JP5114206B2 - 電力線および無線周波数で通信を行うインテリジェント・デバイスのメッシュ・ネットワーク - Google Patents
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Description
本発明は、1つ以上の物理的媒体を通じて相互に通信を行い、ネットワーク制御装置が不要なインテリジェント・デバイスに関するものである。
2.関連技術の説明
低価格機器間での通信はさまざまな用途に役立つ。例えば住環境では、部屋の使用感知器、電灯のスイッチ、照明器具の調光器、およびインターネットのゲートウェイが通信しあっていれば、これらすべてを統合的に機能させることができる。人が部屋にいるときは部屋を照明し、そうでない場合は、遠隔コンピュータで実行されるプログラムによって設定された条件に応じて警報を発することもできる。
LutronElectronics社に譲渡された米国特許第5,838,226号、第5,848,054号、第5,905,442号、および第6,687,487号は、照明制御システムを開示し、このシステムは、RFでも電力線でも通信できるマスタ、スレーブ、および中継器を含んでいる。
図面を参照すると、図1は本発明の教示に基づいて構築された制御・通信装置のネットワークを示し、これらの装置は以下、Insteon(商標)装置と称する。INSTEONは、本願の譲受人が所有する商標である。電力は、北米では220ボルトの二相交流電圧(220VAC)として、ビルや住宅にもっとも一般的に給電されるものである。建物の主接続箱において、三線式の220VAC電力線が、第1相および第2相と呼ばれる2本の二線式110VAC電力線に分配される。図1では、第1相は符号10で示し、第2相は符号11で示す。第1相の配線は一般的に建物内の線路の半分に使用され、第2相は他の半分に使用される。
Insteon(商標)メッセージ
各Insteon(商標)装置は、メッセージを送信することで交信する。電力線を通じて送信されるメッセージは、複数パケットに分割され、各パケットは電力線の電圧のゼロ交差に関連して送信される。図4に示すように、Insteon(商標)メッセージには、標準メッセージ310と拡張メッセージの320の2種類がある。標準メッセージは5パケットで構成され、拡張メッセージは11パケットで構成される。各パケットは24ビットの情報を含むが、この情報は2通りに解釈される。標準パケット330は、標準メッセージ310および拡張メッセージ320の符号331として図示されるように、Insteon(商標)メッセージ中の一番目のパケットとして表示される。メッセージ中の残りのパケットは、標準メッセージ310および拡張メッセージ320の符号341として図示されるように、ロングパケット340である。
Insteon(商標)信号方式
Insteon(商標)装置は、電力線の電圧に信号を加えることで、電力線で通信を行う。米国では、電力線の電圧は実効値が110VACで、60Hz交流である。以下の開示ではこれらの数値を使用するが、当業者は他の電力線基準に調整可能である。
Insteon(商標)メッセージの再送
信頼性を高めるために、Insteon(商標)メッセージング・プロトコルはメッセージの再送、すなわち他のInsteon(商標)装置のメッセージ中継を補助してメッセージの送信範囲を拡大する手順を含む。データ・ストームの無限中継を回避するために、メッセージは最大で3回まで再送できる。ただし、再送回数が増えれば、メッセージの送信完了までの時間も長くなる。
Insteon(商標)同時通信
上述のメッセージ伝達の規則に従って、Insteon(商標)システムは通信の信頼性の顕著な向上を実現している。これは、複数のInsteon(商標)装置が、同一のメッセージを、あるタイムスロット内で同時に送信できるからである。そのため、互いの圏内にあるInsteon(商標)装置は「相互支援」する。たいがいの共用物理媒体のネットワーキング・プロトコルは、従来技術の説明の段で述べたように、複数の装置が同一帯域内で同時に送信を行うことを禁止している。これに対し、Insteon(商標)は、同時に送信する各装置が相互に同期して同一メッセージを送出することを確実にすることで、通常は問題となる事を利点に変えている。
Insteon(商標)エンジン
Insteon(商標)エンジンは、Insteon(商標)装置でのInsteon(商標)メッセージの送受信を可能とするハードウェアおよびファームウェアを含んでいる。図21は、Insteon(商標)エンジンを経由する情報の全体的な流れを示す。受信した信号1510は、電力線またはRFを介して送られてくる。信号調整回路1515は、未処理信号を処理して、デジタルビットストリームに変換する。メッセージ受信器ファームウェア1520は、必要に応じてビットストリームを処理し、メッセージ・ペイロードデータをバッファ1525に格納し、これは、Insteon(商標)装置上で実行されるアプリケーションに使用できる。メッセージ制御部1550は、制御フラグ1555を使用して、データの利用可能をアプリケーションに伝える。
Insteon(商標)エンジン電力線インターフェース
