СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧАМИ ОТ УСТРОЙСТВА С ОГРАНИЧЕННЫМИ РЕСУРСАМИ И БЕЗБАТАРЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2014 года по МПК G05B11/00 H04L12/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу управления передачами от безбатарейного устройства.

Это изобретение, например, относится к использованию в беспроводных сетях, где безбатарейные устройства управляют лампами или другими устройствами, работа которых имеет обнаружимый результат, например, физически обнаружимый.

Уровень техники

Беспроводное управление в последнее время стало повсеместной тенденцией в области связи, особенно для систем управления зданиями. Беспроводные технологии представляют большие преимущества в плане гибкости размещения, портативности и уменьшении затрат на установку, поскольку нет необходимости в проведении кабелей и сверлении. Таким образом, такие технологии в особенности удобны для взаимосоединения систем обнаружения, автоматизации, управления или наблюдения с использованием сенсорных устройств, таких как переключатели света, регуляторы интенсивности света, беспроводные дистанционные контроллеры, детекторы движения или света, которые должны быть установлены далеко друг от друга и от устройств, которыми они управляют, например источников света.

Один из недостатков, проявляющийся в подобных сетях, относится к питанию устройства. Действительно, поскольку устройства не соединяются проводами, они не могут принимать энергию, необходимую для выполнения всех операций, требуемых в сети, от магистральной линии или через соединение с контроллером. Таким образом, была рассмотрена возможность оснастить такие устройства встроенными батареями. Однако поскольку устройства довольно ограничены по размеру, батареи не могут быть большого размера, что отражается либо в уменьшении продолжительности работы устройства, либо в необходимости трудоемкой замены батареи. Кроме того, отработанные батареи приводят к токсичным отходам.

Было предложено разрешить эту проблему путем оснащения сенсорных устройств самоподдерживающимися источниками энергии, которые собирают энергию из их окружения. Но все равно количество энергии, достижимое имеющимися в продаже устройствами сбора энергии, очень ограничено, и это означает, что возможности и функции безбатарейных устройств сильно ограничены. Поскольку ожидание сообщения подтверждения после передачи энергозатратно, особенно в случае, когда подтверждение не принимается и, следовательно, требуется повторная передача исходного сообщения, существующие способы связи для безбатарейных устройств с возможностью сбора энергии не осуществляют никакого процесса подтверждения, но непосредственно выполняют несколько повторных передач сообщения, чтобы гарантировать надежность связи. Это решение эффективно в том, что оно, в общем, обеспечивает безошибочный прием. Однако решение имеет также несколько недостатков. Во-первых, в таком варианте осуществления, где не ожидается сообщение подтверждения, безбатарейное устройство никогда не прослушивает события, происходящие в сети, которой оно принадлежит. Соответственно, в случае изменений конфигурации, например в отношении канала связи, сетевого идентификатора или назначения адреса, безбатарейное устройство не может принять какую-либо информацию и, следовательно, не может приспособить свои параметры передачи к новой конфигурации, превращая дальнейшие передачи в неуспешные. Неспособность приспособиться к изменениям канала является особенно критической, поскольку она либо принуждает устройство, назначенное для приема связи от безбатарейного устройства, работать на множественных каналах, что в техническом смысле очень сложно ввиду требований нескольких управляющих приложений в реальном времени, либо принуждает пользователя производить повторный ввод в строй безбатарейного устройства, что трудоемко и, следовательно, недопустимо с точки зрения пользователя. Во-вторых, число повторных передач фиксировано и не изменяется, даже если одна из первых передач оказалась успешной. Соответственно, такие варианты осуществления связаны с растратой энергии для бесполезных передач; эта энергия может быть использована с большей пользой.

Кроме того, по причинам экономии энергии все повторные передачи посылаются без надлежащего механизма доступа к каналу CSMA/CA, требуемого для правильной работы сети, что потенциально приводит к конфликтам пакетов и, следовательно, искаженной связи для других безбатарейных устройств в сети-посреднике или в других окружающих сетях, использующих ту же полосу частот.

Сущность изобретения

Целью изобретения является предложить способ управления передачами кадров безбатарейным устройством, чтобы приспособить дальнейшие операции безбатарейного устройства в зависимости от успеха или неудачи предшествующих связей.

