可用的能量源来实施，或者可选择性地使用提供了更高容量或供给较短电池寿命的电池。为了便于在电池供电的终端节点上实现较长的电池寿命，可在这些节点与其上层的对等物(以下称为最低层集线器)之间建立通信，使得在最低层集线器与终端节点之间产生最少的发送和接收流量。
在一个实施例中，节点将其大部分时间(例如，超过其时间的90％、超过其时间的95％、大约其时间的98％或超过其时间的99％)花费在低能量的非通信状态。当节点醒来并进入通信状态时，节点可操作为将数据发送到最低层集线器。该数据可包括用于无线传感器网络的节点识别信息、传感器数据、节点状态信息、同步信息、定位信息和其他此类信息。
在一个示例中，为了节省电力，以低功率模式(例如，睡眠状态)配置的传感器节点仅在较高功率模式下醒来，并检查下行链路转发时隙中是否具有通信信号。通常接收上行链路流量的集线器使用该时隙来转发它已经接收的任何短组消息。在接收到消息之后，该消息中的组标识符告知接收传感器节点，哪个组应当做出反应或保持唤醒。需要发送组消息的传感器节点以随机确定的方式使用上行链路时隙中的一个。可计算随机时隙，使得在一个组内发生冲突的可能性很小(或者根本没有可能)。这在可由更可能同时发送控制信息的传感器节点形成组的应用中将是有益的。例如，感测空间占用的网络包括多组传感器节点。与当前未感测占用的第二组传感器节点相反，当第一组内的每个传感器节点检测到占用时，第一组内的每个传感器节点更有可能几乎同时地发送控制信息。
在控制消息的主要目的是唤醒一组装置并且该组装置更有可能具有若干装置以被同时唤醒的应用中，没必要对所有装置(例如，传感器节点)发送唤醒命令。本设计包括信号抑制的概念，以减少无线网络的阻塞。当一个组中的若干装置试图发送控制信息时，这些装置使用伪随机分配的时隙。在等待它们的发送时隙的同时，这些装置具有可操作的接收模式来检测来自相同组的任何其他发送。如果检测到来自该组中另一装置的发送，则该装置取消其自身未来的发送，以减少无线网络的网络阻塞。如果通知的控制数据包最终由组中装置中的一个发送，则可在随后的下行链路广播时隙中检测到该组中的任何装置成功接收到该控制数据包或另一控制数据包的确认。如果检测到确认，则接收该确认的该组中的所有装置将抑制它们的未来发送。否则，该装置继续重复发送控制数据包，直到检测到对至少一次发送的确认。
图4例示出根据一个实施例的针对无线网络架构中的无线节点，具有针对不同类型通信的不同长度时隙的时间线。广播信标信号402-406在时间线450上周期性地重复。广播信标信号可包括向其他系统指示这是信标帧的1字节字段x，1字节字段x之后的、包括关于可在信标信息440内可找到帧相关信息441和442的信息的字段y。如422的帧是集线器和节点可在没有其他系统干扰的情况下进行通信的时隙。在这些帧期间，可发送数据、确认信号、通知、信标或MAC命令包。
在专有内容之前，在信标开头使用已知协议定义该帧，在所保证的时隙的时间段期间防止其他系统进行发送。在一个示例中，基于在每个信标的开头包括帧信息441和442，在时间段422(或其他类似的周期性时间段)期间，将没有其他系统(例如，IEEE 802.15.4系统)进行发送。帧顺序字段442包括关于帧长度的信息，并且信标顺序字段441包括关于两个帧之间的时间的信息。
在于2015年10月28日提交的申请号为14/925,889的美国专利申请中已经描述了网络帧架构的其他细节，该申请通过引用整体并入本文。
在一个示例中，集线器利用伪随机算法来确定第一组传感器节点的时隙411-420。伪随机算法可针对不同类型通信而定义不同长度的时隙。在一个示例中，第一组中的装置(例如，传感器节点)具有可操作发送器，用于在时隙信号411、412和415-420期间发送通知(例如，控制信息、警报信息)。第一组中的装置(例如，传感器节点)具有可操作发送器，用于在较长的时隙信号413-414期间发送数据通信。对于多个传感器节点，可将每个时隙信号划分成较短的时隙。
图5例示出根据一个实施例的针对无线传感器网络中的无线传感器节点，确定不同类型通信的不同长度的时隙以及当适于改进的网络帧结构时抑制通知的方法。方法500的操作可由无线装置、集线器(例如，设备)的无线控制装置或者包括处理电路或处理逻辑的系统来运行。处理逻辑可包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或装置上运行的软件)或两者的组合。在一个实施例中，锚节点、集线器或无线装置执行方法500的操作。
在操作501，初始化具有多个无线节点和至少一个集线器的无线网络架构。初始化可包括确定多个无线节点中的每一个的位置。
