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技術 無線ネットワーク上のフィールドデバイスのための電力管理システム

出願人 ローズマウントインコーポレイテッド
発明者 チャクラボルティスワパンオースケリーエム
出願日 2007年9月6日 (13年3ヶ月経過) 出願番号 2009-530352
公開日 2010年2月18日 (10年10ヶ月経過) 公開番号 2010-505339
状態 特許登録済
技術分野 移動無線通信システム 通信制御
主要キーワード 原子力電池 制御命令信号 エネルギ電源 電力コンセント 高速データバス 親デバイス センサ計測 自己編成
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図面 (4)

課題・解決手段

フィールドデバイスは、電力制御モジュールと、無線ネットワーク通信するネットワークインターフェースモジュールと、センサ又はアクチュエータのような変換器を動作させるためのデバイスインターフェースモジュールとを含む。電力制御モジュールは、ネットワーク・インターフェースモジュールが、無線ネットワークに加わろうとしている間に電気出力を受け取るように電気出力の分配を制御する。ネットワーク・インターフェースモジュールが、無線ネットワークに加わると、電力制御モジュールは、ネットワーク・インターフェースモジュール及びデバイスインターフェースモジュールが電気出力を共有することを可能にする。

概要

背景

無線データ通信及び制御は、将来のセンサオートメーションプロセス制御セキュリティ、及び安全規制において支配的なプレーヤになるであろう。無線データ通信及び制御に重大な要求の一つは、ネットワーク通信するデバイスがその電力消費を最小にすることである。

電力、センサ/アクチュエータベースの適用例のために設計された無線メッシュネットワークシステムにおいて、ネットワークの多くのデバイスは、長寿命電池によってか又は低電力エネルギスカベンジング電源によって、電力を供給されなければならない。120VACユーティリティのような電力コンセントは、普通は、大きな据え付け費を負うことなく器具(センサ)及びアクチュエータが配置されなければならない危険領域に隣接して配置されることはなく、又はその中には許可されないことがある。低い据え付けコストの必要性によって、無線メッシュネットワークの一部として通信する電池電源デバイスの必要性が生じる。再充電できない一次電池のような有限電源の効果的使用が、高機能無線デバイスにとって極めて重要である。電池は5年より長く、好ましくは製品の寿命まで持つことが期待される。

自己編成マルチホップネットワークとも呼ぶことができる、真の無線メッシュネットワークにおいては、各デバイスは、ネットワークで、それ自体並びに他のデバイスに対してメッセージルーティングできなければならない。ネットワークを通してノードからノードへホッピングするメッセージの概念は、低電力RFラジオを用いることができ、さらに、メッシュネットワークは一端から他端へメッセージを送給する、かなりの物理的領域に渡る可能性があるため利点がある。高電力ラジオはメッシュネットワークにおいては必要ではなく、集中型基地局に直接話す遠隔デバイスを採用するポイント・ツー・ポイントシステムとは対照的である。

メッシュネットワークプロトコルは、デバイス間及びデバイスとデータコレクタ又は幾らかのより高いレベル高速データバスへのブリッジ又はゲートウェイとの間でメッセージングするための代替経路の形成を可能にする。無線メッセージのための代替冗長経路を有することは、環境的影響のため又は干渉のために別の経路がブロックされた又は低下した場合でさえ、メッセージが流れる少なくとも1つの代替経路があることを保証することによって、データ信頼性を高める。

幾つかのメッシュネットワークプロトコルは、全てのデバイスが指定された親及び少なくとも1つの代替親を有するように、確定的にルートされる。メッシュネットワークの階層においては、人間の家族におけるように、親は子を持ち、子は孫を持ち、以下同様である。各デバイス(又は「ノード」)は、ネットワークを通して子孫のためのメッセージをゲートウェイのような何らかの最終目的地へ取り次ぐ。親デバイスは、電池電源又は有限エネルギ電源のデバイスとすることができる。ノードがより多くの子孫を持てば持つほど、より多くのトラフィックをルートしなければならず、今度は直接にそれ自体の電力消費を増加させ電池寿命縮めることになる。