Точнее, целью изобретения является предложение способа, в котором безбатарейное устройство принимает обратную связь на свои передачи через средства, отличные от интерфейса связи.

Точнее, целью изобретения является обеспечение способа, который позволяет безбатарейному устройству пропустить дополнительные передачи, когда связь была успешной, таким образом обеспечивая экономию энергии в безбатарейном устройстве и уменьшенную вероятность конфликта для окружающих устройств.

Для этой цели изобретение предлагает способ по п.1 формулы изобретения.

Как в стандартных решениях, в настоящем изобретении безбатарейное устройство первоначально конфигурируется для выполнения некоторого числа повторных передач. В частности, в иллюстративном варианте осуществления способ содержит первоначальный этап определения, например, посредством конфигурации числа повторных передач и временных интервалов между ними. Однако в отличие от существующих способов в настоящем изобретении безбатарейное устройство, отправившее управляющий кадр, имеет средство, отличное от интерфейса связи, для получения обратной связи об успехе или неудаче связи на основе восприятия физического явления, управляемого переданным кадром. Соответственно, безбатарейное устройство осведомлено о состоянии связи и, таким образом, может принять решение о дальнейших операциях, т.е. либо продолжить повторную передачу того же пакета, либо пропустить повторные передачи.

Такая возможность представляет значительную важность для безбатарейного устройства, поскольку она позволяет безбатарейному устройству экономить энергию путем устранения бесполезных повторных передач. В иллюстративном варианте осуществления изобретения способ содержит этап, на котором безбатарейное устройство собирает некоторое количество энергии для выполнения предопределенного числа повторных передач. Таким образом, если повторные передачи пропускаются после успеха связи, собранная энергия не полностью потребляется и, таким образом, может использоваться для других операций. Соответственно, в одном характерном варианте осуществления эта остаточная собранная энергия сохраняется. В другом характерном варианте осуществления остаточная добытая энергия используется для двусторонней связи, т.е. для приема сообщений беспроводной связи. В другом характерном варианте осуществления принимаемые сообщения являются служебными сообщениями.

Настоящее изобретение также относится к безбатарейному устройству по п.12 формулы изобретения.

В одном варианте осуществления средство для управления беспроводным интерфейсом содержит, например, средство для переключения интерфейса из отправляющего режима в принимающий режим и/или средство для задания числа повторных передач и временных интервалов между повторными передачами.

Цепь сбора энергии может использоваться для сбора энергии окружающей среды, которая исходит либо от физического явления, такого как освещение, либо от механического явления, такого как вибрация мотора, либо от взаимодействия с пользователем, такого как нажатие кнопки.

Накопитель энергии может использоваться для временного хранения собранной энергии и для ее доступности для интерфейса связи или других компонентов, таких как память, контроллер, например микроконтроллер, или другие аппаратные компоненты или датчики, включаемые в средство обнаружения, используемое для определения успеха передачи. Накопитель энергии может принимать форму, например, батареи с твердым электролитом или ионистора, характеризующихся низким током утечки.

Эти и другие аспекты изобретения станут ясны из описываемых далее вариантов осуществления и будут разъяснены со ссылками на них.

Краткое описание чертежей

Теперь настоящее изобретение будет описано более подробно в качестве примера со ссылками на сопроводительные чертежи, где фиг.1 изображает сеть, осуществляющую способ согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способу управления передачами от безбатарейного устройства 1, как показано на фиг.1. Безбатарейное устройство 1 отправляет кадры, предназначенные для управляемых устройств 2a, 2b, 2c. Эти передачи обрабатываются устройством-посредником 3, принимающим кадры, отправленные безбатарейным устройством 1, и направляющим их к соответствующему устройству-получателю или группе устройств посредством одноадресной передачи, многоадресной передачи или вещательной передачи в зависимости от того, какая из них обеспечивается стандартом беспроводной связи и выбрана на конфигурационном этапе.