在操作502，集线器的处理逻辑确定无线传感器节点的组、每个组的组标识符、每个传感器节点的第一装置标识符以及每个传感器节点的第二缩短或减少的装置标识符。在操作504，集线器的处理逻辑针对无线网络内的通知确定第一时隙长度(例如，30个单位、约300微秒、小于500微秒等)，并且针对数据通信确定不同的第二时隙长度(例如，1000个单位、约10毫秒、至少1毫秒等)。在一个示例中，无线网络被优化为在第一时间段内利用第一时隙长度(例如，30个单位、约300微秒、小于500微秒等)进行通知，并且在第二时间段内利用不同的第二时隙长度(例如，1000个单位、约10毫秒、至少1毫秒等)进行数据通信。集线器可根据无线传感器网络的特定应用而在第一和第二时隙长度之间切换。
在操作506，集线器的处理逻辑基于每个传感器节点的第二装置标识符来确定每个传感器节点的散列函数。集线器可以以下方式来分配缩短装置标识符：使得基于缩短装置标识符的散列函数可有效地将上行链路数据包分布到所有可用的时隙。
在操作508，集线器的处理逻辑运行伪随机算法，以至少基于散列函数、第二装置标识符、时间和组标识符，将时隙随机地分配到每个传感器节点。伪随机时隙是基于组中的传感器节点相比于相同组中的其他传感器节点不太可能具有相同时隙，而不同组中的传感器节点更可能占用相同时隙而设计的。
在一个示例中，由无线传感器网络感测的触发事件导致生成警报信号，并且该警报信号应当被可靠地传递，这需要重新发送机制。可同时从多个传感器节点发送警报信号，因此需要大量的上行警报微时隙。依赖单播的重新发送机制可增加微时隙大小，这限制了上行链路警报微时隙的数量。
在一个示例中，警报信号是每星群(例如，每组)控制数据包。随着星群的数量增加，TDMA系统将需要更多数量的下行链路警报时隙，这是不可扩展的。此外，因为多个下行链路警报时隙迫使传感器节点在更多时隙内具有主动接收模式来接收警报数据包，这导致传感器节点的RF模块的活动时长增加。
因此，本设计提供了一种可扩展且节能的下行链路警报传递方式。图6例示出根据一个实施例的用于根据无线传感器网络中的无线传感器节点的可扩展且节能的下行链路警报传递的方法。方法600的操作可由无线装置、集线器(例如，设备)的无线控制装置或者包括处理电路或处理逻辑的系统来运行。处理逻辑可包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或装置上运行的软件)或两者的组合。在一个实施例中，节点、集线器或无线装置执行方法600的操作。
在操作602，集线器从至少一组传感器节点接收带有警报信息的通信。在操作604，集线器通过等待在特定时段期间从附加传感器节点和潜在不同组的传感器节点接收带有警报信息(例如，上行链路警报)的附加通信，提供目标警报延迟。
然后，在操作606，集线器识别来自多组传感器节点(例如，星群)的唯一警报，并且将不同组的传感器节点(例如，星群)的多个警报信息组合成具有警报数据包的通信。在一个示例中，第一组传感器节点向集线器发送第一警报信息，并且第二组传感器节点向集线器发送第二警报信息。在操作608，集线器分配每个传感器节点处于主动接收模式时所需要接收的下行链路警报时隙。集线器可通过使用散列函数(例如，y＝f(星群id))来将下行链路警报时隙分配到传感器节点。
在操作610，集线器被配置成在重复的集线器广播时隙期间向至少一个传感器节点发送通知时，运行指令以使得从至少一个传感器节点的接收器的第一功率模式改变到第二功率模式，其中该通知源自集线器或不同的传感器节点。传感器节点可能需要具有第二功率模式(例如，主动接收模式)。
图7例示出根据一个实施例的针对无线网络架构中的无线节点具有可扩展且节能方式的下行链路警报传递的时间线。广播信标信号702在时间线700上周期性地重复。广播信标信号可包括向其他系统指示这是信标帧的1字节字段，该1字节字段之后是可包括其他信息的其他字段。聚集警报信号704可包括来自多个传感器节点和多组传感器的警报信息。集线器移除警报信息的装置标识符，并将组标识符添加到警报信息。传感器节点可监测聚集警报信息的警报信息，以识别特定传感器节点的相关组标识符。信号706可包括不同组标识符的附加聚集警报信息，或者信号706可以是不同类型的控制数据包。例如，聚集多个信息可用于其他控制数据包，诸如利用传感器节点捕获图像、获取图像和删除图像等。
在一个示例中，聚集警报信号704包括组1-4的警报信息，并且聚集警报信号706包括组5-8的警报信息。
本设计通过利用检测到的转发警报信号作为确认信号来提供警报重新发送机制。在发送广播警报信号之后，发送警报信号的传感器节点等待下一警报时隙，以检查所发送的警报信号是否已被转发(例如，由集线器转发)。如果传感器节点能够接收所转发的警报信号，则这指示集线器接收了警报信号，这将不会触发警报信号的重新发送。否则，当没有从传感器节点向集线器传递警报时，传感器节点重新发送关于这种情况的警报信号。
