JP5676570B2 - リソースが制限された装置からの送信を制御するための方法及びバッテリーレス装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーレス装置からの送信を制御するための方法に関する。

本発明は、例えば、その動作が検出可能な（例えば物理的に検出可能な）結果をもたらすランプ又は他の装置をバッテリーレス装置が制御する無線ネットワークにおいて用いられるために重要である。

無線制御は、近年、特にビル管理システムにとって、通信の分野におけるお馴染みの傾向になった。無線技術は、ケーブルを引き延ばしたり穿設したりする必要性がないので、配置の自由、可搬性及び設置コスト低減に関して大きな利点を示す。したがって、そのような技術は、互いにそして制御する装置（例えば照明）から離れた場所に設置されなければならない照明スイッチ、照明調光装置、無線遠隔コントローラ、動き又は光検出器のようなセンサ装置を用いた相互接続検出、自動化、制御又は監視システムにとって、特に魅力的である。

同類のネットワークに現れる欠点のうちの１つは、装置への電力供給に関係がある。実際、装置は配線されないので、それらは、本線から又はコントローラとの接続を介して、ネットワークにおいて必要とされる全ての動作を実行するために必要な電力を受け取ることができない。したがって、そのような装置に組込みバッテリーを装備することが構想された。しかしながら、装置のサイズが非常に限定されるので、バッテリーは大きいサイズであることができず、装置の寿命が短くなり、あるいは、バッテリーの交換に非常に労力を要する。さらに、使用済のバッテリーは有毒廃棄物をもたらす。

センサデバイスにそれらの環境からエネルギーを収穫する自立したエネルギー源を備えることによってこの問題を改善することが提案された。依然として、既製のエネルギー収穫機によって達成可能なエネルギーの量は非常に制限されており、これは、バッテリーレス装置の機構及び機能が非常に制限されることを意味する。送信後に肯定応答メッセージを待つことは、特に、肯定応答が受信されず、したがって元のメッセージの再送が必要とされる場合、エネルギー・コストがかかるので、エネルギー・ハーベスティング（energy-harvesting）バッテリーレス装置のための既存の通信方法は、肯定応答処理を実施せず、通信の信頼性を保証するために、メッセージのいくつかの再送信を直接実行する。それが一般に適切な受信を可能にするという点で、このソリューションは有効である。しかしながら、このソリューションもいくつかの欠点を持つ。まず、いかなる肯定応答メッセージも期待されないそのような実施態様において、バッテリーレス装置は、それが属するネットワークの中で生じるイベントを決してリスンしない。したがって、例えば通信チャネル、ネットワーク識別子又はアドレス割り当てに関する設定変更の場合に、バッテリーレス装置は、いかなる情報も受信することができず、したがって、その送信パラメータを新たな設定に適応させることができず、更なる送信が不成功になる。特に、チャネル変更に適応することができないことは、バッテリーレス装置からの通信を受信するように割り当てられた装置が複数のチャネル上で作動すること（それはいくつかの制御アプリケーションのリアルタイム要求に起因して技術的に非常に難しい）を強制するか、又は、バッテリーレス装置に再依頼すること（それは労力を要し、したがってユーザの観点からは許容できない）をユーザに強制するので、重大である。第２に、再送信の数が固定されており、最初の送信のうちの１つが成功した場合であっても変更されない。したがって、そのような実施態様は、無用な送信のためにエネルギーを浪費することを伴い、このエネルギーは、より目的を持って用いられることができる。

さらに、省エネルギーのために、全ての再送は、ネットワークの適切な動作のために必要とされる適切なチャネル・アクセス・メカニズムCSMA/CAなしで送信され、したがって、場合によっては、パケット衝突を引き起こし、ひいては、プロキシ・ネットワーク又は同じ周波数帯域を用いている他の周囲のネットワーク上のワイヤレスの他の装置の通信を損なう結果となる。

前の通信の成功又は失敗に応じてバッテリーレス装置の更なる動作を適応させるために、バッテリーレス装置によるフレームの送信を制御するための方法を提案することが本発明の目的である。

