专利名称：配置无线电网络以用于选择性广播的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于配置一个无线电网络的方法，以使得该网络内的设备能够选择性地对广播消息做出响应。本发明特别(但不限于)应用于使用ZigBee无线电标准的射频设备。此外，所述设备可以被采用在照明系统中，其中需要对消息做出及时响应。
在撰写本文时，IEEETM和ZigBee联盟的公司团体正在标准化一种被称为ZigBeeTM(IEEE802.15.4)的低功率、低成本数字无线电标准，其操作在ISM频带中的868MHz、915MHz或者2.4GHz下。标准制订者(www.ZigBee.com)为ZigBee设想了很宽的应用领域，从测试和控制到仪表操作和照明。一般来说，采用主从式配置或者星状配置来形成一个微微网，并且几个微微网可以共存，其中从源设备到目的地设备的消息路由是由主设备无线电栈中的网络层处理的。
ZigBee标准允许对设备进行“配对”或“绑定”，以例如使得墙壁安装的合并有ZigBee无线电模块的灯开关可以与合并有ZigBee无线电模块的适当电灯进行绑定。操作该灯开关的用户使得所述开关的无线电模块发送一个由所述主无线电设备或协调器无线电设备接收的无线电消息，该主无线电设备或协调器无线电设备对一个包括该灯开关、几个电灯以及可能其它设备的微微网进行协调。随后该协调器查询一个已存储的绑定表，以找到与该灯开关的地址相关联的设备地址。随后该协调器将所述消息转发给所述绑定设备(在该例中是一盏绑定到该开关的电灯)，该绑定设备例如在接收到该消息之后点亮。
2001年4月19日公布的申请人共同待决的申请WO01/28156在照明情境中更为详细地描述了逻辑链接、绑定或配对。具体来说，在一个例子中，通过在设置模式中人工按压开关和电灯上的按钮来创建所述绑定或配对表。然而，在办公室或仓库内的照明应用中，在一个无线电控制的照明网络中可能有数十盏或数百盏电灯，其中的一些或大部分安装在天花板上，因此不太容易由安装工程师使用。配置这种网络的另一种方式可以包括由工程师临时将笔记本电脑或其它计算机与该网络相关联、发现各设备以及人工配置该网络的绑定表。这种安装可能比较耗费时间并需要很多计划，而且由于需要专业配置所以对终端用户来说可能较昂贵。
此外，一旦进行了配置，如果网络被布置在一个合理范围内并且可能包括多个微微网，那么由于电灯可能在发出控制消息的无线电电灯开关的无线电范围之外，所以可能会出现问题。在这种情况下，无线电设备的网络层可以采用一种路由方法来通过各微微网将控制消息路由到目的地设备。该路由在大网络中典型地包括许多跳跃(hop)，从而在消息传送过程中引入延迟。
在照明应用中，最小化这种延迟或者等待时间是特别重要的，因为用户或者消费者期待在“拨动开关”时一盏或许多盏灯能够几乎瞬时操作。因此，对于照明应用通常规定严格的等待时间要求，这使得大网络或密集网络中的多跳跃路由方法出现了问题。当要求一对多的消息时(当开关与多盏电灯配对时会出现该消息)，由于必须向每个设备重复发出控制消息直到所有配对设备都确认了接收，所以所述问题被进一步复杂化。
因此希望提供一种配置网络的方法，以便能够在减少等待时间的同时对一组设备进行选择性操作。
在本发明的一个方面中，来自在安装时设置的绑定表的数据被用于产生一个组标识符。随后所述协调器依次向每个所标识的绑定设备发出(单播)该组标识符。
随后将包括一个组标识符及其有效载荷内的命令或控制数据的消息广播或“泛洪(flood)”到所有设备以减少等待时间(因为广播消息不需要对接收进行双向确认)。然而，虽然所有的协调器设备典型地通过对所述广播进行再广播来对其做出响应，但是先前已经接收到该组标识符的协调器设备还响应于所述广播消息中的控制数据。
因此，在配置时提供的绑定信息有利地被用于允许以选择性的网络响应来广播消息。
在ZigBee照明实施例中，照明无线电网络包括电池供电的从属灯开关或精简功能灯开关以及电源供电的主光源或协调器光源(电灯)。在接收到来自无线电范围(1-20米左右)内的灯开关的消息后，协调器光源广播该消息(即将MAC层目的地标识符设置为0xFFFF)并且将该灯开关的组标识符包括在该消息内(即在网络层报头字段内插入一个适当的组标识符)。另一个协调器光源接收该消息，注意到其是一个广播，注意到任意组标识符的存在及其值，并随后对该消息进行再广播。该协调器设备/光源内的应用层代码还用先前存储的组标识符来检查所接收的组标识符，并且只有在找到匹配的情况下才通过对该消息中的命令数据做出响应来操作该光源。