在一个示例中，传感器节点检测触发事件，该触发事件引起传感器节点在下一随机确定的时隙期间生成并发送警报信号。集线器接收警报信号，并且基于接收警报信号来确定动作(例如，重复引起所有节点醒来的警报信号，使警报信号被发送到业主、警察局、消防站、救护车等)。在唤醒其他传感器节点时，集线器可从其他传感器接收额外的通信。然后，集线器可基于附加通信来确定适当的动作。例如，在从集线器接收唤醒信号之后，所有传感器可捕获图像，并且将图像发送到集线器进行分析。
在一个示例中，数据的重新发送是基于是否检测到确认通信。为了减少时隙长度，载波侦听和时隙内的补偿时隙是不合适的。
因此，本设计通过将从传感器节点到集线器的上行链路数据包扩展到所有可用时隙上，减少了从多个节点发送上行链路数据包期间发生冲突的机会。本设计利用了时隙选择的随机性。
图8例示出根据一个实施例的用于在无线传感器网络中以节能方式操作传感器节点的方法。方法800的操作可由无线装置、集线器(例如，设备)的无线控制装置或者包括处理电路或处理逻辑的系统来运行。处理逻辑可包括硬件(电路、专用逻辑等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或装置上运行的软件)或两者的组合。在一个实施例中，传感器节点或无线装置执行方法800的操作。
在操作802，传感器节点的处理逻辑被配置成在重复集线器广播时隙期间，在从集线器接收具有控制或警报信息的通信时，将传感器节点的接收器功能的第一低功率模式改变为第二功率模式，其中控制或警报信息源自集线器或一组传感器节点。传感器节点的接收器功能被配置为在第一功率模式期间以最小功率水平来收听广播消息(例如，仅可操作的接收器功能)，并且可在第二功率模式期间以高于最小功率水平的任何功率水平进行操作，包括具有可操作的发送器功能。
在操作808，传感器节点的处理逻辑被配置成运行指令，以确定所接收通信的组标识符，确定传感器节点的组标识符，并且如果所接收通信的组标识符与传感器节点的组标识符匹配，则取消从传感器节点发送通信，以减少无线网络内的阻塞。
在一个示例中，形成一组传感器节点，以增加该组传感器节点将在大致相同的时间或接近的时间发送通信的可能性。
在操作810，传感器节点的处理逻辑被配置成运行指令以发送通信，通过检查用于通知转发的下一集线器广播时隙来验证任何通信的成功接收，并且当未验证到成功接收时，利用伪随机函数的至少一个经修改参数来重新发送该通信。
本文讨论的集线器和节点之间的通信可使用各种方法来实现，包括但不限于使用射频的直接无线通信，通过将信号调制到房屋、公寓、商业建筑物等内的电线上而实现的电力线通信；使用诸如802.11a、802.11b、802.11η、802.11ac的标准WiFi通信协议的WiFi通信；以及对本领域普通技术人员来说显而易见的其他这种Wifi通信协议，诸如GPRS、EDGE、3G、HSPDA、LTE的蜂窝通信；以及对本领域普通技术人员来说显而易见的其他蜂窝通信协议；蓝牙通信；使用诸如Zigbee的公知无线传感器网络协议的通信；以及对本领域普通技术人员来说显而易见的其他基于有线或无线的通信方案。
终端节点和集线器之间的射频通信的实施方案可以多种方式来实施，包括窄带、信道重叠、信道步进、多信道宽带及超宽带通信。
根据本发明的实施例，集线器可以多种方式被物理地实施。图9A示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖层1500的集线器的示例性实施例。覆盖层1500(例如，面板)包括集线器1510和将该集线器联接到电源插座1502的连接部1512(例如，通信链路、信号线、电连接等)。可选地(或另外地)，集线器联接到出口1504。为了安全和美观的目的，覆盖层1500覆盖或包围电源插座1502和1504。
图9B示出根据一个实施例的被实施为用于电源插座的覆盖层的集线器1520的框图的分解视图的示例性实施例。集线器1520包括电源整流器1530，其将周期性地反转方向的交流电(AC)转换成只在一个方向上流动的直流电(DC)。电源整流器1530经由连接部1512(例如，通信链路、信号线、电连接等)从出口1502接收AC，并将AC转换成DC，以经由连接部1532(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1540供电，以及经由连接部1534(例如，通信链路、信号线、电连接等)向RF电路1550供电。控制器电路1540包括存储器1542或被联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1540的处理逻辑1544(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，以用于控制集线器的操作来形成、监测和执行如本文所讨论的无线非对称网络的定位。RF电路1550可包括功能为经由天线1552与无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器1554和接收器1556。RF电路1550经由连接部1534(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1540双向通信。集线器1520可以是无线控制装置1520或者是可形成如本文所讨论的无线控制装置的控制器电路1540、RF电路1550和天线1552的组合。