より正確には、通信インタフェースと異なる手段を介して、バッテリーレス装置がその送信のフィードバックを受信する方法を提案することが本発明の目的である。

より正確には、通信が成功した場合にバッテリーレス装置が更なる送信をスキップすることを可能し、したがって、バッテリーレス装置におけるエネルギー節約及び周囲の装置に対する衝突確率の低減を可能にする方法を提供することが本発明の目的である。

この目的のために、本発明は、無線ネットワークにおいて動作するバッテリーレス装置からのフレームの送信を制御するための方法を提案する。本方法は、
予め定められた数の計画されたフレームの再送信が設定されたバッテリーレス装置が、遠隔装置の物理的動作を制御するための要素を含むフレームを送信するステップ、
バッテリーレス装置が、制御された装置の動作によって引き起こされる物理現象の変化を検知するステップ、
バッテリーレス装置が、検知ステップに基づいて、フレーム送信の成功又は失敗を決定するステップ、
送信が成功した場合、バッテリーレス装置が、フレームの再送信をスキップするステップ、
を有する。

従来のソリューションのように、本発明において、バッテリーレス装置は、一定数の再送信を実行するように最初に設定される。より具体的には、例示的な実施の形態において、当該方法は、例えば設定によって、再送信の数及びそれらの間の時間間隔を決定する初期ステップを有する。しかしながら、既存の方法に反して、本発明では、制御フレームを送信したバッテリーレス装置は、送信されたフレームによって制御された物理現象の検知に基づいて、通信の成功又は失敗のフィードバックを得るための、通信インタフェースと異なる手段を持つ。それに応じて、バッテリーレス装置は通信の状況を知り、したがって、将来の動作、すなわち、同じパケットを再送信し続けるか又は再送信をスキップするかについての決定を行うことができる。

そのような特徴は、無用な再送信をなくすことによってバッテリーレス装置がエネルギーを節約することを可能にするので、バッテリーレス装置のために最も重要である。本発明の例示的な実施の形態において、本方法は、バッテリーレス装置が予め定められた数の再送信を実行するためのエネルギーの量を収穫するステップを有する。したがって、通信に成功した後、再送信がスキップされるならば、収穫されたエネルギーが完全に消費されるというわけではなく、したがって、それは他の動作のために用いられることができる。したがって、特定の実施例において、この残存する収穫されたエネルギーは貯蔵される。他の特定の実施の形態において、残存する収穫されたエネルギーは、双方向通信、すなわち、無線通信メッセージの受信のために用いられる。他の特定の実施の形態において、受信されるメッセージはメンテナンス・メッセージである。

本発明は、無線ネットワークにおいて遠隔装置を制御するために使用されるバッテリーレス装置にも関し、当該バッテリーレス装置は、
データの送信及び受信の両方のための手段を有する無線通信インタフェース、
無線インタフェースを制御するための手段、
エネルギー収穫回路、
エネルギー貯蔵部、
制御された遠隔装置の動作によって引き起こされる物理現象の変化を検知するための手段、
を有する。

無線インタフェースを制御するための手段は、例えば、送信モードから受信モードにインタフェースを切り替えるための手段、並びに/又は、再送信の数及び再送信間の時間間隔を定めるための手段を有する。

エネルギー収穫回路は、照光のような物理現象、モーター振動のような技術的現象又はボタン・プッシュのようなユーザ・インタラクションに由来する、周囲のエネルギーを収穫するために用いられる。

エネルギー貯蔵部は、収穫されたエネルギーを一時的に貯蔵するために用いられ、それを、通信インタフェース、又は、メモリ、制御手段（例えばマイクロ・コントローラ若しくは他のHWコンポーネント）、若しくは、検出手段に含まれ、送信の成功を決定するために用いられるセンサのような他のコンポーネントが利用できるようにする。エネルギー貯蔵部は、例えば、固体素子バッテリー、又は、低リーク電流によって特徴づけられるスーパー・キャパシタの形を採ることができる。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載される実施の形態から明らかであり、それらを参照して説明される。