在另一个实施例中，由于在ZigBee方案中不对广播消息进行确认，所以发出消息的协调器在所述广播之后将所述消息单播到每个绑定电源。例如在所述广播由于射频干扰或屏蔽而未由其中一个接收方接收到的情况下，上述做法确保对所述组内的所有逻辑链接及绑定的目标接收方的操作。
在另一个实施例中，所述广播还包括一个存在时间(time-to-live)计数器，该计数器由每个接收光源递增。接收具有计数1的广播的光源不对该消息进行再广播。该实施例能够将广播限制在特定的覆盖区域内(例如一幢办公楼内的一个大房间)，同时仍然允许对消息的快速调配和分组导向。
附图简述下面将仅以举例的方式参照附图来描述本发明，其中
图1是布置在照明应用中的无线电网络的图示；图2是应用于光源的无线电设备(L1)的框图；图3是由设备L1存储的绑定表的实例；图4是由L1发出的无线电消息的实例；图5是具体实现一个配置处理的流程图；以及图6是描述在配置之后的网络广播处理的流程图。
应该注意，所述附图并不是按比例绘制的。为清楚计，这些附图的各部件的相对尺寸和比例被夸大或缩小。相同的附图标记一般用来在经修改的不同实施例中表示相应的或相似的特征。
具体描述图1说明了在一幢建筑物中采用的ZigBee无线电网络的一部分，其用于照明或光源应用和控制。该网络采用了电池供电的无线电电灯开关10(SW1)、(SW2)以及电源供电的无线电光源L1到L10。这些光源各包括一个协调(或全功能)无线电设备，该协调无线电设备具有一个无线电范围，在该范围内可以发送和接收消息。在采用ZigBee无线电标准的该例中，该范围典型地覆盖一个半径为10-30米左右的区域。在该图中用虚线21示出了光源20(L1)的无线电范围，用虚线29示出了L5的无线电范围，用虚线31示出了L6的无线电范围，并且用虚线33示出了L8的无线电范围。应该注意，为简明起见，在该图中只示出了设备L1-L10中的一些的范围。因此，图1的示意图可以代表布置在一个大仓库中的各盏电灯，其中的一些(例如L1、L3)在彼此的无线电范围之内。
在该例中，电灯设备L1协调来自开关设备SW1的消息，而开关设备SW2由设备L6协调。实际上，L1和SW1形成一个主/从式微微网，L6和SW2也是如此。其它协调设备各形成其自身的对应微微网，其中ZigBee标准允许协调器到协调器(即跨微微网)的消息交换。因此，由SW1发出的无线电消息将由L1接收和操作，L1可以将该消息转发到其范围内的另一个协调节点设备(例如L3)。
图2a更详细地说明了一个示例网络协调节点L1，该节点具有连接到灯泡20a的ZigBee无线电模块20的形式。图2b示出了所述光源设备的无线电模块20部分。该模块包括一个连接到微控制器20c(μC)的天线和收发信机20d(Tx/Rx)，该微控制器又连接到一个具有闪速RAM 26b的形式的存储器(MEM)。该存储器存储包括一个ZigBee无线电软件栈22的程序代码。该栈包括一个底部物理层(PHYS)，随后是一个介质接入控制层(MAC)，随后是一个网络层(NWK)，最后是一个顶部应用层(APP)。
所述PHYS和MAC层配备有ZigBee兼容无线电模块L1-L10、SW1、SW2，而NWK和APP层则可以由开发商定义，并且可以先于应用而安装在客户处。在该例中，提供了照明应用代码和简档(由ZigBee联盟定义)。正如下面将描述的那样，还提供了允许规定组标识符和低等待时间消息传送的程序代码。
回到图1，假设在安装时用于要求将无线电灯开关设备10(SW1)配置成操作光源设备22(L2)、24(L4)、32(L8)、34(L8)和光源36(L10)。因此，安装工程师必须把具有无线电标识符L2、L4、L8、L9和L10的设备“绑定”到具有标识符SW1的设备。(应当注意，在ZigBee标准中，实际的设备标识符或者无线电地址被定义为唯一的64位IEEE地址，但是为简明起见，在这里将其表示为L2、L4等等。)上述操作是通过在设备(L1)的存储器20b中安装一个绑定表来实现的，该设备协调开关SW1。在图3中示出了一个适用于该例的存储在设备L1中的示例性绑定表。该表40包括具有开关标识符(SW1)的第一列和具有该开关所绑定到的电灯设备地址的第二列。
