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网络节点、无线传感器网络以及用于在无线传感器网络中定位网络节点的方法

摘要

本发明提供一种用于无线传感器网络的网络节点。网络节点配置用于确定网络节点在由网络节点所延伸出的不同空间方向上的通信行为。网络节点包括至少一个视觉指示器,视觉指示器配置用于提供这种通信行为的视觉指示。本发明还提供一种包括这种网络节点的无线传感器网络以及用于在无线传感器网络中定位网络节点的方法。

著录项

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2018-05-01

    授权

    授权

  • 2015-03-11

    实质审查的生效 IPC(主分类):H04W24/00 申请日:20140724

    实质审查的生效

  • 2015-02-11

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络。特别地,本发明涉及用于无线传感 器网络的网络节点、包括多个网络节点的无线传感器网络、以及有助 于在无线传感器网络中确定网络节点的位置的方法。

背景技术

一般而言,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的 安装需要在环境中,如建筑物或家庭中的优选位置上配置网络节点, 例如传感器和/或路由器。通常这类工作是由专业的安装人员进行的。 专业人员利用特定的安装工具来确定WSN节点的合适位置。

传感器节点可以在具有不同网络拓扑结构的网络中进行连接,例 如星形拓扑、树形拓扑或网状拓扑。信息传递的路径很大程度上取决 于使用了何种类型的网络拓扑。例如,在基于星形拓扑的网络中,网 络节点之间的通信总是会经过中心节点。相反地,在基于树形拓扑或 网状拓扑的网络中,信息则可以通过不同的路径到达目的地,而不一 定需要经过中心节点。

在信息可以有不同传输路径的拓扑结构中,网络可以改变其路 径,因此,有些路径可能会变得负载较重。在这种网络中,节点在网 络中的位置可能会对网络的运转状态有影响。比如,网络的路径算法 可以会根据节点在网络中的相对位置而选择具有较高延迟的路径,从 而会影响到网络的应用。

信息路径的这些变化可能是随着时间的推移在建筑物中的情况 发生了变化而引起的。比如,为形成不同的房间而增加或拆除部分墙 壁。进一步地,家具周边的变化也会影响到环境中信号的传输,进而 引起路径的变化。除了建筑物本身的结构变化之外,人员和电磁干扰 的出现也会影响到网络。

在商用建筑物或家庭中安装WSN可能涉及到对于环境中信号强 度的测量以及基于这些测量将WSN节点安置于合适的位置。所选定 的位置对于网络覆盖、信息延迟及/或节点功耗等方面都是优选的。

当业主需要安装WSN时,他们通常没有特殊的安装工具。此外, WSN的安装指南上所描述的方法对于不专业的人员而言都不直观,难 以掌握。在家庭场合,往往需要聘请专业人员来进行这类工作,从而 提高了WSN安装的成本。

即便网络是由专业技术人员基于传统的信号强度测量的方式进 行设计和安装的,通常来说他们也不会考虑到一些动态的效应,例如 建筑物的变动、家具的移动、间断性的射频干扰(如Wi-Fi)、以及人 员的移动等。因此,传统的WSN安装过程中所使用的信号强度测量 的方法只对于建筑物或家庭中的射频情况有一个静态的概念。换言之, 这种静态的概念被固有地限制在了安装WSN的时间点上、当时当地 的射频情况。当环境发生变化而导致WSN工作不正常时,还需要聘 请专业技术人员来进行信号强度的重新测量,不但耗时耗力,而且还 是不能提供动态的解决方案。

发明内容

本发明提供一种用于无线传感器网络的网络节点。网络节点配置 用于确定网络节点在由网络节点所延伸出的不同空间方向上的通信行 为。网络节点包括至少一个视觉指示器,视觉指示器配置用于提供这 种通信行为的视觉指示。