電力を節約するために、幾つかのプロトコルは、メッセージに注意を向けるために、制限された時間の量においてのみノードのラジオをオンにすることにより、どのノードも、あらゆる時間の期間中に扱うことができるトラフィックの量を制限する。故に、平均電力を削減するために、プロトコルは、オンとオフの状態の間でラジオのデューティサイクルを可能にすることができる。幾つかのプロトコルは、電力を節約するために、ネットワーク全体が同時にオンとオフになるように、グローバル・デューティサイクルを用いる。他のプロトコル(例えばTDMAベース)は、互いにリンクされるノードの通信する対のみが所定の時間に同期様式でオンとオフに変わるようにスケジュールされるローカル・デューティサイクルを用いる。典型的には、リンクは、ノードの組に、通信のための特定のタイムスロット、ラジオにより用いられるRF周波数チャネル、その時点で、誰が受信しているか(Rx)、及び誰が伝送しているか(Tx)を割り当てることにより、予め定められる。

メッシュネットワークは、新規なデバイスをセキュリティ保護されたネットワークに組み込むために「加入」として知られるプロセスを用いる。加入プロセス中、多数の情報交換及び構成が行われる。

新規なデバイスは、全ての使用可能なネットワークチャンネルを通して走査してもよいし、あるいはラジオレンジ内の同様のデバイスを見つけるために、所定のチャネル又はチャンネル部分集合を用いてもよい。新規なデバイスは、ネットワークに加盟するために、新規なデバイスが使用可能な既存のネットワークノード探す可聴範囲内にある各デバイスの存在が記録される。新規なデバイスは、近隣のデバイスでハンドシェイクプロトコルを確立するために、メッセージを送り、ネットワークに加わるように要求し、デバイス番号及びネットワークIDを提供する。近隣系は、ネットワークマネージャにその要求を通信し、これは例えば、ネットワーク・ゲートウェイで稼動するソフトウェアプログラム又はゲートウェイに接続するサーバとすることができる。新規なデバイスは、ネットワークマネージャが、新規なデバイスがネットワークに参加するのを可能にするために確立されなければならないリンクを判断できるように、ネットワークマネージャにその「近隣系」リストを提供する。

好ましくは、新規なデバイスは、ネットワークマネージャからの加入メッセージデコードするために、そのあらかじめ構成されたセキュリティ情報を用い、ネットワークマネージャがリンクを確立するために必要な他の情報と共に、ネットワークの新規なデバイスから他のデバイスへ期待されるセキュリティ保護された応答を送信し戻す。

新規なデバイス及びその新規な親と子は、要求されたリンクを確立するために、ネットワークマネージャから構成情報を受信し実装する。新規なデバイスは、次に、ネットワークに完全に加えられ参加する。

たいていのネットワークにおいては、上述の加入プロセスは、新規なデバイスがネットワークに加わる場合にのみ起こる。そのプロセスは、新規なデバイスの近隣におけるネットワーク活動に応じて、15分から20分かかることがある。

概要

フィールドデバイスは、電力制御モジュールと、無線ネットワークで通信するネットワーク・インターフェースモジュールと、センサ又はアクチュエータのような変換器を動作させるためのデバイスインターフェースモジュールとを含む。電力制御モジュールは、ネットワーク・インターフェースモジュールが、無線ネットワークに加わろうとしている間に電気出力を受け取るように電気出力の分配を制御する。ネットワーク・インターフェースモジュールが、無線ネットワークに加わると、電力制御モジュールは、ネットワーク・インターフェースモジュール及びデバイスインターフェースモジュールが電気出力を共有することを可能にする。

目的

無線データ通信及び制御に重大な要求の一つは、ネットワークで通信するデバイスがその電力消費を最小にすることである

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

無線ネットワーク上で通信するためのネットワークインターフェースモジュールと、変換器を動作させるためのデバイスインターフェースモジュールと、前記無線ネットワークに加わるための加入プロセスの間、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが、使用可能な電気出力のより大きなシェアを受け取るように、及び前記ネットワーク・インターフェースモジュールが前記無線ネットワークに加わった後で、前記デバイスインターフェースモジュールが、使用可能な電気出力の増大したシェアを有するように、使用可能な電気出力が前記ネットワーク・インターフェースモジュール及び前記デバイスインターフェースモジュールによって、どのように共有されるかを判断するための電力制御と、を含むことを特徴とするフィールドデバイス