上面提供的表能够使得L1接收来自开关SW1的消息，查找“绑定”设备地址，并将该消息转发到其范围内的其它设备(其可以是L1微微网的成员也可以不是)。参照图1，L1将一条无线电消息转发给L2，如本领域技术人员所熟知的那样，这是通过在所述无线电消息中包括入一个目的地地址(L2)。L3和L4将“听到”该消息，并且将忽略该消息或者试图将其路由到L2。当接收到来自L2的确认消息之后，设备L1将以该表40中的下一个绑定设备(L4)的消息为目标，并依此类推。考虑图1的网络安排，所述消息需要3次跳跃到达L8，需要4次跳跃到达L9，并且需要5次跳跃到达L10。因此，当与例如从发出(SW1发送消息)到响应(所有绑定电灯点亮)的250ms的严格等待时间要求相比时，可能发生不可接受的延迟。
本领域技术人员将意识到，在照明或其它传感器场景中，可能有数十盏甚至数百盏电灯/传感器和开关分散在不同的微微网安排中。本领域技术人员还将意识到，消息到达其绑定目标的等待时间延迟通常与网络规模(或跳跃计数)呈幂指数律关系增加。因此，将消息通过简单的重复网络路由到每个目标可能导致大网络中的应用要求所不能接受的延迟。
一种用于缩短所述延迟的方法包括将原始消息广播或泛洪通过网络，而不是将其单播到每个目标接收方。这包括在一个无线电消息中表示该消息是一个广播。在ZigBee中这是通过将消息的MAC报头字段中的目的地地址设置为值0xFFFF而实现的。这种广播在ZigBee标准中通常不要求确认，从而可以帮助减少等待时间。因此，L1将把来自SW1的消息广播到其范围内的设备，即L2、L3、L4。当对数据进行操作之后，这些设备随后对该消息进行再广播。因此，该消息“泛洪”通过网络。然而，虽然ZigBee无线电标准具有用于广播的处理，但是简单地将该广播处理应用于图1的网络的话将把所有的电灯设备都打开(如果已经打开的话则都关闭)。
因此，当前不可能在广播消息中表示哪些设备应该做出响应。申请人已经意识到一种有效的方式来实现这一点。在前面的内容中，在设置期间，当工程师进行安装和配置时，一个绑定表40(图3)被提供给设备L1。
本发明提出，在另一个配置步骤中，由所述微控制器和本例中的设备L1的程序代码产生一个标识符，该标识符表示绑定到开关1(SW1)的设备组(L2，L4，L8，L9，L10)。举例来说，该标识符可以简单地是第一所选组号(即“0”)，或者可以是开关设备“SW1”的实际标识符。该组标识符随后由设备L1依次发送(单播)到每个绑定设备，所述绑定设备在接收到该组标识符后，将该标识符存储在存储器20b中，并确认对该消息的接收。
图4说明了与所述标识符一起使用的ZigBee无线电消息的结构。该消息50包括MAC层报头字段S(消息开始)、LEN(消息长度)、FC(帧计数)和标识符字段52DEST(消息的目的地(或目标)地址)、字段54SRC(消息的源地址(发送器))。接着是字段56，其中可以插入一个组标识符，以及一个可选的字段58，其中可以插入一个存在时间计数器，最后是用于消息的命令或数据字节的数据字段60。
图5说明了设备L1产生组标识符并将其提供给所选择的接收方所采取的各处理步骤。在工程师已经向设备提供一个绑定表之后，由应用层代码开始该处理。在步骤70(CBT)，设备L1的微控制器20c检查其存储器20b中的绑定表40的条目，并且在找到所述条目之后进入步骤80，在步骤80中该微控制器产生一个组标识符(G.G.ID)。在本例中，该标识符简单地是该绑定表中的地址条目“SW1”。在产生组标识符之后，该微控制器开始步骤90，其中为与该组标识符相关联的每个设备产生并发送一条消息。因此，由设备L1产生并发送这样一条消息，该消息在其字段52中具有目的地地址“L2”，并且在其字段56中具有组标识符“SW1”。在接收到该消息后，接收方“L2”中的网络层代码从字段56中恢复组标识符数据“SW1”并将其存储在存储器20b中以用于将来使用，以及对该消息进行确认。设备L1对于其绑定表40中所具有的每个设备重复该处理。因此，在步骤90，向每个组成员单播一个组标识符，所述组成员存储该组标识符。
