同步無線通信系統的製作方法

2023-10-20 04:40:42

專利名稱：同步無線通信系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統。更具體地，本發明涉及還最小化同步 信號間的能量需求的那種系統。
背景技術：
在不方便或者不希望安裝有線網絡的情況下，常常可容易地安裝 能夠無線地進行通信的電子單元。在其它情況下，在相同系統中既使 用有線又使用無線設備是有用和方便的，這取決於特定需要。例如，以無線危險狀況檢測器的形式找到無線設備，諸如煙霧檢 測器、火警檢測器、火焰檢測器、熱檢測器或氣體檢測器。還以諸如 位置檢測器、運動檢測器、無源紅外檢測器等的狀況檢測器的形式實 現其它無線單元。其它類型的無線電子單元實現希望的功能，例如打 開或關閉門、鎖緊或解鎖門、控制電機、控制繼電器、螺線管等，全 都沒有限制。與使用無線電子單元關聯的一個公知問題是設備正常操作期間的 功率消耗。當無線單元可連接至外部能量源時，例如連接至公共電源時，可容易地滿足對於操作各個單元或多個單元的電能需求。在必須 用電池對單元進行供電的其它類型的安裝中，能量消耗成為嚴重的限 制。公知單元中的能量需求成為問題的一個原因是各個設備中的無線 接收機必須持續地"開啟"並且消耗電力，使得在該單元可接收並感 知進入的信號。
由於將接收機設計在採用RF通信方式的火警檢測器導致電池壽 命縮短的緣故，所以這種火警檢測器通常只包括發射機。因為這些接 收機與系統中的其它設備異步，所以它們通常總是處於工作狀態。。對於具有降低或最小電流需求的無線電子單元存在持續不斷的需 要。優選地，可以實現這種單元，以執行與這種單元關聯的公知類型 的功能，同時降低單元能量需求。優選地，這種單元將可以安裝在新 的和現有的系統中。


圖1是根據本發明的系統的框圖；圖1A是圖1的系統中的電子單元模塊的框圖；圖2是表示圖1的系統操作的時序圖；圖3說明設備仲裁的另一方法；以及圖4說明設備辨識的一種方法。
具體實施方式
儘管本發明允許多種不同形式的實施例，並且在圖中顯示並在文 中詳細說明其特定實施例，但是需要理解，本公開被視為本發明原理 的範例。並不是要將本發明限制於示出的特定實施例。—種實施本發明的方法在檢測器中既使用發射機又使用接收機， 並且通過如下所述同步檢測器仍然保持長的電池壽命。在本發明的一個實施例中，主設備為無線系統中的其它設備提供 同步信號。該主設備可連接至系統的其它有線部分，或者連接至用於 建立同步信號目的的其它定時器。主設備發射周期性的同步信號，其它設備調整它們的各個 ON/OFF、激活/未激活時間，以匹配期望的同步信號。在根據本發明的系統中，各個設備獲知周期性同步信號的時序， 並且然後進入同步信號間的"休眠或OFF"狀態。例如，同步信號可 具有10秒的周期。已經獲知10秒周期的所有設備就在下一個同步信號的期望到達之前進入"喚醒或ON"狀態。在示例實施例中，所有設備使它們的接收機接通，並且接收進入 的信號，估計該信號中的信息內容並相應地作出響應。如果信號正在 請求將由一些或全部設備發送的信息(報警、故障、輸出狀態等)， 那麼適當的設備將根據程序進行響應，以激活它們的接收機並且發送 後來由系統中的一些或全部設備接收的這些信息。這種同步的優點包括1)設備可操作發射機和接收機同時保持長的電池壽命，2)設備可並行處理來自其它設備的關於系統狀況的信息 (報警、故障、輸出狀態、輸入狀態等)，3)沒有破壞數據或與通信 幹擾的通信衝突，以及4)可通過有線鏈路對設備進行編程或者使它們 的程序改變。這些設備可包括煙霧、氣體、溫度、光線、光束等類型的檢測器。 其它設備可包括各種類型的控制單元，例如喇叭擴音器、報警指示光、 運動控制、中繼器或螺線管控制單元等，沒有限制。可以利用RF頻率、聲波、超聲波、諸如紅外或更高頻率的光頻實 現無線傳輸，全都沒有限制。調製類型並不是本發明的限制，也不是 同步信號的本性和特性。示例調製類型包括擴展頻譜、多頻、FM調製、 AM調整或ON/OFF鍵控。可以無限制地利用不同的系統通信配置。在優選的系統中，這些 設備將它們的接收機和發射機調諧至相同的頻率(可以被擴展頻譜)。 這意味著這些設備將接收在該頻率上發射的任何信號，包括它們自己