図21のメッセージ送信器1540の詳細を図22に示す。図22は、Insteon(商標)エンジンがどのようにしてInsteon(商標)メッセージを電力線で送信するかを示している。Insteon(商標)アプリケーションはまず、送信したいメッセージをCRCバイト以外について作成し、そのメッセージデータを送信バッファ1615に入力する。アプリケーションは次に、適切な制御フラグ1620を設定してメッセージを送信するよう、送信制御部1625に伝える。送信制御部1625は、多重化部1635を使用してメッセージデータをパケット化し、発生器1630から送られてくる同期ビットおよび開始コードをパケットの先頭に入れ、その後ろに先入れ先出し(FIFO)送信バッファ1615からシフトアウトするデータを続ける。メッセージデータはFIFO 1615からシフトアウトされるについて、CRC発生器1630はCRCバイトを計算して、得られた値をメッセージの最終パケットの最終バイトとして多重化部1635でビットストリームに加える。ビットストリームは、シフトレジスタ1640にバッファリングして、ゼロ交差検出器1645が検出した電力線ゼロ交差と同期して読み出す。BPSK変調器1655は、搬送波発生器1650で生成した131.65KHzの搬送波の位相をビット0については180度ずらし、搬送波をビット1については無変調のままにする。なお、図15に関して述べたように、位相は搬送波の1周期間にわたって滑らかにずれる。最後に、変調した搬送波信号を、図21のモデム送信回路1535を介して電力線に乗せる。
Insteon(商標)エンジンRFインターフェース
図24は、Insteon(商標)エンジンがRFを介してどのようにメッセージを送受信するかを示す。実施例において、電力線対応のInsteon(商標)装置に、装置の機能を拡張するドータボードを装着できる。図24に示すドータボード1850は、ホスト1810にRFインターフェースを提供する。ドータボードは、内蔵型RF送受信機および独自のマイクロコントローラ・ユニット(MCU)を備える。このMCUは、ホストMCUのスレーブとして機能する。ホストMCUとスレーブMCUは、公知のRS232シリアル・プロトコルを使用して、TTL論理レベルで通信する。
Insteon(商標)ハードウェア
図27は、一般的なInsteon(商標)装置を構成するハードウェア回路のブロック図を示す。実施例において、Insteon(商標)装置は、ドータボード2120を任意で備えるメインサーキットボード2110を含む。一般的なドータボード2120は、さまざまなタイプの通信インターフェースを増設することで、Insteon(商標)装置に追加機能を持たせることができる。メインボードとドータボードは、RS232シリアル・プロトコル2130を使用して、TTL論理レベルで通信を行う。
Insteon(商標)アプリケーションおよび装置
Insteon(商標)技術はさまざまな種類の装置に組み込め、Insteon(商標)以外のいろいろな装置と通信用ブリッジを通してインターフェース接続できる。Insteon(商標)方式を使用可能な装置用のアプリケーションは各種多様にある。
Insteon(商標)メッセージの用途
当業者は、Insteon(商標)メッセージング技術が、さまざまな種類の装置で多様に使用できることを認識できるであろう。図13に示された可能性のあるInsteon(商標)メッセージタイプのすべてを活用するには、1または2バイトのコマンド、2バイトの装置タイプ/サブタイプ、1または2バイトの肯定応答状態、および1または2バイトの否定応答理由に対して前もって割り当てられた、共通の一組の値を装置間で共有しなければならない。Insteon(商標)装置は、製造段階において個々に3バイトのアドレスをあらかじめ割り当てられている。
Claims (26)
- 複数の通信モジュールを備えるシステムでの使用のための通信モジュールであって、前記通信モジュールは、
メッセージを生成し、前記メッセージを受信して解読する回路およびソフトウェアと、
前記メッセージを2つ以上の通信媒体に同時に送信可能な回路と、
受信したメッセージを転送する最大回数を示す最大ホップ数と前記受信したメッセージがすでに何回転送されたかを示す現ホップ数とを取得して比較し、前記最大ホップ数が前記現ホップ数より大きい場合に、前記受信したメッセージを転送可能な回路およびソフトウェアと、を含み、
前記通信モジュールは、前記メッセージを交流電力線または無線周波数上で、または交流電力線および同時に無線周波数上で送受信するよう構築および設定され、前記メッセージは複数の信号パケットを含み、前記信号パケットはそれぞれ前記交流電力線の交流のゼロ交差に同期し、
前記通信モジュールは、前記メッセージの1つを送信または受信したら、他のメッセージを送信する前に少なくとももう1回ゼロ交差を待つ回路およびソフトウェアを含むことを特徴とする通信モジュール。 - 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記メッセージに含まれる前記信号パケットの数はメッセージフラグ中の1つのビットによって決まることを特徴とする通信モジュール。
- 請求項2に記載の通信モジュールであって、前記メッセージに含まれる複数の信号パケットの数は、前記ビットがゼロの場合5であり、前記ビットが1の場合11であることを特徴とする通信モジュール。