在提供了所述组标识符之后，所述网络随后可以操作如图6所述的处理，其中在步骤100，设备L1从开关SW1接收到一条消息，该消息表示用户已经拨动所述开关。设备L1检查其绑定表，并且发现有超过一个条目与开关SW1绑定，于是设备L1发出一条广播消息(B(M))。协调器L1通过在该消息的目的地字段52中插入0xFFFF来表示该消息是一条广播消息。协调器L1还将与该消息的发信方相关联的组标识符“SW1”插入所述广播消息的字段56。随后由设备L1的收发信机20d对该消息进行无线发送。
然后，在所述无线电范围内的设备于步骤110接收到所述广播消息(Rx(M))，并且该接收设备的栈22中的程序代码在步骤120检查该消息是否是广播消息(B？)。如果该消息是广播消息(由存在于适当字段52中的0xFFFF表明)，则该设备遵循路径130到达步骤140，其中检查该消息的消息字段56中是否有组标识符。如果该消息具有一个组标识符(例如在本例中是“SW1”)，则该设备将该组标识符与其先前存储的各组标识符(如果有的话)作比较，并且如果找到匹配则处理流程继续到处理步骤150(PROC)。在该步骤中，该设备将所述消息命令数据(字段60)传递到应用层的程序代码，该程序代码例如令所述电灯点亮，最后该设备在步骤160对该消息进行再广播Re(B(M))。
如果在步骤120发现所述消息不是广播消息，则该消息中的目的地地址不是接收设备的地址，于是该消息是针对另一设备的单播消息，并且接收设备遵循路径125继续到块127，其中忽略该消息。
如果在步骤140发现所述消息是广播消息但是不包含组标识符，则所述流程通过路径147继续，其中对所述消息数据进行再广播。
因此，可以将ZigBee无线电标准中的广播机制与绑定表数据一起使用，以便能够对广播消息做出选择性的响应。这特别适用于诸如照明之类的低等待时间应用，其中可以在一个较大区域内安装一个网络，并且其中用户预期对消息的几乎瞬时的响应。
在另一个实施例中，广播的发信方可以在广播之后将其它的消息单播到每个绑定设备。因此，任何没有接收到该广播或者没有对该广播做出响应的绑定设备将接收到一个以该设备为目标的普通消息。虽然这样有助于确保所有预定接收方设备的操作，但是比起接连地响应于该广播的设备，那些接收单播的设备的操作时间必然靠后。然而，在具有随机噪声的无线电环境中，至少其中一个设备没有接收到广播是很偶然的，并且这一额外步骤向用户确保该系统的工作，虽然对于开关事件的特定事例来说可能不那么完美。
在另一个实施例中，可以由广播的发起方在广播消息中插入存在时间计数器数据。接收该广播的各设备随后检查该计数器、将其递减1、将其与一个预定阈值(例如COUNT＞1？)作比较以及根据所述比较结果广播该消息。因此，可以故意使一条消息的跳跃数量是有限的，从而有效地限制广播组消息的范围。这有助于去除不必要的无线电通信量，并且特别可以部分地防止由没有意识到它已经再广播了一则广播的设备对该广播进行重复再广播。
在上面描述了一个采用ZigBee无线电设备的系统，该系统根据ZigBee无线电标准以及上述方法操作。所述系统和方法有利地允许实现一个配置步骤，其中重复使用绑定数据以便能够选择性地广播到绑定设备。虽然上面的实施例描述了一个照明系统，但是本领域技术人员将意识到，要求低等待时间的多设备响应的其它应用场景也可以受益于本发明的各方面。
此外，虽然在ZigBee无线电标准的情境中描述了本发明的各方面，但是本发明同样可以应用于其它无线电标准以及应用场景，其中网络等待时间在大网络中成为问题。此外，本文描述了从协调器设备发起广播。本领域技术人员将意识到，发出原始请求的设备(灯开关SW1)本身可以发出所述广播，前提是已经向该设备提供了与其相关联的所产生的组标识符以及用于将所述组标识符插入到广播消息中的程序代码。
通过阅读本公开内容，其它修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。这种修改可以包括在低功率数字无线电系统、基础设施及其组成部分的设计、制造、布置以及配置过程中已知的其它特征，在不脱离本发明精神和范围的情况下，所述其它特征可以代替本文所述的特征来使用，或者与本文所述的特征一起使用。
权利要求