本発明は、添付の図面を参照してさらに詳細に一例として説明される。

本発明による方法を実行するネットワーク。

本発明は、図1に示されるような、バッテリーレス装置1からの送信を制御するための方法に関する。バッテリーレス装置1は、制御される装置2a, 2b, 2cを対象とするフレームを送信する。これらの送信は、プロキシ装置3を介して処理され、プロキシ装置3は、バッテリーレス装置1によって送信されたフレームを受信して、ユニキャスト、マルチキャスト又はブロードキャスト送信（いずれも無線通信規格によって提供されて、設定ステップにおいて選択される）を用いて、関連する宛先装置又は装置のグループにそれらを転送する。

本方法の適切な動作のために、バッテリーレス装置1は、制御される装置2a, 2b, 2cの物理的近傍に位置する。これは、プロキシ装置に送信されたフレームに関するバンド外のフィードバックをバッテリーレス装置1が受動的に受信することを可能にする。実際に、本発明による方法は、バッテリーレス装置1が物理現象に影響を与える装置2a, 2b及び2cを制御するネットワークに適用される。

第１の例において、装置1は、ランプ2a, 2b及び2cのオン/オフ状態を制御するバッテリーレス押しボタン式照明スイッチである。例えば、スイッチの動作のために必要とされる収穫されたエネルギーを供給するユーザの押しボタン動作によって起動されると、バッテリーレス装置1は、光のオン又はオフ状態を制御するためのフレームを送信する。コマンド・フレームの送信の成功又は失敗に関するフィードバックを得るために、バッテリーレス装置1は、（図1で矢印によって表される）光の有無を検出し、コマンド・フレームの内容から期待される結果と検出の結果とを比較する。検出は、バッテリーレス装置1に含まれるセンサ10（例えば感光性抵抗、フォトダイオード又は太陽電池）を用いることにより、エネルギー効率的に実行される。

他の例において、装置1は、ランプ2a, 2b及び2cの光強度に影響を及ぼすバッテリーレス調光スイッチ又は遠隔コントローラである。他の例において、装置1は、ブラインド2a, 2b及び2cの位置に影響を及ぼすブラインド・コントローラである。したがって、制御フレームが適切に受信されたかを決定するために、バッテリーレス装置1は、制御フレームを送信した後に光強度を検知し、そして、強度の実際の変化を決定するために、この光強度をフレームの送信の直前に検出された光強度と比較する。この比較に基づいて、バッテリーレス装置1は、送信が成功したか否かを決定することができる。検出は、バッテリーレス装置1に含まれるセンサ10（例えば感光性抵抗、フォトダイオード、太陽電池又は自律的光強度変化センサ）を用いることにより、エネルギー効率的に実行される。

さらに他の例では、バッテリーレス装置は、流動エネルギー収穫温度センサであり、被制御装置2cは、流動を制御するために、例えば恒温装置中に含まれるバルブ制御部である。そして、バッテリーレス装置は、送信の成功のフィードバックを得るために、流動に基づくエネルギー収穫機の回転部分によって供給される電圧及び/又は電流の変化を検出することができる。

さらに他の例では、物理現象は、装置2a、2b及び2cの各々の個々の寄与が検出されることができるように、被制御装置2a、2b及び2cの動作によって影響される。例えば、装置1はバッテリーレス調光スイッチであり、被制御装置2a、2b及び2cは、個々のパルス位置変調パラメータを有するランプである。コマンド・フレームの送信の成功又は失敗のフィードバックを得るために、バッテリーレス装置1は、被制御装置2a、2b及び2cの各々によって放射される光強度の変化（図1において矢印で示される）を確認し、コマンド・フレームの内容に照らして期待される結果と検出の結果とを比較する。

本発明は、上記の装置に制限されず、バッテリーレス装置によってエネルギー効率的に検出されることができる物理結果をその動作が持つ任意の被制御装置に適用されることができる。