图10A示出根据一个实施例的被实施为部署在计算机系统、应用或通信集线器中的卡的集线器的示例性实施例。如箭头1663所示，卡1662可被插入到系统1660(例如，计算机系统、应用或通信集线器)中。
图10B示出根据一个实施例的被实施为部署在计算机系统、应用或通信集线器中的卡的集线器1664的框图的示例性实施例。集线器1664包括电源1666，其经由连接部1674(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1668提供电力(例如，DC电源)，并经由连接部1676(例如，通信链路、信号线、电连接等)向RF电路1670提供电力。控制器电路1668包括存储器1661或被联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1668的处理逻辑1663(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，以用于控制集线器的操作来形成、监测和执行如本文所讨论的无线非对称网络内的通信。RF电路1670可包括功能为经由天线1678与无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器1675和接收器1677。RF电路1670经由连接部1672(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1668双向通信。集线器1664可以是无线控制装置1664，或者可形成如本文所讨论的无线控制装置的控制器电路1668、RF电路1670和天线1678的组合。
图10C示出根据一个实施例的被实施在应用(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其他智能应用等)内的集线器的示例性实施例。应用1680(例如，智能洗衣机)包括集线器1682。
图10D示出根据一个实施例的被实施在应用(例如，智能洗衣机、智能冰箱、智能恒温器、其他智能应用等)内的集线器1684的框图的分解视图的示例性实施例。集线器包括电源1686，其经由连接部1696(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1690提供电力(例如，DC电源)，并经由连接部1698(例如，通信链路、信号线、电连接等)向RF电路1692提供电力。控制器电路1690包括存储器1691或被联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1690的处理逻辑1688(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，以用于控制集线器的操作来形成、监测和执行如本文所讨论的无线非对称网络的定位。RF电路1692可包括功能为经由天线1699与无线传感器节点进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器1694和接收器1695。RF电路1692经由连接部1689(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1690双向通信。集线器1684可以是无线控制装置1684，或者可形成如本文所讨论的无线控制装置的控制器电路1690、RF电路1692和天线1699的组合。
在一个实施例中，用于提供无线非对称网络架构的设备(例如，集线器)包括用于存储指令的存储器、运行指令来建立和控制无线非对称网络架构中的通信的集线器的处理逻辑(例如，一个或多个处理单元、处理逻辑1544、处理逻辑1663、处理逻辑1688、处理逻辑1763、处理逻辑1888)，以及包括多个天线(例如，天线1552，天线1678，天线1699，天线1311、1312及1313等)以在无线非对称网络架构中发送和接收通信的射频(RF)电路(例如，RF电路1550、RF电路1670、RF电路1692、RF电路1890)。RF电路和多个天线将通信发送到多个传感器节点(例如，节点1、节点2)，每个传感器节点具有无线装置，该无线装置带有发送器和接收器(或功能为发送器和接收器的收发器)以在无线非对称网络架构中实现与设备的RF电路的双向通信。一个或多个处理单元被配置成运行指令，以从至少一组传感器节点接收带有警报信息的至少一个通信，并且通过等待在特定时段期间从附加传感器节点和潜在不同组的传感器节点接收带有警报信息的附加通信来提供目标警报延迟。