Для правильной работы настоящего способа безбатарейное устройство 1 размещается в физической близости управляемых устройств 2a, 2b, 2c. Это позволяет безбатарейному устройству 1 пассивно принимать внеполосную обратную связь о кадрах, отправленных устройству-посреднику. Фактически, способ согласно изобретению должен быть применен в сетях, где безбатарейное устройство 1 управляет устройствами 2a, 2b и 2c, которые оказывают влияние на некое физическое явление.

В первом примере устройство 1 является безбатарейным кнопочным переключателем света, управляющим состоянием включения/выключения ламп 2a, 2b и 2c. Таким образом, при инициировании пользовательским кнопочным действием, которое обеспечивает также собранную энергию, требуемую для работы переключателя, безбатарейное устройство 1 отправляет кадр для управления состоянием включения или выключения осветительных приборов. Чтобы получить обратную связь об успехе или неудаче передачи командного кадра, безбатарейное устройство 1 обнаруживает наличие или отсутствие света (представленного стрелками на фиг.1) и сравнивает результат обнаружения с ожидаемым результатом с учетом содержимого командного кадра. Обнаружение выполняется энергосберегающим образом с использованием датчика 10, включаемого в безбатарейное устройство 1, например светочувствительного резистора, светодиода или элемента солнечной батареи.

В другом примере устройство 1 является безбатарейным переключателем интенсивности света или удаленным контроллером, который воздействует на интенсивность света ламп 2a, 2b и 2c. В другом примере устройство 1 является контроллером для жалюзи, которое воздействует на положение жалюзи 2a, 2b и 2c. Таким образом, для определения, был ли управляющий кадр должным образом принят, безбатарейное устройство 1 воспринимает интенсивность света после отправки управляющего кадра, затем сравнивает эту интенсивность света с интенсивностью света, воспринятой непосредственно перед передачей кадра, для определения фактического изменения интенсивности. На основе этого сравнения безбатарейное устройство 1 может определять, была передача успешной или нет. Обнаружение выполняется энергосберегающим образом с использованием датчика 10, включаемого в безбатарейное устройство 1, например светочувствительного резистора, светодиода, солнечного элемента или автономного датчика изменения интенсивности света.

В еще одном примере безбатарейное устройство является температурным датчиком с возможностью сбора энергии потока, а управляемое устройство 2c является контроллером клапана, например, включаемым в термостат, для управления потоком. Затем безбатарейное устройство может обнаруживать изменения в напряжении и/или токе, подаваемом от вращающейся детали собирающего средства энергии на основе потока, для получения обратной связи об успехе передачи.

В еще одном примере физическое явление подвергается влиянию работы управляемых устройств 2a, 2b и 2c таким образом, что может обнаруживаться индивидуальный вклад каждого из устройств 2a, 2b и 2c. Например, устройство 1 является безбатарейным переключателем интенсивности света, а управляемые устройства 2a, 2b и 2c являются лампами с индивидуальными параметрами фазово-импульсной модуляции. Чтобы получить обратную связь об успехе или неудаче передачи командного кадра, безбатарейное устройство 1 проверяет изменение интенсивности света, излучаемого каждым из управляемых устройств 2a, 2b и 2c (представленного стрелками на фиг.1), и сравнивает результат обнаружения с ожидаемым результатом с учетом содержимого командного кадра.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными устройствами и может применяться к любому управляемому устройству, работа которого дает физический результат, который может энергосберегающим образом обнаруживаться безбатарейным устройством.

На основе обратной связи от датчика 10, указывающей успех или неудачу передачи управляющего кадра, безбатарейное устройство принимает решение о дальнейшей работе следующим образом:

- если передача потерпела неудачу, то безбатарейное устройство выполняет повторную передачу на основе предопределенных параметров, относящихся к числу повторных передач и временным интервалам между двумя передачами,

- если передача была успешной, то безбатарейное устройство пропускает или отбрасывает дальнейшие повторные передачи, и остаточная собранная энергия остается доступной в накопителе энергии.

В предпочтительном варианте осуществления параметры повторной передачи, т.е. число повторных передач и временной интервал между любыми двумя повторными передачами, определяются таким образом, что обратная связь, указывающая на успех передачи, может приниматься перед тем, как все повторные передачи посылаются. Согласно этому определение параметров производится с учетом следующих элементов:

- задержка обработки в принимающем устройстве (принимающих устройствах),

- возможная архитектура управляющей сети, например, число перенаправлений, которые должно пройти сообщение для достижения управляемых устройств, обеспечивающих физическую обратную связь,

- физические ограничения управляемых устройств, обеспечивающих обратную связь, например, конченое время включения лампы или ограниченная скорость жалюзи в случае контроллера для жалюзи.