請求項2

前記ネットワーク・インターフェースモジュールからのメッセージを前記ネットワークへ伝送するための、及び前記ネットワーク・インターフェースモジュールへのメッセージを前記ネットワークから受信するための、無線トランシーバをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のフィールドデバイス。

請求項3

電気出力を提供するための電源をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のフィールドデバイス。

請求項4

前記電源は、電池太陽電池熱電電池、原子力電池エネルギスカベンジャ、及び蓄積キャパシタのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項3に記載のフィールドデバイス。

請求項5

前記変換器は、少なくとも1つのセンサ又はアクチュエータを含むことを特徴とする請求項1に記載のフィールドデバイス。

請求項6

前記電力制御は、いかなる所与の時間にも全体の電力消費を最小にするように、使用可能な電気出力がどのように共有されるかを判断することを特徴とする請求項1に記載のフィールドデバイス。

請求項7

前記デバイスインターフェースモジュールが起動するとすぐに、前記ネットワークインターフェースは、現時点で前記無線ネットワークに接続しているかどうかに応じて、前記電力制御モジュールが、前記電気出力を前記デバイスインターフェースモジュールに割り当て続けるべきかどうかを判断することを特徴とする請求項1に記載のフィールドデバイス。

請求項8

メッセージを無線ネットワークへ伝送し、かつ無線ネットワークから受信するための無線トランシーバと、前記無線トランシーバの動作を制御するためのネットワーク・インターフェースモジュールと、変換器と、前記変換器の動作を制御するためのデバイスインターフェースモジュールと、電源と、前記電源からの電力が、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが前記無線ネットワークへの確立されたネットワーク接続を有するかどうかに応じて、前記ネットワーク・インターフェースモジュール及び前記デバイスインターフェースモジュールによって、どのように共有されるかを制御するための電力制御モジュールと、を含むことを特徴とするフィールドデバイス。

請求項9

前記無線ネットワークへのネットワーク接続が確立されていないときに、前記電力制御モジュールは、実質的に全ての利用可能な電力を前記ネットワーク・インターフェースモジュールに割り当てることを特徴とする請求項8に記載のフィールドデバイス。

請求項10

前記無線ネットワークへのネットワーク接続が確立されているときに、前記電力制御モジュールは、前記ネットワーク・インターフェースモジュール及び前記デバイスインターフェースモジュールの両方が電力を受け取るように、電力を割り当てることを特徴とする請求項9に記載のフィールドデバイス。

請求項11

前記ネットワーク・インターフェースモジュールは、前記トランシーバへの電力を制御し、前記デバイスインターフェースモジュールは、前記変換器への電力を制御することを特徴とする請求項8に記載のフィールドデバイス。

請求項12

前記電源は、電池、太陽電池、熱電電池、原子力電池、エネルギスカベンジャ、及び蓄積キャパシタのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項8に記載のフィールドデバイス。

請求項13

前記変換器は少なくとも1つのセンサを含むことを特徴とする請求項8に記載のフィールドデバイス。

請求項14

前記変換器はアクチュエータを含むことを特徴とする請求項8に記載のフィールドデバイス。

請求項15

前記デバイスインターフェースモジュールが起動したときに、前記電力制御モジュールは、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが確立されたネットワーク接続を有するかどうかを判断することを特徴とする請求項8に記載のフィールドデバイス。

請求項16

ネットワーク接続が確立されているときより、ネットワーク接続が確立されていないときに、前記電力制御モジュールは、より大きな割合の前記電力を前記ネットワーク・インターフェースモジュールに割り当てることを特徴とする請求項8に記載のフィールドデバイス。

請求項17

電源、無線トランシーバ、変換器、ネットワーク・インターフェースモジュール、及びデバイスインターフェースモジュールを含むフィールドデバイスを動作させる方法であって、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが前記無線トランシーバを通して、無線ネットワークに接続しているかどうかを判断し、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが前記無線ネットワークに接続しているかどうかに基づいて、前記ネットワーク・インターフェースモジュールと前記デバイスインターフェースモジュールとの間で前記電源から使用可能な電力を共有することを含むことを特徴とする方法。