的發射。或者，接收與發射可處於不同的頻率。這些設備被編程為就在同步信號的期望到達時間之前變為激活， 並且保持激活，直到接收到同步信號。然後各個設備(多個)將準備 發射它們的信息，以根據同步信號中的信息和/或它們的狀態或狀況進 行發射。所有設備集成高精度內部時鐘並且具有同步的內部時間基準。 在特定的預設時間，它們將開始它們的發射。對於安裝在各個系統中的新設備或者如果設備沒有合適地建立同 步信號的時序，各個設備將持續地將其接收機保持ON，直到它接收到 期望的同步信號。然後它將建立時序，以進入與同步時序匹配的激活/ 未激活循環。如果它在稍後喚醒，變為激活並且發現沒有同步信號， 它將保持ON並且等待同步信號，以重新調整其用於激活/未激活循環 的時序。如果同步信號的控制器/發送器出現故障，那麼另一設備可代替該 作用，並且成為系統同步信號的發送器。可通過預編程或任何其它方 法進行發送器的選擇。在預編程方法中，同步信號在預定時間段內的消失將激活下一內嵌(next-in-line)控制器。在許多其它方法之一中，每一設備選擇隨機 優先權消息。系統中的所有設備仲裁該消息的優先權並且選擇新的設 備，該設備成為同步信號的控制器/發送器。可以集成一種信號或比特仲裁方法，以防止設備發射衝突的數字 信息。例如，設備使用ON/OFF鍵控，其中ON由發射該頻率表示， OFF是不發射該頻率。這些設備全部同時開始它們的消息並且不斷地 監視它們的接收機，以檢查接收的信號與它們的發送信號相同(當發 射0比特時接收0比特，當發射1比特時接收1比特)。
因為發射頻率比不發射頻率具有優先權，所以設備監視它們自己 的發射以及其它設備的發射。如果當它們視圖發射0比特時接收到1 比特，那麼它們知道另一設備具有比它們自己的消息更高優先級的消 息，並且它們停止發射，直到其它消息結束。在其它消息結束後，它 們再一次地嘗試發送它們自己的消息，該消息繼續與所有其它消息進行比特仲裁。最終，將按照RF系統中消息的優先級順序，完成每一設備的消息。另一信號仲裁方法是使每一設備開始其各自的具有時間持續優先 級信號的消息，設備將時間持續優先級信號與系統中的所有其它設備 進行比較。優先級信號的持續時間越長，該消息的優先級就越高。當 到了這些設備發射信息的時間時，每一設備根據該優先級發射具有預 編程時間長度的連續信號。每一設備監視它自己的接收機，該接收機接收它自己的發射和所 有其它設備的發射。設備停止發射其優先級信號而接收機仍然從其它 設備接收優先級信號，那麼該設備知道另一設備具有更高的優先級並 且在嘗試發送其自己的消息前一直等待，直到該另一設備完成它的消下一消息時間的重新啟動被作為前一消息結束的基準，因此需要 發送信息的所有剩餘設備保持協調和同步。該仲裁可使用單個信號或 一系列信號，以建立優先級，而不脫離該仲裁方法的精神和範圍。可 以不限制地使用其它仲裁方法用於這些設備，以防止此同步系統中的 消息衝突。圖1表示示例系統10，該系統具有同步信號的控制器/發送器12 和w個無線設備的組14， 14-1...14-w，這些無線設備可在所有設備以 及控制器12間接收和發射信號。將會理解，設備類型和設備數量均不 是本發明的限制。