制御フレームの送信の成功又は失敗を示すセンサ10からのフィードバックに基づいて、バッテリーレス装置は、以下のように、更なる動作について決定する。
送信が失敗した場合、バッテリーレス装置は、再送信の数及び２つの送信間の時間間隔に関する予め定められたパラメータに基づいて、再送信を実行する。
送信が成功した場合、バッテリーレス装置は更なる再送信をスキップすなわち省略し、残存する収穫されたエネルギーはエネルギー貯蔵部において利用可能な状態を保つ。

好ましい実施の形態において、再送信のパラメータ、すなわち再送信の数及び任意の２つの再送信間の時間間隔は、送信成功を示すフィードバックが、全ての再送信が送信される前に受信されることができるように決定される。この観点から、パラメータの決定は、以下の要素を考慮することによって行われる。
受信装置における処理遅延、
考えられる制御ネットワーク・アーキテクチャ（例えば、物理的フィードバックを提供する被制御装置に達するためにメッセージが経る必要があるホップ数）、
フィードバックを提供する被制御装置の物理的限界（例えば、ランプの有限の点灯時間又はブラインド・コントローラにおけるブラインドの有限の速度）。

収穫されたエネルギーの節約された量は、異なる動作のために用いられることができる。例えば、
チャネル、ネットワーク識別子、セキュリティ鍵、アドレス指定情報のような設定データを受信して持続的に記憶すること、
メモリを管理すること（例えば、エネルギー・コストがかかるNVMを消去する動作を実行すること）
例えば、ネットワーク、より良好なプロキシ又は新たなチャネルを発見するために発見動作を実行すること、
長期的なバッテリーレス装置の挙動を適応させるために信頼性データを収集すること（例えば、検出手段によって観察される、制御成功につながる無線媒体上でのパケット再送信の長期の平均数を記憶すること）に用いられることができる。

前記より、意図されたエネルギー節約がメンテナンス・データ通信のために用いられる場合、従来のバッテリーレス装置に反して、本発明によるバッテリーレス装置は、ある実施の形態において、送信モードから受信モードに無線インタフェース11を切り替えるための手段を有することができる。実際、装置は、プロキシ装置3に制御フレームを送信するために送信モードでなければならず、「バンド外の」手段を介して装置2a、2b及び2cから成功確認を受信した後、プロキシ3からメンテナンス・データを受信するための受信モードに切り替える必要がある。ここで、「バンド外」は、フィードバックが無線フレーム送信とは異なる様式を介して提供されることを意味する。さらに、フィードバックの受信は、バッテリーレス装置にとって、エネルギー・コスト無しで、又は無視可能なエネルギー・コストで実行されることが留意されるべきである。

バッテリーレス装置1にリンクされるプロキシ装置3は、被制御装置2a、2b、2cからの肯定応答と同様にバッテリーレス装置からのコマンド・フレームを受信して処理するので、明らかにバッテリーレス送信の状況を知る。プロキシ自体が、バッテリーレス装置によって制御される物理的出力装置であることができる。したがって、プロキシは、バッテリーレス・フレーム受信の成功に従ってその挙動を適応させることができる。例えば、被制御装置2a、2b、2cの全てから肯定応答フレームを受信した後、プロキシは、送信モードに切り替えて、バッテリーレス装置に、バンド内で、すなわち無線通信インタフェースを介して、設定データを送信することができる。プロキシは、バッテリーレス装置がタイムリーに正しくバンド外のフィードバックを成功と解釈したかどうかを知ることができない場合であっても、高い確率でプロキシはバッテリーレス装置からのさらに他の再送信を逃すのみであるので、進行することができる。設定データは、例えば、好ましくは設定変更が有効になる前に、今後用いられるべき、新たな動作チャネル、新たなセキュリティ鍵、新たなネットワーク又は装置識別子を含むことができる。さらに、好ましい実施の形態において、プロキシは、バッテリーレス装置に残されたエネルギーの量を推定して、エネルギーのこの量に、その動作（例えば、バッテリーレス装置に送信される情報の量）を適応させる。