請求項18

電力を割り当てることは、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが前記無線ネットワークに接続していないときに、実質的に全ての利用可能な電力を前記ネットワーク・インターフェースモジュールに割り当てることと、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが前記無線ネットワークに接続しているときに、前記ネットワーク・インターフェースモジュール及び前記デバイスインターフェースモジュールの両方に電力を割り当てること、を含むことを特徴とする請求項17に記載の方法。

請求項19

前記ネットワーク・インターフェースモジュールからの電力で前記無線トランシーバに電力供給することと、前記デバイスインターフェースモジュールからの電力で前記変換器に電力供給すること、をさらに含む請求項17に記載の方法。

請求項20

前記デバイスインターフェースモジュールが起動したときに、前記ネットワーク・インターフェースモジュールが、前記無線ネットワークに接続しているかどうかの判断が起こることを特徴とする請求項17に記載の方法。

技術分野

0001

本発明は、無線メッシュネットワーク上で通信するデバイスに関する。具体的には、本発明は、無線メッシュネットワーク上で動作するデバイスにおける電力管理に関する。

背景技術

0002

無線データ通信及び制御は、将来のセンサオートメーションプロセス制御セキュリティ、及び安全規制において支配的なプレーヤになるであろう。無線データ通信及び制御に重大な要求の一つは、ネットワークで通信するデバイスがその電力消費を最小にすることである。

0003

電力、センサ/アクチュエータベースの適用例のために設計された無線メッシュネットワークシステムにおいて、ネットワークの多くのデバイスは、長寿命電池によってか又は低電力エネルギスカベンジング電源によって、電力を供給されなければならない。120VACユーティリティのような電力コンセントは、普通は、大きな据え付け費を負うことなく器具(センサ)及びアクチュエータが配置されなければならない危険領域に隣接して配置されることはなく、又はその中には許可されないことがある。低い据え付けコストの必要性によって、無線メッシュネットワークの一部として通信する電池電源デバイスの必要性が生じる。再充電できない一次電池のような有限電源の効果的使用が、高機能無線デバイスにとって極めて重要である。電池は5年より長く、好ましくは製品の寿命まで持つことが期待される。

0004

自己編成マルチホップネットワークとも呼ぶことができる、真の無線メッシュネットワークにおいては、各デバイスは、ネットワークで、それ自体並びに他のデバイスに対してメッセージルーティングできなければならない。ネットワークを通してノードからノードへホッピングするメッセージの概念は、低電力RFラジオを用いることができ、さらに、メッシュネットワークは一端から他端へメッセージを送給する、かなりの物理的領域に渡る可能性があるため利点がある。高電力ラジオはメッシュネットワークにおいては必要ではなく、集中型基地局に直接話す遠隔デバイスを採用するポイント・ツー・ポイントシステムとは対照的である。

0005

メッシュネットワークプロトコルは、デバイス間及びデバイスとデータコレクタ又は幾らかのより高いレベル高速データバスへのブリッジ又はゲートウェイとの間でメッセージングするための代替経路の形成を可能にする。無線メッセージのための代替冗長経路を有することは、環境的影響のため又は干渉のために別の経路がブロックされた又は低下した場合でさえ、メッセージが流れる少なくとも1つの代替経路があることを保証することによって、データ信頼性を高める。

0006

幾つかのメッシュネットワークプロトコルは、全てのデバイスが指定された親及び少なくとも1つの代替親を有するように、確定的にルートされる。メッシュネットワークの階層においては、人間の家族におけるように、親は子を持ち、子は孫を持ち、以下同様である。各デバイス(又は「ノード」)は、ネットワークを通して子孫のためのメッセージをゲートウェイのような何らかの最終目的地へ取り次ぐ。親デバイスは、電池電源又は有限エネルギ電源のデバイスとすることができる。ノードがより多くの子孫を持てば持つほど、より多くのトラフィックをルートしなければならず、今度は直接にそれ自体の電力消費を増加させ電池寿命縮めることになる。