在一个示例中，该设备的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以识别来自从至少一组传感器节点接收的至少一个通信中的唯一警报。
在另一示例中，该设备的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以将不同组的传感器节点的唯一警报的多个警报信息组合成具有警报数据包的通信。
在另一示例中，该设备的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以从第一组传感器节点接收具有第一警报信息的第一多个通信，并且从第二组传感器节点接收具有第二警报信息的第二多个通信。
在另一示例中，该设备的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以通过使用散列函数来分配用于待发送到传感器节点的警报数据包的下行链路警报时隙。
在另一示例中，该设备的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间，将带有警报信息的警报数据包发送到传感器节点时，使得从传感器节点的接收器的第一功率模式改变到第二功率模式。
可在无线传感器节点中使用各种电池，包括诸如锂离子、锂亚硫酰氯、锂锰氧化物、锂聚合物、磷酸锂的锂基化学物质，以及对本领域普通技术人员来说显而易见的其他此类化学物质。可使用的其他化学物质包括镍金属氢化物、标准碱性电池化学物质、银锌和锌空气电池化学物质、标准碳锌电池化学物质、铅酸电池化学物质，或对本领域普通技术人员来说显而易见的任何其他化学物质。
本发明还涉及一种用于执行本文所描述的操作的设备。该设备可为所需目的而特别构造，或者其可包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这种计算机程序可被存储在计算机可读存储介质中，诸如但不限于包括软盘、光盘、CD-ROM和磁光盘的任何类型的磁盘，只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，EPROM，EEPROM，磁卡或光卡，或适用于存储电子指令的任何类型的介质。
本文呈现的算法和显示并不固有地与任何特定的计算机或其他设备相关。各种通用系统可根据本文的教导与程序一起使用，或者其可证明对于构造更专用的设备来执行所需的方法操作是方便的。
图11例示出根据一个实施例的传感器节点的框图。传感器节点1700包括电源1710(例如，能量源、电池源、原电池、可充电电池等)，其经由连接部1774(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1720提供电力(例如，DC电力)，经由连接部1776(例如，通信链路、信号线、电连接等)向RF电路1770提供电力，并经由连接部1746(例如，通信链路、信号线、电连接等)向感测电路1740提供电力。控制器电路1720包括存储器1761或联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1720的处理逻辑1763(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，以用于控制传感器节点的操作来形成和监测如本文所讨论的无线非对称网络。RF电路1770(例如，通信电路)可包括功能为经由天线1778与集线器和可选的无线传感器节点进行发送和接收的双向通信的收发器或分开的发送器1775和接收器1777。RF电路1770经由连接部1772(例如，电连接)与控制器电路1720双向通信。感测电路1740包括各种类型的感测电路和传感器，其包括图像传感器和电路1742、湿敏传感器和电路1743、温度传感器和电路、湿度传感器和电路、空气质量传感器和电路、光传感器和电路、运动传感器和电路1744、音频传感器和电路1745、磁性传感器和电路1746、以及传感器和电路n等。
在一个实施例中，用于无线网络架构的传感器节点包括至少一个传感器、用于存储指令的存储器、联接到存储器和至少一个传感器的处理逻辑。处理逻辑运行指令，以处理从至少一个传感器接收的数据并且处理传感器节点的通信。传感器节点包括联接到处理逻辑的射频(RF)电路。RF电路包括发送器和接收器功能，以在无线网络架构中将通信发送到集线器并且从集线器接收通信。处理逻辑被配置成运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间从集线器接收具有控制或警报信息的通信时，将接收器功能的第一低功率模式改变为第二功率模式，其中控制或警报信息源自集线器或一组传感器节点。