Сэкономленный объем собранной энергии может использоваться для различных действий, таких как:

- прием и постоянное хранение конфигурационных данных, таких как канал, идентификатор сети, защитный ключ, адресная информация,

- администрирование памятью, например, выполнение энергозатратной операцией стирания энергонезависимой памяти (NVM),

- выполнение операции обнаружения, например, для нахождения сети, более хорошего посредника или нового канала,

- сбор данных о надежности для приспособления долгосрочного режима работы безбатарейного устройства, например, сохранение долгосрочного среднего числа повторных передач пакетов в беспроводном носителе, приводящего к успеху управления, согласно наблюдениям средства обнаружения.

С учетом вышеизложенного ясно, что в отличие от стандартных безбатарейных устройств безбатарейное устройство согласно настоящему изобретению может содержать в одном варианте осуществления средство для переключения беспроводного интерфейса 11 из передающего режима в принимающий режим, если назначенные сохранения энергии должны использоваться для сообщения служебных данных. Действительно, устройство должно находиться в передающем режиме для передачи управляющего кадра устройству-посреднику 3, и после получения подтверждения успеха от устройств 2a, 2b, и 2c через "внеполосные" средства оно должно переключиться в принимающий режим для приема служебных данных от посредника 3. Термин "внеполосные" означает, что обратная связь обеспечивается способами, отличными от беспроводной передачи кадра. Кроме того, следует отметить, что прием обратной связи выполняется без затрат энергии или с ничтожно малыми затратами энергии для безбатарейного устройства.

Устройство-посредник 3, связанное с безбатарейным устройством 1, разумеется, осведомлено о состоянии безбатарейных передач, поскольку оно принимает и обрабатывает командные кадры от безбатарейного устройства, также как и подтверждения от управляемых устройств 2a, 2b, 2c; сам посредник может являться устройством физического выхода, управляемым безбатарейным устройством. Таким образом, посредник может приспосабливать свой режим работы согласно успеху приема кадра безбатарейным устройством. Например, после приема подтверждающего кадра от всех управляемых устройств 2a, 2b, 2c посредник может переключаться в передающий режим и отправлять конфигурационные данные внутриполосным образом к безбатарейному устройству, т.е. через беспроводной интерфейс связи. Посредник может продолжать работу, даже если не может знать, интерпретировало ли безбатарейное устройство своевременно и безошибочно внеполосную обратную связь как успех, поскольку с высокой вероятностью посредник только пропустит еще одну повторную передачу от безбатарейного устройства. Конфигурационные данные могут включать в себя, например, новый операционный канал, новый защитный ключ, новый идентификатор сети или устройства для дальнейшего использования предпочтительно перед тем, как изменение конфигурации вступает в действие. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления посредник оценивает количество энергии, остающейся в безбатарейном устройстве, и приспосабливает свои действия, например, количество информации, передаваемой безбатарейному устройству, под это количество энергии.

Кроме того, в другом варианте осуществления изобретения безбатарейное устройство может иметь возможность безошибочно принимать только фрагмент конфигурационного сообщения от посредника, а не полное сообщение. Это может происходить ввиду малого количества энергии, остающейся в безбатарейном устройстве, или потому что способ оценки, используемый посредником для оценки количества энергии, остающейся в ZBLD (безбатарейном устройстве), недостаточно точен, или ввиду повреждения пакетов из-за помех или других явлений распространения. Однако если фрагмент является достаточным, т.е. если он позволяет безошибочно идентифицировать по меньшей мере часть полей, то безбатарейное устройство все равно может его использовать для модификации своего режима работы в следующем рабочем цикле.