0007

電力を節約するために、幾つかのプロトコルは、メッセージに注意を向けるために、制限された時間の量においてのみノードのラジオをオンにすることにより、どのノードも、あらゆる時間の期間中に扱うことができるトラフィックの量を制限する。故に、平均電力を削減するために、プロトコルは、オンとオフの状態の間でラジオのデューティサイクルを可能にすることができる。幾つかのプロトコルは、電力を節約するために、ネットワーク全体が同時にオンとオフになるように、グローバル・デューティサイクルを用いる。他のプロトコル(例えばTDMAベース)は、互いにリンクされるノードの通信する対のみが所定の時間に同期様式でオンとオフに変わるようにスケジュールされるローカル・デューティサイクルを用いる。典型的には、リンクは、ノードの組に、通信のための特定のタイムスロット、ラジオにより用いられるRF周波数チャネル、その時点で、誰が受信しているか(Rx)、及び誰が伝送しているか(Tx)を割り当てることにより、予め定められる。

0008

メッシュネットワークは、新規なデバイスをセキュリティ保護されたネットワークに組み込むために「加入」として知られるプロセスを用いる。加入プロセス中、多数の情報交換及び構成が行われる。

0009

新規なデバイスは、全ての使用可能なネットワークチャンネルを通して走査してもよいし、あるいはラジオレンジ内の同様のデバイスを見つけるために、所定のチャネル又はチャンネル部分集合を用いてもよい。新規なデバイスは、ネットワークに加盟するために、新規なデバイスが使用可能な既存のネットワークノード探す可聴範囲内にある各デバイスの存在が記録される。新規なデバイスは、近隣のデバイスでハンドシェイクプロトコルを確立するために、メッセージを送り、ネットワークに加わるように要求し、デバイス番号及びネットワークIDを提供する。近隣系は、ネットワークマネージャにその要求を通信し、これは例えば、ネットワーク・ゲートウェイで稼動するソフトウェアプログラム又はゲートウェイに接続するサーバとすることができる。新規なデバイスは、ネットワークマネージャが、新規なデバイスがネットワークに参加するのを可能にするために確立されなければならないリンクを判断できるように、ネットワークマネージャにその「近隣系」リストを提供する。

0010

好ましくは、新規なデバイスは、ネットワークマネージャからの加入メッセージデコードするために、そのあらかじめ構成されたセキュリティ情報を用い、ネットワークマネージャがリンクを確立するために必要な他の情報と共に、ネットワークの新規なデバイスから他のデバイスへ期待されるセキュリティ保護された応答を送信し戻す。

0011

新規なデバイス及びその新規な親と子は、要求されたリンクを確立するために、ネットワークマネージャから構成情報を受信し実装する。新規なデバイスは、次に、ネットワークに完全に加えられ参加する。

0012

たいていのネットワークにおいては、上述の加入プロセスは、新規なデバイスがネットワークに加わる場合にのみ起こる。そのプロセスは、新規なデバイスの近隣におけるネットワーク活動に応じて、15分から20分かかることがある。

0013

無線データ通信が可能なフィールドデバイスは、無線ネットワークで通信するためのネットワーク・インターフェースモジュールと、センサ又はアクチュエータのような変換器を動作させるためのデバイスインターフェースモジュールとを含む。ネットワーク・インターフェースモジュール及びデバイスインターフェースモジュールへの電気出力分配は、電力制御モジュールによって制御される。電力制御モジュールは、ネットワーク・インターフェースモジュールが、無線ネットワークに加わろうとしている間に、電力を受け取るように電力を割り当てる。ネットワーク・インターフェースモジュールが、無線ネットワークに加わると、電力制御モジュールは、ネットワーク・インターフェースモジュール及びデバイスインターフェースモジュールが電気出力を共有するように、電力を割り当てる。

図面の簡単な説明

0014

ネットワークのノードを定義する多数のフィールドデバイスを含む無線メッシュネットワークの線図である。
図1の無線メッシュネットワークのノードの1つを表す無線フィールドデバイスを示すブロック図である。
図2の無線フィールドデバイスのネットワーク・インターフェースモジュール及びデバイスインターフェースモジュールへの電力分配の制御を示す工程系統図である。