在一个示例中，控制或警报信息源自集线器或一组传感器节点。
在另一示例中，传感器节点的接收器功能被配置成在第一功率模式期间以最小功率水平收听广播消息(例如，仅具有可操作的接收器功能)，并且可在第二功率模式期间以高于最小功率水平的任何水平进行操作，包括具有可操作的发送器功能。
在另一示例中，处理逻辑被配置成运行指令，以确定所接收通信的组标识符、确定传感器节点的组标识符，并且如果所接收通信的组标识符与传感器节点的组标识符匹配，则取消从传感器节点发送通信，以减少无线网络内的阻塞。
在另一示例中，形成传感器节点的组以增加该组中的传感器节点将在大致相同时间或接近时间发送通信的可能性。
在另一示例中，传感器节点利用电池源操作。
在另一示例中，处理逻辑被配置成运行指令以发送通信，以通过检查用于通知转发的下一集线器广播时隙来验证任何通信的成功接收，并且当未验证到成功接收时，利用伪随机函数的至少一个经修改参数来重新发送该通信。
在一个示例中，传感器节点被配置成运行指令以检测发送能量和发送前导码中的至少一个，从而在不消耗处理数据发送的功率的情况下确定发送。
图12例示出根据一个实施例的具有集线器的系统1800的框图。系统1800包括无线非对称网络架构的集线器1882或中央集线器，或者与线非对称网络架构的集线器1882或无中央集线器集成。系统1800(例如，计算装置、智能TV、智能应用、通信系统等)可与用于发送和接收无线通信的任何类型的无线装置(例如，蜂窝电话、无线电话、平板电脑、计算装置、智能TV、智能应用等)通信。系统1800包括处理系统1810，其包括控制器1820和处理单元1814。处理系统1810分别经由一个或多个双向通信链路或信号线1898、1818、1815、1816、1817、1813、1819、1811与以下通信：集线器1882、输入/输出(I/O)单元1830、射频(RF)电路1870、音频电路1860、用于捕获一个或多个图像或视频的光学装置1880、用于为系统1800确定运动数据(例如，三维)的可选运动单元1844(例如，加速度计、陀螺仪等)、功率管理系统1840以及机器可访问的非暂时介质1850。
集线器1882包括电源1891，其经由连接部1885(例如，通信链路、信号线、电连接等)向控制器电路1884提供电力(例如，DC电源)，并经由连接部1887(例如，通信链路、信号线、电连接等)向RF电路1890提供电力。控制器电路1884包括存储器1886或被联接到存储器，该存储器存储由控制器电路1884的处理逻辑1888(例如，一个或多个处理单元)运行的指令，以用于控制集线器的操作来形成和监测如本文所讨论的无线非对称网络。RF电路1890可包括功能为经由天线1896与无线传感器节点或其他集线器进行发送和接收双向通信的收发器或分开的发送器(TX)1892和接收器(RX)1894。RF电路1890经由连接1889(例如，通信链路、信号线、电连接等)与控制器电路1884双向通信。集线器1882可以是无线控制装置1884，或者可形成如本文所讨论的无线控制装置的控制器电路1884、RF电路1890和天线1896的组合。
系统的RF电路1870和天线1871或集线器1882的RF电路1890和天线1896用于通过无线链路或网络向本文讨论的集线器或传感器节点的一个或多个其他无线装置发送和接收信息。音频电路1860联接到音频扬声器1862和麦克风1064，并且包括用于处理语音信号的已知电路。一个或多个处理单元1814经由控制器1820与一个或多个机器可访问的非暂时介质1850(例如，计算机可读介质)进行通信。介质1850可以是可以存储由一个或多个处理单元1814使用的代码和/或数据的任何装置或介质(例如，存储装置、存储介质)。介质1850可包括存储器层级，包括但不限于高速缓存、主存储器和辅助存储器。
介质1850或存储器1886存储体现本文所描述的任何一种或多种方法或功能的一组或多组指令(或软件)。软件可包括操作系统1852，用于建立、监测和控制无线非对称网络架构的网络服务软件1856，通信模块1854和应用1858(例如，住宅或建筑物安全应用、住宅或建筑物完整性应用、开发者应用等)。在由装置1800运行软件期间，软件还可完全地或至少部分地驻留在介质1850、存储器1886、处理逻辑1888内或处理单元1814内。图18所示的组件可在硬件、软件、固件或其任意组合中实施，包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路。