Может происходить так, что изменение конфигурации, которое должно быть передано устройством-посредником безбатарейному устройству, и особенно изменение канала, может вступать в действие прежде, чем безбатарейное устройство может его принять. Соответственно, в одном варианте осуществления изобретения после предопределенного числа неуспешных передач безбатарейное устройство выполняет следующие этапы:

- сохраняет в энергонезависимой памяти флаг, информирующий о возможном изменении канала передачи,

- отправляет дальнейшие повторные передачи по другому каналу и,

- если дальнейшая повторная передача успешна, очищает флаг и сохраняет для постоянного хранения новый канал.

В еще одном варианте осуществления возможность обнаружения успеха "внеполосной" передачи может явным образом быть разблокирована и заблокирована в безбатарейном устройстве и/или посреднике. Это может осуществляться пользователем в рамках первоначальной конфигурации безбатарейного устройства. Безбатарейное устройство может также блокировать по умолчанию разблокированную возможность, если после предварительно заданного числа управляющих операций изменение в физических параметрах не обнаруживается; затем также предпочтительно информировать посредника об этом изменении. Это также позволит безбатарейному устройству не растратить энергию на восприятие физического параметра и вместо этого использовать ее всю для повторных передач.

На основе всех вышеуказанных элементов ясно, что настоящее изобретение предлагает способ и безбатарейное устройство, которые позволяют преодолеть следующие недостатки:

- Ограничение на одностороннюю связь с безбатарейными устройствами, собирающими энергию, и проистекающие из него:

- неспособность принимать обратную связь об управляющих кадрах, отправленных безбатарейным устройством,

- неспособность принимать конфигурационную и служебную информацию,

- неспособность обнаружить проблемы сети (например, ухудшение характеристик линии связи с посредником, исчезновение сети ввиду изменений конфигурации сети);

- Неблагоприятное воздействие ручного ввода в строй безбатарейного устройства, особенно в случае изменения канала;

- Неблагоприятное воздействие многоканальной работы посредника;

- Конфликты пакетов в беспроводной сети-посреднике, возникающие из-за множественных повторных передач безбатарейного устройства, отправленных без использования надлежащего механизма доступа к каналу.

Настоящее изобретение в особенности предназначено для использования в беспроводных управляющих сетях, таких как сети управления освещением, сети автоматизации зданий и бытовой автоматизации, содержащих устройства, такие как переключатель света, датчик света и детектор наличия. В частности, оно может использоваться в сетях на основе IEEE802.15.4/ZigBee с безбатарейными устройствами, осуществляющими протокол безбатарейных ZigBee или протокол ZigBee RF4CE; в сетях на основе 802.15.6 и т.д. Однако изобретение может применяться в любых беспроводных сетях.

В настоящем описании и пунктах формулы упоминание элемента в единственном числе не исключает возможности наличия множества таких элементов. Кроме того, слово "содержит" не исключает возможность наличия других элементов или этапов, помимо перечисленных.

Включение позиционных обозначений в скобках в пунктах формулы предназначено для помощи в понимании, а не для ограничения.

По прочтении настоящего раскрытия другие модификации будут понятны специалистам в данной области техники. Такие модификации могут задействовать другие признаки, которые уже известны в данной области техники беспроводной связи и которые могут использоваться вместо или в дополнение к признакам, уже описанным здесь.

Изобретение относится к способу управления передачами безбатарейного устройства (1), работающего в беспроводной сети. Техническим результатом является повышение эффективности экономии энергии. Способ содержит этапы, на которых: безбатарейное устройство (1) передает кадр, включающий в себя элементы для управления работой удаленного устройства (2a) или управляемого устройства, причем безбатарейное устройство конфигурируется с предопределенным числом запланированных повторных передач управляющего кадра; безбатарейное устройство воспринимает изменение в физическом явлении, вызванном работой управляемого устройства (2a); безбатарейное устройство определяет на основе этапа восприятия успех или неудачу передачи кадра; если передача была успешной, безбатарейное устройство избегает дальнейших повторных передач управляющего кадра. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления передачами безбатарейного устройства (1), работающего в беспроводной сети, причем способ содержит этапы, на которых:
- безбатарейное устройство (1) передает управляющий кадр, включающий в себя элементы для управления работой управляемого устройства (2а), причем способ отличается тем, что:
- безбатарейное устройство воспринимает, произошло или нет изменение в физическом явлении, вызванном работой управляемого устройства (2а),
- безбатарейное устройство определяет на основе этапа восприятия успех или неудачу передачи управляющего кадра в зависимости от того, произошло или нет изменение соответственно,
- если передача управляющего кадра потерпела неудачу, безбатарейное устройство повторно передает управляющий кадр, в соответствии с чем безбатарейное устройство конфигурируется для осуществления предопределенного числа запланированных повторных передач управляющего кадра,
- если передача управляющего кадра была успешной, безбатарейное устройство избегает повторных передач управляющего кадра.