実施例

0015

図1は、自己編成メッシュネットワーク10を示し、ネットワークマネージャ12及び個々のデバイス又はノード14A−14Iを含む。自己編成メッシュネットワーク10は、個々のデバイス14A−14Iが多重経路を通ってデータを送る無線通信ネットワークである。
ネットワークマネージャ12は、例えば、ネットワーク・ゲートウェイ上又はホストコンピュータ上で稼動するソフトウェアアプリケーションを含むことができる。ネットワークマネージャ12は、デバイスの幾つかと直接に(単一ホップ)通信可能であり(この場合はデバイス14A、14B,14C及び14F)、残りのデバイスと間接的に(複数ホップ)通信可能である。

0016

一実施形態によると、各々のデバイス14A−14Iがネットワーク10に加わったとき、ネットワークマネージャ12は、ネットワーク10内の他のデバイスと話す際に用いるスケジュールをデバイスに与えることが好ましい。各デバイスには、そのデバイスに対して親又は子のいずれかである近くのデバイスから往復するデータを送るために用いる特定の時間と無線周波数を表すスロットが提供される。

0017

一実施形態においては、デバイス14A−14Iは、分散型工業プロセスステムにおけるフィールドデバイスである。フィールドデバイスは、圧力、温度、流量、又は流体レベルのようなプロセスパラメータモニタするためのセンサ(又は複数のセンサ)を有するトランスミッタとすることができる。代替的に、フィールドデバイスは、ネットワーク10上で受信される制御命令信号に応じて制御機能を提供するアクチュエータを含むことができる。

0018

図2は、個々のデバイス14A−14Iの各々を表すことができるノード又はフィールドデバイス14のブロック図を示す。デバイス14は、電源20、電力制御モジュール(PCM)22、トランシーバ24、ネットワーク・インターフェースモジュール(NIM)26、デバイスインターフェースモジュール(DIM)28、及び変換器30を含む。

0019

電源20は、電池、又は太陽電池熱電電池、原子力電池のような再生可能エネルギ源、又は蓄積キャパシタ連動するエネルギスカベンジャとすることができる。フィールドデバイス14の効果的寿命は、電源20の容量、及びそれが再生可能であるか否かに拠る。

0020

電力制御モジュール22は、電源20からフィールドデバイス14の他の構成部品へのエネルギの分配又は割り当てを制御する。特に、電力制御モジュール(PCM)22は、トランシーバ24とネットワーク・インターフェースモジュール(NIM)26によって実行されるネットワーク通信機能と変換器30及びデバイスインターフェースモジュール(DIM)28によって実行されるデバイス機能との間に電力を割り当てる。

0021

トランシーバ24は、デバイス14とメッシュネットワーク10内の他の同様のデバイスとの間に無線通信を提供する。特に、トランシーバ24は、ネットワーク10でそこへルートされる制御メッセージを受信し、変換器30及びDIM28の作用に基づいてメッセージを制御するための応答を伝送し、メッシュネットワーク通信プロトコルによって要求されるように、親ノード及び子ノードへメッセージをリレーする。

0022

ネットワーク・インターフェースモジュール(NIM)26は、トランシーバ24の動作を制御する。それは、トランシーバ24によって受信される受信メッセージを処理し、メッシュネットワークを通してトランシーバ24によって伝送される発信メッセージフォーマットする。NIM26は、また加入プロセスを担当するものであり、デバイス14は、メッシュネットワーク10に加わりその一部となる。

0023

変換器30は、(圧力、温度、フロー、又は流体レベルのような)プロセスパラメータを感知するためのセンサ又は複数のセンサとすることができる。変換器30は、無線メッシュネットワーク上で報告されることもできる第2のパラメータ又は変数を感知するための付加的センサを含むことができ、第1のプロセスパラメータの計測を処理するときに、フィールドデバイス14によって用いられることができる。例えば、第1のプロセスパラメータが、圧力又はフローであるとき、温度センサは、感知される第1のパラメータ信号温度依存を正すための感知された温度信号を提供するために用いることができる。

0024

他の実施形態においては、変換器30は、メッシュネットワーク上で受信した制御入力に基づいて機械機能を実行するアクチュエータとすることができる。例えば、変換器30は、制御されているプロセスにおいて、流体のフローを制御するために用いられるバルブアクチュエータとすることができる。