組14的成員彼此無線地通信，如下詳述。組14的每一成員包括，例如RF天線16-l…w，天線耦合至各個單元的收發信機，最好參見圖 1A，以提供組14的成員以及同步控制單元12之間的雙向通信。將會 理解，這種通信的細節並不是本發明的限制。此外，各個成員14與同 步電路12是否處於單向通信或雙向通信並不是本發明的限制。單元12可為獨立的單元或者可集成至並且成為更複雜的報警控 制電路20的一部分。電路20可與多個環境狀況檢測器/控制單元22進 行通信，全都沒有限制。檢測器/控制單元22的細節和數量均不是本發 明的限制。對於同步/控制電路12,將會理解，從其進行的同步發射與設備 14接收和發射的頻率或頻帶可以相同或者不同。圖1A是表示組14的代表性成員M-i的示例細節的框圖。成員14-i 可包括耦合至RF天線16-i以及控制電路32的收發信機30。控制電路32又可從可選的環境狀況傳感器或多個傳感器34a或者 其它輸入設備接收信號。作為對其的替換或者補充，控制電路32可與 可選的輸出電路34b進行通信，輸出電路可包括繼電器、螺線管、擴 音器、燈、發聲器、閃光燈等，全都沒有限制。單元14-1從內部源36接收電能。源36可被實現為獨立電池，其 中單元14-I被容納在外殼38中並且根據其功能或多個功能可安裝到選 擇的表面，這被本領域的技術人員所理解。或者，能量源36可耦合至 外部能量源，例如公共電源，如果希望的話。如上所述，並且隨後對於圖2，在預計從單元12接收同步信號時， 控制電路32適當地將能量耦合至收發信機30。將會理解，如果希望的 話，在預計接收同步信號時，僅有收發信機30的接收機部分需要被供 電。圖2表示相對於同步信號和發射的設備14的激活，同步信號和發 射在此示例中僅是ON和OFF。在時間段A中，設備14-n就在即將發 送同步信號之前喚醒即變成激活。它接收該同步信號並且根據其內部 狀態條件確定它將利用設備14-n發射進行響應。其它設備根據它們的 內部狀態條件將不進行響應。在時間段B中，設備14-n就在同步信號之前喚醒並且確定它和任 何其它檢測器均不具備需要進行響應的狀態條件。時間段B是絕大多 數時間的代表，因為設備內的狀態條件變化非常緩慢。在時間段B期間，每一設備的接收機每10秒鐘中僅有2毫秒多一 點的時間是ON，這產生平均功率消耗RECEIVER-ON/5,000。如果 RECEIVER-ON最大電流是5 mA，那麼與該接收機有關的平均最大電 流是1微安。在時間段C，這些設備14就在同步信號的期望到達之前變成激活， 並且各個檢測器確定它們具有用於多個設備響應的狀態條件。在這種 情況下，設備14-n具有最高優先級並且首先發射，然後是仲裁至它們 的發射時間的其它設備。在任何設備正在發射時，所有設備將它們的接收機保持ON，以接 收任何和全部消息。這使得所有設備將其它檢測器的狀態條件與它們 自己的狀態結合，以確定設備的響應(使喇叭發聲、接通繼電器等)。 例如，如果這些設備接通繼電器以激活噴淋系統，那麼它們要求其它 編組的設備或檢測器也具有與它們自己的狀態條件相匹配的狀態條 件。
圖3表示另一設備仲裁方法。在接收到RF同步信號後，每一設備 在預定時間進行發射。這些設備可以根據它們將要發射的信息並結合 隨機數選擇或它們的唯一地址ID來選擇預定的時間。例如，在字節1的比特7時隙，設備1、 2和3都要發射數據=1 比特。因此，每一設備將在字節1的比特7時隙期間進行發射，但是 在不同的隨機時間或者不同的地址ID，因此它們不在時間上重疊。在 字節1的比特6，設備l將發送數據-O(不發射)，而設備2和3將發 射數據-1。設備1注意到在字節1的比特6時間期間，其它設備發射 具有更高優先級的數據=1，並且從而仲裁其自身關閉通信，直到其它 設備的消息結束。上述過程繼續，直到僅剩餘一個設備，那麼該剩餘設備發射其消 息，而沒有來自其它設備的幹擾。最終，其它設備利用它們從仲裁過 程獲知的優先級按順序發射它們的消息。或者，無需這些設備從先前 消息發射過程獲知它們的順序就執行上述過程。'圖4表示利用不同的頻率調製辨識不同設備的方法。每一設備能 夠接收並且解碼這些頻率調製來同時識別其它設備。這些設備將根據 正在發射的信息的優先級仲裁它們自身。由上可知，可實施大量變形和修改，而不脫離本發明的精神與範 圍。應當理解，對於此處說明的特定裝置無意施加或者不應推斷出任 何限制。當然，意圖通過所附權利要求涵蓋落入權利要求範圍內的所 有這些修改。