2. Способ по п.1, содержащий первоначальный этап, на котором определяют число повторных передач и временные интервалы между ними.

3. Способ по п.1 или 2, содержащий этап, на котором безбатарейное устройство собирает некоторое количество энергии для выполнения предопределенного числа повторных передач.

4. Способ по п.3, содержащий этап, на котором, когда повторные передачи избегаются, сохраняют остаточную собранную энергию для последующего использования.

5. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором управляемое устройство является устройством, управляющим условиями освещения, и в котором этап восприятия выполняется безбатарейным устройством с использованием устройства восприятия, содержащегося в группе, содержащей: светочувствительный резистор, фотодиод, солнечный элемент и автономный датчик изменения интенсивности света.

6. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором управляемое устройство является клапаном и в котором этап восприятия выполняется безбатарейным устройством путем обнаружения изменения в потоке через изменение в напряжении и/или токе, подаваемом вращающейся деталью, размещенной в потоке.

7. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором остаточная собранная энергия используется безбатарейным устройством для приема конфигурационных данных, содержащий этапы, на которых:
- в случае, если на этапе восприятия определяется успех передачи, безбатарейное устройство переключается из передающего режима в принимающий режим,
- в случае успешного приема командного кадра от безбатарейного устройства устройство-посредник (3) переключается из принимающего режима в передающий режим и отправляет конфигурационные данные внутриполосным образом к безбатарейному устройству.

8. Способ по любому из пп.1 или 2, содержащий этап, на котором безбатарейное устройство использует остаточную собранную энергию, чтобы определить канал передачи для передач управляющих кадров и чтобы сохранить его для постоянного хранения в памяти.

9. Способ по п.8, содержащий следующие этапы, на которых безбатарейное устройство:
- сохраняет в энергонезависимой памяти указание о неуспешной попытке передачи,
- после предопределенного числа последовательных неуспешных попыток передачи сохраняет в энергонезависимой памяти флаг, информирующий о возможной смене канала передачи,
- отправляет последующие передачи по другому каналу(-ам) и
- если любая из последующих передач оказывается успешной, очищает флаг и сохраняет для постоянного хранения новый канал.

10. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором выполнение этапа восприятия может быть разблокировано и заблокировано.

11. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором беспроводная сеть является сетью ZigBee.

12. Безбатарейное устройство (1), используемое для управления управляемыми устройствами (2а, 2b, 2с) в беспроводной сети, причем безбатарейное устройство содержит:
- беспроводной интерфейс (11) связи, выполненный с возможностью передачи управляющего кадра, включающего в себя элементы для управления работой управляемого устройства (2а),
отличающееся тем, что безбатарейное устройство содержит:
- датчик (10), выполненный с возможностью восприятия, произошло или нет изменение в физическом явлении, вызванном работой управляемого устройства (2а), и тем, что
- безбатарейное устройство выполнено с возможностью определения на основе восприятия датчиком успеха или неудачи передачи управляющего кадра в зависимости от того, произошло изменение или нет соответственно,
- безбатарейное устройство выполнено с возможностью повторной передачи управляющего кадра, если передача управляющего кадра потерпела неудачу, в соответствии с чем безбатарейное устройство конфигурируется для осуществления предопределенного числа повторных передач управляющего кадра, и
- безбатарейное устройство выполнено с возможностью избегать повторных передач управляющего кадра, если передача управляющего кадра была успешной.

13. Безбатарейное устройство по п.12, в котором интерфейс осуществляется согласно протоколу безбатарейного ZigBee.

14. Безбатарейное устройство по п.12, в котором интерфейс осуществляется согласно протоколу ZigBee RF4CE.