0025

デバイスインターフェースモジュール(DIM)28は、感知する又は作動させる機能を実行するために、電力を変換器30へ提供する。変換器30がセンサであるときには、DIM28は、センサ信号を処理し、無線メッシュネットワーク10上でメッセージに伝送するためのNIM26に提供されるセンサ出力を生成する。変換器30がアクチュエータであるときには、DIM28は、トランシーバ24によって受信され、NIM26によってDIM28に提供されるメッセージに基づいて、制御又は命令入力をアクチュエータに提供する。

0026

通常動作中、電力制御モジュール(PCM)22は、電源20からNIM26とDIM28との間に電力を割り当てるので、トランシーバ24の動作及び変換器30の動作の両方が起こることになる。NIM26及びDIM28によるこの電力の共有は、デバイス14がネットワーク10の一部である限り起こる。

0027

デバイス14が、最初にネットワーク10に加わるとき、並びに、通信が失われてデバイス14がネットワーク10との接触を再確立して再加入しなければならない間は、DIM28及び変換器30による電力の消費は、必要でない。NIM26による電力消費は、加入シーケンスの間は最大であり、ネットワーク接続が確立された通常動作の間はより少ない。それ故、加入シーケンスの間、PCM22は、電力をNIM26にのみ割り当てる。

0028

加入シーケンスの間、NIM26は、トランシーバ24がネットワーク10の一部である近くのデバイスからの伝送に注意を向けるようにさせる。1つ又はそれ以上の近隣のデバイスの存在を検出するとすぐに、NIM26は、トランシーバ24がハンドシェイクプロトコルメッセージを隣接系に送るようにさせる。隣接系との通信を確立するとすぐに、NIM26は、隣接系の1つにネットワークへ加わるように要求するメッセージを送る。このメッセージは、デバイス14のデバイス番号及びネットワークIDを含む。隣接系は次に、ネットワークマネージャ12にネットワークに加わるように要求するメッセージを転送し、ネットワークマネージャ12は、加入承認プロセスを実行しネットワーク10に対してデバイス14を構成する。ネットワークマネージャ12は、どの隣接するデバイスがデバイス14の親及び子になるかを判断し、トランシーバ24がデバイス14に向けられたメッセージにいつ注意を向けるべきか、いつメッセージを送るべきか、及びどのチャンネルの伝送及び受信が行われるべきかについてのネットワークスケジュールを確立する。デバイス14のこの構成は、ネットワークマネージャ12によってデバイス14へ送られる一連構成メッセージを通して実行される。

0029

NIM26がネットワーク10に加わるための初期電力要求は高く、加入プロセスはかなりの時間がかかることがある。結果として、NIM26の必要電力は加入プロセスの間高い。他の全ての電力消費は、加入プロセスの間PCM22によって削減され、全ての利用可能な電力は、NIM26に割り当てられる。

0030

加入プロセスが起こると、NIM26は、ネットワークマネージャ12によって提供されるネットワークスケジュールに従ってトランシーバ24をオン及びオフに変える。デューティサイクルは、非常に低い可能性があり、トランシーバは、メッセージを受信する又は伝送する順番の短い時間にオンに変わる。このように、トランシーバ24は、デバイス14へ又はデバイス14から、メッセージが送信されない間、電力を消費しない。

0031

一実施形態においては、NIM26が、ネットワーク10に加わると、PCM22は、DIM28並びにNIM26へ電力を利用可能にする。DIM28が、(例えば、デバイス14の内蔵時間スケジュールに従って、又はトランシーバ24によって受信されNIM26によってDIM28に供給されるメッセージに応じて)起動するたびに、DIM28は、NIM26が現時点でネットワーク10に接続しているかどうかを見るためのチェックを開始する。NIM26が、加入プロセスを通してネットワーク10への接続を確立していない場合、又はネットワーク10との通信が失われた場合には、NIM26は、ネットワーク10に接続していないことを示す。その場合には、DIM28は、節電モードに置かれ、実質的に電力消費を削減し、NIM26がネットワーク10に加わる又は再び加わるのに成功するまで、全ての利用可能電力は、PCM22によってNIM26へ割り当てられる。

0032

NIM26がネットワーク10に接続していることを示す場合には、DIM28は、変換器30の動作を開始するのを許可される。これは、センサ計測、及びDIM28によるそのセンサ計測の信号処理を含むことができる。処理されたセンサ信号は、次に、センサ出力がネットワーク上で伝送されたメッセージに提供されるのが可能になるまで、それが格納されるNIM26に、DIM28によって提供される。