- 請求項2に記載の通信モジュールであって、前記メッセージは、前記ビットが1の場合、任意のデータ領域を含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項4に記載の通信モジュールであって、前記任意のデータ領域は14バイトであることを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、所定の長さの前記メッセージに対して複数の前記ゼロ交差が割り当てられることを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、他の通信モジュールが前記受信したメッセージと同じメッセージを転送しているとき、前記受信したメッセージを転送可能な回路およびソフトウェアを含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項7に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、前記受信したメッセージの送信元が前記メッセージを送った後、最初の転送メッセージを最初のメッセージタイムスロットで送り、前記最初の転送メッセージに後続する転送メッセージを前記最初のメッセージタイムスロットに後続するメッセージタイムスロットで送信可能な回路およびソフトウェアを含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項7に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、送信元がメッセージを送信してから前記最大ホップ数と同じ数の前記メッセージタイムスロットが経過し、さらに少なくとも1つの前記メッセージタイムスロットが経過した後、新しいメッセージを生成して送信することを特徴とする通信モジュール。
- 請求項9に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、前記通信モジュール宛のメッセージを受信した場合、前記受信したメッセージの最大ホップ数と同じ数のタイムスロットが経過した後、前記受信したメッセージの送信元に確認応答メッセージを送信することを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、前記現ホップ数が前記最大ホップ数以下の場合、前記現ホップ数を1つ歩進させて前記受信したメッセージを転送し、前記現ホップ数が前記最大ホップ数を超えている場合、前記受信したメッセージを転送しないことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、メッセージタイムスロットの初期に前記メッセージを送信可能な回路およびソフトウェアを含み、前記メッセージタイムスロットは整数個の前記ゼロ交差を含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記メッセージは、
メッセージを発信するモジュールのモジュール・アドレスを表す送信元アドレスと、
対象となる宛先モジュールのモジュール・アドレスを表す宛先アドレスと、
メッセージの種類を示すメッセージフラグと、
前記メッセージを転送できる最大回数を示す最大ホップ数と、
前記メッセージがすでに何回転送されたかを示す現ホップ数と、
動作を指定するコマンド領域と、
メッセージの整合性検証を示すメッセージ検証部と、
を含むことを特徴とする通信モジュール。 - 請求項13に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、前記メッセージフラグを検査し、前記宛先アドレスを前記モジュール・アドレスと比較して、受信メッセージが対象とする宛先すべてに届いたかを判断する回路およびソフトウェアを含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項13に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、前記メッセージのうち、前記宛先アドレスが前記通信モジュールのモジュール・アドレスと一致するメッセージを受信するとき、前記宛先アドレスおよび前記送信元アドレスを入れ替えて、前記メッセージを発信したモジュールに確認応答メッセージを送信する回路およびソフトウェアを含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、前記メッセージの対象となる宛先から確認応答メッセージを得られなかった場合、メッセージ送信を再試行することを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記パケットの送信は前記交流のゼロ交差の前から始まってゼロ交差後に終わることを特徴とする通信モジュール。