1.一种用于对无线电网络中的一组无线电设备进行配置以便选择性地对一条广播无线电消息做出响应的方法，该广播无线电消息由一个协调器设备(20)广播，其中所述协调器设备存储一个绑定表(40)，该绑定表描述逻辑链接到另一个设备(10)的所标识的设备(22，24)，该方法包括为所述所标识的设备产生一个组标识符(SW1)以及将所述所产生的组标识符发送到每一个所标识的设备，其中所述所标识的设备根据所述绑定表被逻辑链接到另一个设备，并且由每个进行接收的所标识设备存储所述所产生的组标识符。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述配置之后，所述另一个设备的操作将一条包括命令数据(60)的无线电消息(50)从所述另一个设备(10)发送到其协调器设备(20)，以及其中在接收到所述消息之后，所述协调器设备产生一条包括所述组标识符和所述命令数据的广播消息(50)并且广播所述消息。
3.如权利要求2所述的方法，其中接收所述广播消息的设备利用先前存储的各组标识符来检查所述消息的组标识符，以便至少部分地确定是否对该广播消息中的命令数据做出响应。
4.如权利要求3所述的方法，其中在所述广播之后，所述协调器设备(20)依次向所述组的每个成员单播消息，所述成员确认接收到所述消息。
5.如权利要求4所述的方法，其中在所述确定之后，由所述接收设备对所接收到的广播消息(50)进行再广播。
6.如权利要求5所述的方法，其中由所述接收设备递减提供在所接收的广播(50)中的一个计数器(58)，并且其中对所述消息的再广播是基于该计数器的递减后的值与一个预定阈值的比较。
7.如任一在前权利要求所述的方法，其中所述另一个设备(10)自身向其范围内的其它设备广播一条包括一个组标识符的消息。
8.一种包括多个无线电设备(10，20，30)的无线电系统，其中的一些无线电设备是对其它设备进行协调以形成各微微网(21，31)的协调器设备(20)，其中形成一个包括所述微微网的无线电网络，根据一个预定无线电标准(22)来安排包括无线电消息(50)的网络通信，其中至少一个协调器设备(20)具有用于存储一个绑定表(40)的装置(20b)，该绑定表描述该网络的各设备之间的逻辑链接；用于产生一个组标识符(56)的装置(20c)，该组标识符与所述逻辑链接相关联；以及用于在一个配置步骤中将所述组标识符提供给所述各链接设备的装置(20d)，所述各链接设备分别存储(20b)所述所提供的组标识符。
9.如权利要求8所述的无线电系统，其中在操作中，由所述协调器设备(20)接收包括来自一个逻辑链接设备(10)的命令数据的无线电消息(50)，所述协调器设备(20)将所述组标识符插入到所述消息中并且将所述消息广播到所述网络。
10.如权利要求9所述的无线电系统，其中接收所述广播消息的各无线电设备将该消息的组标识符与它们先前存储的组标识符作比较，并且根据所述组标识符比较来对所述广播消息中的命令数据做出响应。
11.一种用于如权利要求8到10中的任一条所述的系统的协调器无线电设备(20)，所述设备包括用于存储一个绑定表的装置(20b)，该绑定表描述所述网络的各设备之间的逻辑链接；用于产生一个组标识符的装置(20c)，该组标识符与所述逻辑链接相关联；用于将所述组标识符提供给所述各链接设备的装置(20d)；以及用于将所述组标识符插入到后续广播无线电消息中的装置(20c)。
12.一种用于如权利要求8到10中的任一条所述的系统的无线电设备(24)，包括用于存储所接收到的组标识符的装置(20b)；以及用于通过将所述存储的组标识符与包括在后续广播消息中的组标识符作比较来确定是否对一条消息做出响应的装置(20c)。
全文摘要
描述了一种用于配置和操作一个采用了ZigBee无线电标准的无线电系统的方法。该方法有利地使得一组逻辑链接到另一个无线电设备的无线电设备能够以低等待时间对消息做出响应。该方法包括产生一个组标识符并将其发送到各逻辑链接设备，其细节被提供在一个预安装的绑定表中。在操作中，由一个设备协调器接收来自逻辑链接到另一个设备的设备的无线电消息，该协调器随后以所产生的组标识符广播(100)该消息。只有那些先前已经接收到一个匹配组标识符(140)的设备才对该广播消息做出响应(150)。由于不对广播进行确认，从而实现了快速系统响应。这在照明应用中是非常重要的，其中用户预期在拨动一个逻辑链接的无线电灯开关时对电灯的瞬时操作。
文档编号H04L12/28GK1806413SQ200480016277
公开日2006年7月19日 申请日期2004年6月4日 优先权日2003年6月11日
发明者P·A·鲁德兰德, D·M·亚维利, P·A·贾米伊森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司