通信模块1854实现与其他装置的通信。I/O单元1830与不同类型的输入/输出(I/O)装置1834(例如，显示器、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器、阴极射线管(CRT)、触摸显示装置或用于接收用户输入和显示输出的触摸屏、可选的字母数字输入装置)通信。
在一个实施例中，系统包括集线器和多个传感器节点，其中集线器具有一个或多个处理单元和用于在无线网络的无线网络架构中发送和接收通信的RF电路，并且每个传感器节点具有带有发送器功能和接收器功能的无线装置，以在无线网络架构中实现与集线器的双向通信。集线器的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间向传感器节点发送通知时，使得传感器节点的接收器从第一功率模式改变到第二功率模式。
在一个示例中，该通知源自集线器或不同的传感器节点。传感器节点的接收器功能被配置为在第一功率模式期间以最小功率水平收听广播消息，并且可在第二功率模式期间以高于最小功率水平的任何水平进行操作，包括具有可操作的发送器功能。
在另一示例中，传感器节点被配置成运行指令，以确定所接收通知的组标识符、确定传感器节点的组标识符，并且如果所接收通知的组标识符与传感器节点的组标识符匹配，则取消从传感器节点发送通信，以减少无线网络内的阻塞。
在另一示例中，传感器节点被配置成运行指令以发送通知，通过检查用于通知转发的下一集线器广播时隙来验证对一组节点的任何通知的成功接收，并且当未验证到成功接收时，利用伪随机函数的至少一个经修改的参数来重新发送该通知。
在另一示例中，集线器的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以基于组中的传感器节点相比于该组中的其他传感器节点不太可能具有相同的时隙，而不同组中的传感器节点更可能占用相同的时隙，来使用伪随机时隙位置来确定多个传感器节点的发射时隙。
在另一示例中，集线器的一个或多个处理单元被配置成运行指令，以确定用于无线网络内的通知的第一时隙长度和用于数据通信的第二时隙长度。
在前述的说明书中，已经参照本发明的具体示例性实施例描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
集线器，具有一个或多个处理单元和RF电路，所述RF电路用于在无线网络的无线网络架构中发送和接收通信；以及
多个传感器节点，所述多个传感器节点中的每个具有无线装置，所述无线装置具有发送器功能和接收器功能，以在所述无线网络架构中实现与所述集线器的双向通信，其中所述集线器的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间在向所述传感器节点发送通知时，使得将所述传感器节点的接收器的第一功率模式改变到第二功率模式。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述通知源自所述集线器或不同的传感器节点。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述传感器节点的接收器功能配置为在所述第一功率模式期间以最小功率水平收听广播消息，并且在所述第二功率模式期间以高于所述最小功率水平的任何水平进行操作，包括具有可操作的发送器功能。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述传感器节点配置为运行指令，以确定所接收通知的组标识符，确定所述传感器节点的组标识符，并且如果所接收通知的组标识符与所述传感器节点的组标识符匹配，则取消从所述传感器节点发送通信，以减少所述无线网络内的阻塞。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器节点配置为运行指令以发送通知，通过检查用于通知转发的下一集线器广播时隙来验证对一组节点的任何通知的成功接收，并且当未验证到成功接收时，利用伪随机函数的至少一个经修改参数来重新发送所述通知。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述集线器的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以基于组中的传感器节点相比于该组中的其他传感器节点不太可能具有相同时隙，而不同组中的传感器节点更可能占用相同时隙，来使用伪随机时隙位置来确定所述多个传感器节点的发送时隙。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述集线器的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以确定用于所述无线网络内的通知的第一时隙长度和用于数据通信的第二时隙长度。