また、本発明の他の実施例において、バッテリーレス装置は、完全なものではなく、設定メッセージの断片のみをプロキシから正しく受信することが可能である場合がある。これは、バッテリーレス装置に残存するエネルギーの量があまりに少ないことに起因するか、ZBLDに残されたエネルギー量を推定するためにプロキシによって使用される推定方法が十分に正確ではないからか、又は、干渉又は他の伝播現象に起因するパケット破損のためである場合がある。さらに、断片が十分な場合、すなわちそれがフィールドの少なくとも一部を正しく特定することを可能にする場合、バッテリーレス装置は、次の動作サイクルにおけるその挙動を変更するために、それによって依然として機能することができる。

プロキシ装置によってバッテリーレス装置に送信される設定変更（特にチャネル変更）が、バッテリーレス装置がそれを受信することができる前に、有効になることがあり得る。したがって、本発明の実施の形態において、予め定められた数の不成功の送信の後で、バッテリーレス装置は、以下のステップを実行する。
考えられる送信チャネル変更について通知するフラグを不揮発性メモリに記憶すること。
他のチャネル上で更なる再送信を送信すること。
更なる再送信が成功した場合に、フラグをクリアして、持続的に新たなチャネルを記憶すること。

さらに他の実施の形態において、「バンド外の」送信成功検出の機能は、バッテリーレス装置及び/又はプロキシで明示的に有効及び無効にされることができる。それは、バッテリーレス装置の初期設定の一部として、ユーザによって実行されることができる。バッテリーレス装置は、事前に決められた数の制御動作後に、物理的パラメータのいかなる変化も検出されることができない場合、デフォルトで有効にされた機能を無効にすることもでき、そして好ましくは、さらにこの変更についてプロキシに通知する。これは、バッテリーレス装置が、物理的パラメータ検知にエネルギーを浪費せず、その代わりに再送信のためにその全てを用いることを可能にする。

全ての上記の要素に基づいて、本発明が以下の欠点を克服することを可能にする方法及びバッテリーレス装置を提案することは明らかである。
エネルギーを収穫するバッテリーレス装置による一方向通信に対する制限及び以下に対するその結果。
バッテリーレス装置によって送信される制御フレーム上でフィードバックを受信することができないこと。
設定及びメンテナンス情報を受信することができないこと。
ネットワーク問題（例えばプロキシ・リンクの劣化、ネットワーク再設定によるネットワーク消失）を発見することができないこと。
特にチャネル変更の場合における、手動によるバッテリーレス装置の再始動の面倒。
プロキシの多重チャネル動作の面倒。
適切なチャネル・アクセス・メカニズムを用いずに送信される複数のバッテリーレス装置の再送信によって引き起こされる、プロキシ無線ネットワークにおけるパケット衝突。

本発明は、特に、照明スイッチ、光センサ及び存在検出器のような装置を含む照明制御ネットワーク、ビル・オートメーション及びホーム・オートメーション・ネットワークのような無線制御ネットワークにおける使用に専用である。特には、それは、バッテリーレスZigBeeプロトコル又はZigBee RF4CEプロトコルを実施するバッテリーレス装置を有するIEEE802.15.4/ZigBeeベースのネットワーク、802.15.6ベースのネットワーク等において用いられることができる。しかしながら、本発明は任意の無線ネットワークに適用されることができる。

本明細書及び請求の範囲において、単数で表現された要素は、そのような要素が複数存在することを除外しない。さらに、「有する」「含む」等の用語は、挙げられたもの以外の他の要素又はステップが存在することを除外しない。

請求項の括弧中に参照符号が含まれることは、理解を補助することを意図しており、制限的であることは意図されない。

本開示を読むことから、他の変更が当業者にとって明らかである。そのような変更は、無線通信の分野において既に知られており本明細書で既に述べられた特徴の代わりに又はそれらに加えて用いられることができる他の特徴を含むことができる。