- 請求項17に記載の通信モジュールであって、前記パケットの送信は、前記交流のゼロ交差の800マイクロ秒前から始まって1023マイクロ秒後に終わることを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、交流電力線に乗せる搬送波信号の二位相偏移変調を用いて信号パケットの送信および受信を行い、1周期半の信号を前記搬送波信号の周波数の1.5倍で挿入して前記搬送波信号の位相を滑らかにシフトさせる回路およびソフトウェアを含み、前記搬送波信号の周波数は、131.65キロヘルツであることを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、X10通信プロトコルに準拠するX10メッセージを送信および受信し、また、前記交流電力線における交流のゼロ交差後、450マイクロ秒以内に他の二位相偏移変調信号を受信しなければ、前記X10メッセージを受信し、前記X10メッセージのうちの1つのX10メッセージを、前記メッセージが完了するまで受信し続ける回路およびソフトウェアを含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、別の信号方式プロトコルを使用して、および/または外部のデジタル機器を用いて他のネットワークと通信するシリアル通信インターフェース回路およびソフトウェアを含み、前記シリアル通信インターフェース回路およびソフトウェアは、ユニバーサル・シリアル・バス・リンクおよび/またはRS232リンクおよび/またはイーサネット(登録商標)・リンクおよび/またはインターネット・プロトコル接続を含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、前記モジュールに関連する装置を操作する制御回路を含み、前記関連する装置は、
可変量の電流を負荷に与える回路、および/または、
負荷が消費する電流の量を検出する回路、および/または、
複数のコマンド機能を開始する複数の押しボタン式スイッチ、および/または、
グラフィック表示部、および/または、
タッチスクリーンを有するグラフィック表示部、および/または、
環境状況を判断するセンサ、および/または、
音声応答および/または音声認識回路およびソフトウェア、および/または、
画像取り込み処理回路およびソフトウェア、ならびに/または、
発光ダイオードの可視色を変えるための交換可能なカラーフィルタを備えた、少なくとも1つの白色発光ダイオードを含むことを特徴とする通信モジュール。 - 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、交流電力線を介して、および無線周波数を介して、前記交流電力線の他の相に接続された少なくとも1つの通信モジュールを使用して、前記交流電力線の一つの相を伝達されるメッセージが、前記無線周波数を使って遅延された後に、前記交流電力線の他の相に伝達されるようにメッセージを送受信する回路を含むことを特徴とする通信モジュール。
- 請求項1に記載の通信モジュールであって、前記通信モジュールは、
他の通信モジュールのグループ番号と複数の前記モジュール・アドレスとの間のグループメンバの関連付けを含むデータベースを管理する回路およびソフトウェアと、
グループ同報メッセージと呼ばれるメッセージを複数の通信モジュールに送信する回路およびソフトウェアと、
前記グループ同報メッセージの後に、グループ・フォローアップ・メッセージと呼ばれる複数のメッセージを前記複数の通信モジュールのそれぞれに送信する回路およびソフトウェアとを含むことを特徴とする通信モジュール。 - 通信モジュール間でデジタル情報を含むメッセージを送受信するための方法であって、前記方法は、
前記メッセージを交流電力線または無線周波数上で、または交流電力線および同時に無線周波数上で送受信するよう、前記通信モジュールを構築および設定する工程と、
各モジュールに、モジュール・アドレスと呼ばれるアドレスを付与する工程と、
各メッセージに、前記メッセージを発信するモジュールのモジュール・アドレスを示す、発信者アドレスと呼ばれる第1の数値領域を割り当てる工程と、
各メッセージに、対象となる受信モジュールのモジュール・アドレスを示す、受信者アドレスと呼ばれる第2の数値領域を割り当てる工程と、
各メッセージに、メッセージの種類を示す、メッセージフラグと呼ばれる第3の数値領域を割り当てる工程と、
各メッセージに、前記メッセージを転送できる最大回数を示す、最大ホップ数と呼ばれる第4の数値領域を割り当てる工程と、
各メッセージに、前記メッセージがすでに何回転送されたかを示す、現ホップ数と呼ばれる第5の数値領域を割り当てる工程と、
各メッセージに、動作を指定するコマンド領域と呼ばれる第6の数値領域を割り当てる工程と、
各メッセージに、メッセージの整合性検証を示す、メッセージ検証部と呼ばれる第7の数値領域を割り当てる工程と、
受信メッセージが対象となる受信者すべてに届いたかを、前記メッセージフラグを検査し、前記受信者アドレスを前記モジュール・アドレスと比較して、判断する工程と、
前記最大ホップ数を前記現ホップ数と比較して、受信メッセージがすでに前記最大回数転送されているか判断する工程と、
前記受信メッセージが対象とする受信者すべてには届いていず、かつまだ前記最大回数分転送されていなければ、前記現ホップ数を1つ歩進させて前記受信メッセージを転送する工程と、を含み、
前記メッセージは複数の信号パケットを含み、前記信号パケットはそれぞれ前記交流電力線の交流のゼロ交差に同期し、
前記通信モジュールは、前記メッセージの1つを送信または受信したら、他のメッセージを送信する前に少なくとももう1回ゼロ交差を待つ回路およびソフトウェアを含むことを特徴とするメッセージ送受信方法。 - 請求項1ないし24のいずれかに記載の通信モジュールを複数含む通信システム。
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