8.一种设备，包括：
存储器，用于存储指令；
一个或多个处理单元，运行指令以监测无线网络架构中的多个传感器节点；以及
射频电路，即RF电路，向所述多个传感器节点发送通信并且从所述多个传感器节点接收通信，所述多个传感器节点中的每个具有无线装置，所述无线装置具有发送器和接收器以在所述无线网络架构中实现与所述设备的所述RF电路的双向通信，其中所述设备的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以从至少一组传感器节点接收带有警报信息的至少一个通信，并且通过等待在特定时段期间从附加传感器节点和潜在不同组的传感器节点接收带有警报信息的附加通信，来提供目标警报延迟。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述设备的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以识别来自从所述至少一组传感器节点接收的所述至少一个通信中的唯一警报。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述设备的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以将针对不同组的传感器节点的唯一警报的多个警报信息组合成具有警报数据包的通信。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述设备的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以从第一组传感器节点接收具有第一警报信息的第一多个通信，并且从第二组传感器节点接收具有第二警报信息的第二多个通信。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述设备的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以通过使用散列函数来分配用于待发送到所述传感器节点的所述警报数据包的下行链路警报时隙。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备的所述一个或多个处理单元配置为运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间在将带有所述警报信息的所述警报数据包发送到所述传感器节点时，使得将传感器节点的接收器的第一功率模式改变到第二功率模式。
14.一种无线网络架构的传感器节点，包括：
至少一个传感器；
存储器，用于存储指令；
处理逻辑，联接到所述存储器和所述至少一个传感器，所述处理逻辑运行指令，以用于处理从所述至少一个传感器接收的数据并且处理所述传感器节点的通信；以及
射频电路，即RF电路，联接到所述处理逻辑，所述RF电路包括发送器和接收器功能，以在所述无线网络架构中将通信发送到集线器并且从所述集线器接收通信，其中所述处理逻辑配置为运行指令，以在重复的集线器广播时隙期间在从所述集线器接收具有控制或警报信息的通信时，将所述接收器功能的第一低功率模式改变到第二功率模式，其中所述控制或警报信息源自所述集线器或一组传感器节点。
15.根据权利要求14所述的传感器节点，其中所述控制或警报信息源自所述集线器或一组传感器节点。
16.根据权利要求14所述的传感器节点，其中所述传感器节点的所述接收器功能被配置为在所述第一功率模式期间以最小功率水平收听广播消息，并且在所述第二功率模式期间以高于所述最小功率水平的任何水平进行操作，包括具有可操作的发送器功能。
17.根据权利要求14所述的传感器节点，其中所述处理逻辑配置为运行指令，以确定所接收通信的组标识符，确定所述传感器节点的组标识符，并且如果所接收通信的组标识符与所述传感器节点的组标识符匹配，则取消从所述传感器节点发送通信，以减少无线网络内的阻塞。
18.根据权利要求17所述的传感器节点，其中形成传感器节点的组以增加所述组中的传感器节点将在大致相同时间或接近时间发送通信的可能性。
19.根据权利要求14所述的传感器节点，其中所述传感器节点利用电池源进行操作。
20.根据权利要求14所述的传感器节点，其中所述处理逻辑配置为运行指令以发送通信，通过检查用于通知转发的下一集线器广播时隙来验证任何通信的成功接收，并且当未验证到成功接收时，利用伪随机函数的至少一个经修改参数来重新发送所述通信。
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