Claims (12)

1. 無線ネットワークにおいて動作するバッテリーレス装置の送信を制御するための方法であって、
   前記バッテリーレス装置が、被制御装置の動作を制御するための要素を含む制御フレームを送信するステップ、
   前記バッテリーレス装置が、前記被制御装置の動作により引き起こされる物理現象の変化が起こったか否かを検知するステップ、
   前記バッテリーレス装置が、前記変化が起こったか否かに基づいて、前記制御フレームの送信の成功又は失敗を決定するステップ、
   前記制御フレームの送信が失敗した場合、前記バッテリーレス装置が、前記制御フレームの予め決められた数の再送信を実行するステップ、
   前記制御フレームの送信が成功した場合、前記バッテリーレス装置が、前記制御フレームの再送信を省略するステップ、
   を有し、
   前記被制御装置がバルブであり、前記検知ステップが、流動中に位置する回転部により供給される電圧及び/又は電流の変化を介して前記流動の変化を検出することにより前記バッテリーレス装置によって実行される、方法。
2. 再送信の数及び再送信間の時間間隔を決定する初期ステップを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記バッテリーレス装置が、前記予め定められた数の再送信を実行するための量のエネルギーを収穫するステップを有する、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記再送信が省略される場合に、残存する収穫されたエネルギーを通信のために用いるステップを有する、請求項３に記載の方法。
5. 残存する収穫されたエネルギーが、設定データを受信するために前記バッテリーレス装置により用いられ、
   前記検知ステップが前記制御フレームの送信の成功を決定した場合に、前記バッテリーレス装置が送信モードから受信モードに切り替えるステップ、
   前記制御フレームの受信の受信成功の場合に、プロキシ装置が、受信モードから送信モードに切り替えて、前記バッテリーレス装置にバンド内で設定データを送信するステップ、
   を有する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記バッテリーレス装置が、前記制御フレームの送信のための送信チャネルを決定し、メモリ中に前記送信チャネルを持続的に記憶するために、残存する収穫されたエネルギーを用いるステップを有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記バッテリーレス装置が、
   不成功の送信試行に関する指標を不揮発性メモリに記憶するステップ、
   予め定められた数の連続した不成功の送信試行の後、考えられる送信チャネル変更に関して通知するフラグを不揮発性メモリに記憶するステップ、
   他のチャネル上で以降の送信を送るステップ、及び
   前記以降の送信のいずれかが成功した場合に、前記フラグをクリアして、新しいチャネルを持続的に記憶するステップ、
   を有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記検知ステップの実行が有効及び無効にされることが可能である、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記無線ネットワークが、ZigBeeネットワークである、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の方法。
10. 無線ネットワークにおいて被制御装置を制御するために用いられるバッテリーレス装置であって、
    被制御装置の動作を制御するための要素を含む制御フレームを送信するための無線通信インタフェース、
    前記バッテリーレス装置が、前記被制御装置の動作により引き起こされる物理現象の変化が起こったか否かを検知するセンサ、
    前記バッテリーレス装置が、前記変化が起こったか否かに基づいて、前記制御フレームの送信の成功又は失敗を決定し、
    前記制御フレームの送信が失敗した場合、前記バッテリーレス装置が、前記制御フレームの予め決められた数の再送信を実行し、
    前記制御フレームの送信が成功した場合、前記バッテリーレス装置が、前記制御フレームの再送信を省略し、
    前記被制御装置がバルブであり、前記センサによる検知が、流動中に位置する回転部により供給される電圧及び/又は電流の変化を介して前記流動の変化を検出することにより前記バッテリーレス装置によって実行される、
    バッテリーレス装置。
11. 前記無線通信インタフェースが、バッテリーレスZigBeeプロトコルにより実現される、請求項１０に記載のバッテリーレス装置。
12. 前記無線通信インタフェースが、ZigBee RF4CEプロトコルにより実現される、請求項１０に記載のバッテリーレス装置。

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