權利要求
1. 一種電子單元，包括 無線通信埠；耦合至所述埠的控制電路，所述控制電路至少具有由周期性的 有限時長的激活模式中斷的未激活模式，包括監視所述埠的電路， 以在所述激活模式期間接收期望的同步無線信號並且對其進行響應， 以確定接收的信號是否是期望的信號。
2. 權利要求1的單元，至少包括耦合在所述埠和所述控制電路 之間的射頻接收機。
3. 權利要求2的單元，包括附加電路，以針對期望信號標記的存 在評估所述接收的同步信號，並且對其進行響應，以確定是否期望附 加消息。
4. 權利要求3的單元，進一步包括擴展所述激活模式並且獲取和 響應任何期望的附加消息的電路。
5. 權利要求3的單元，其中所述控制電路至少部分地包括處理器 和可執行指令。
6. 權利要求5的單元，包括耦合至所述處理器的定時器電路，用 於發起周期性的有限時長的激活模式。
7. 權利要求5的單元，包括可執行指令，至少用於利用不同於所 述同步信號顯示的協議接收數據。
8. 權利要求5的單元，包括可執行指令，用於利用不同於所述接 收的同步信號的協議發射數據。
9. 權利要求7的單元，包括可執行指令，該可執行指令檢測和解 碼基本上同時從多個源接收的數據信號。
10. 權利要求9的單元，其中所述感應和解碼過程包括比特仲裁。
11. 一種方法，包括； 周期性地發射無線同步信號；進入激活模式，以接收和評估所述同步信號，並且對其進行響應， 進入數據接收或數據發射模式之一，所述數據具有與所述同步信號不 相同的協議。
12. 權利要求ll的方法，包括評估多個同時接收的數據信號並且 區分這些信號。
13. 權利要求12的方法，包括在這些信號之間，在多個同步信號 接收位置處最小化能量需求。
14. 權利要求ll的方法，包括響應於基本隨機的數字或唯一的設 備標識符，在相對於所述同步信號的不同偏移處發射數據信號。
15. —種通信系統，包括至少兩個能夠無線地發射和接收信號的設備；無線發射同步信號的第一設備；接收所述無線同步信號的至少第二設備，所述第二設備將功能同 步至所述同步信號，使得所述第二設備的能量消耗在同步信號間的時 間段降低。
16. 權利要求15的系統，其中至少所述第二設備包括電池。
17. 權利要求15的系統，其中利用預定時序周期性地發射所述同 步信號。
18. 權利要求15的系統，其中所述同步信號包括RF頻率、光頻 或聲頻中的至少一個。
19. 權利要求15的系統，其中所述同步功能包括發射表示檢測器 狀態的信號。
20. 權利要求18的系統，其中檢測器狀態包括報警、故障、電壓、 輸入或傳感器狀況中的至少一個。
21. 權利要求18的系統，其中所述第一設備接收所述發射信號。
22. 權利要求18的系統，其中所述信號發射至少部分包括與所述 同步信號頻率相同的頻率。
23. 權利要求15的系統，其中所述同步信號包括可變頻率。
24. 權利要求15的系統，包括一組接收所述無線同步信號的設備。
25. 權利要求24的系統，其中所述組的每一成員包括響應於基本 隨機的數字或唯一的設備標識符中的至少一個，在與所述同步信號的 不同偏移處發射數據信號的電路。
全文摘要
一種無線通信系統，包括多個同步的無線單元。每一單元通過在同步信號之間進入低電流、未激活的狀態來最小化能量需求。該單元在接收下一個同步信號之前自動進入激活狀態。
文檔編號H04W74/08GK101124781SQ200480037598
公開日2008年2月13日 申請日期2004年10月19日 優先權日2003年12月16日
發明者李·泰斯, 馬克·C·博哈農 申請人:霍尼韋爾國際公司