0033

メッセージが、センサ出力を含んで、ネットワーク上で送信されたときに、確認通知信号は、センサ出力を含むメッセージがその目的地へ到達したことを示すデバイス14へ送り返されることができる。確認通知信号は、NIM26がネットワーク内で依然としてアクティブであるという表示をNIM26へ提供する。同様に、ネットワーク10でデバイス14上で向けられる制御メッセージは、センサ出力又はアクチュエータの動作のようなデータを要求することができる。制御メッセージの受信は、またそれが依然としてネットワーク10の一部であることをNIM26に示す。

0034

図3は、デバイス14内の電力割り当ての一実施形態を示す工程系統図を示す。図3に示されるように、動作は、デバイス14の開始で始まる(ステップ50)。開始するとすぐに、PCM22は、初めに電力を電源20からNIM26へ割り当てる(ステップ52)。NIM26は、次に加入プロセスを開始する(ステップ54)。加入プロセスが成功してNIM26がネットワークに今や入っていることを示すまで、電力はPCM22によって実質的にNIM26に引き続き割り当てられる(ステップ56)。

0035

NIM26が加入プロセスを完成させてネットワーク10内にいることを示すと、PCM22は次に、NIM26とDIM28との間に電力を割り当てる(ステップ58)。アクティブになるときはいつでも、DIM28は、NIM26のステータスのチェックを開始する(ステップ60)。DIM28は、デバイス14の内蔵スケジュールに従って周期的に作動することができるか、あるいは、トランシーバ24及びNIM26によってネットワーク10上で受信するメッセージに応じて作動することができる(ステップ62)。

0036

DIM28によるチェックが開始されるとすぐに、PCM22は、NIM26がネットワーク10に現時点で入っているかどうかを判断する(ステップ64)。NIM26がネットワーク10に入っていない場合には、PCM22は、DIM28が節電モードに入るようにさせる(ステップ66)。DIM28が節電モードであれば、電力はもう一度実質的にNIM26に割り当てられる(ステップ52)。

0037

NIM26が、ネットワーク10に接続していることを示す場合には、DIM28は変換器30を作動させる(ステップ68)。DIM28は、電力を変換器30に提供し、変換器の型に拠って、センサ信号を受信するか又はアクチュエータを動作させる。DIM28は次に、変換器の活動の結果を報告するデータをNIM26に提供する(ステップ70)。これは、DIM28によって得られたセンサ出力とすることができ、あるいはアクチュエータの動作に関するフィードバックとすることができる。

0038

NIM26は、ネットワーク10上でのデータの伝送のための次のタイムスロットまでDIM28からのデータを格納する。NIM26は、DIM28から受信したデータをフォーマットしてメッセージにし、そのメッセージがネットワーク上でふさわしい時間にトランシーバ24によって伝送されるようにする(ステップ72)。

0039

PCM22によるデバイス14の電力管理は、NIM26及びDIM28に対する電力要求を分離し、それらの電力要求が順次に満たされるのを可能とする。デバイス14が無線ネットワーク10に加わっているときにはいつでも、これは全体の電力要求を削減する。NIM26は、無線ネットワークへの接続を確立するために加入プロセスを実行するのに必要な電力を供給される。DIM28は、NIM26がネットワークに加わっていない限り、非活動状態であり、電力を与えられない。

0040

加入プロセスが起こった後で、電力管理は、NIM26の削減された電力要求を利用する。NIM26が通常ネットワーク動作の中に入れば、DIM28はパワーアップされ、必要に応じて変換器30を動作させるのに用いることができる。

0041

電力管理プロセスは、内蔵ハードウェア、ソフトウェア又はファームウェアを用いるデバイス14によって内部で実行されることができる。

0042

本発明は好ましい実施形態に関して説明されたが、当業者であれば本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細に変更を行うことができることを認識するであろう。

0043

10:自己編成メッシュネットワーク
12:ネットワークマネージャ
14A−14I:ノード
20:電源
22:電力制御モジュール
24:トランシーバ
26:ネットワーク・インターフェースモジュール
28:デバイスインターフェースモジュール
30:変換器

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