根据一种示例的实施方式,所述网络节点配置为通过对所述网络 节点中包括的不同天线所接收的信号的强度和/或相位的差别进行测 量,来确定所述通信行为。

根据本发明的另一个示例性实施方式,至少一个所述天线可由所 述网络节点上拆卸。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述网络节点配置为通 过从其他网络节点接收信息、自所述信息中提取其他网络节点的坐标、 以及利用所述坐标来确定所述信息所发自的空间方向,来确定所述通 信行为。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述网络节点配置为基 于其空间方向来生成所述视觉指示。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述网络节点的空间方 向是预先设定的。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,该网络节点进一步包括 指南针,所述指南针配置为确定网络节点的空间方向。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述视觉指示器包括多 个发光二极管。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述视觉指示器包括显 示单元。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述显示单元包括电子 墨水。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述网络节点进一步包 括处理元件,处理元件配置为执行算法,所述算法维持信息接收历史; 所述处理元件配置为利用所述历史来确定所述通信行为。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述网络节点进一步配 置为基于所接收信息的误差率来提供网络质量的指示。

根据本发明的进一步的示例性实施方式,所述误差率是由误码 率、数据包误差率和信息误差率构成的组中的一个。

进一步地,本发明提供了一种包括多个网络节点的无线传感器网 络,至少一个所述网络节点是如前所述的网络节点。

进一步地,本发明提供了一种在无线传感器网络中定位无线节点 的方法,其中网络节点配置用于确定网络节点在由网络节点所延伸出 的不同空间方向上的通信行为;网络节点包括至少一个视觉指示器, 视觉指示器配置用于提供这种通信行为的视觉指示。

附图说明

以下将结合附图对于本发明的实施方式进行进一步描述。

图1所示的是网络节点的示例实施方式;

图2所示的是本发明网络节点的另一种示例的实施方式;

图3所示的是本发明的无线传感器网络的示例的实施方式。

具体实施方式

如以上所述,本发明提供一种用于无线传感器网络的网络节点。 网络节点配置用于确定网络节点在由网络节点所延伸出的不同空间方 向上的通信行为。网络节点包括至少一个视觉指示器,视觉指示器配 置用于提供这种通信行为的视觉指示。从而,可以向用户提供无线传 感器网络中射频情况的动态视图。

特别地,通过视觉指示器,例如发光二极管来将各个网络节点上 的网络流通路径形成视觉图像,显示某个网络节点如何与相信网络节 点进行通信,可以使得WSN的安装变得更加直观。从而,用户可以 通过视觉指示看到某个节点在网络中通信的程度,而无需特殊的仪器 或专业技术人员。这将便利于为优化网络性能而确定网络节点在建筑 物中的安装位置。

根据本发明的网络节点的示例性实施方式,节点可以通过节点的 各天线所接收的不同信号间的信号强度和/或相位的差别,来测量其自 身与相邻节点之间的通信量和通信质量,并基于这些信息激活视觉指 示器,以向用户显示该节点在网络中的当前位置是否工作良好。应当 理解的是,前述的“信号强度”可以泛指信号的各种熟知的特性,例 如幅度以及信噪比等。

根据本发明的网络节点的另一个示例性实施方式,节点安装有指 南针以便确定其在空间中的方向。在该实施方式中,可以向节点提供 代表节点在建筑物中的坐标的方位数据,例如在其安装过程中的所谓 试车运行阶段。在通信时,节点在其发送到其他节点的信息中包含其 自身的坐标,例如可以是笛卡尔坐标(x,y,z)。从而,接收端的节点 可以利用其自身的坐标和发送节点的坐标来确定信息发送过来的方 向,并基于该方向生成视觉指示。此外,接收端节点在生成所述视觉 指示时,也可以将相对于“北方”的空间方向考虑在内。例如,节点 可以利用其自身的空间方向以确定多个视觉指示器中的哪一个需要被 激活。

图1所示的是网络节点的示例实施方式。在该实施方式中,网络 节点100包括处理元件102,处理元件102包括至少一个中央处理单 元(Central Processing Unit,CPU)以及一个存储单元。处理元件102 可以执行存储在存储单元中的计算机程序,例如硬件中的固定逻辑。 此外,网络节点100包括传感器104,例如可以感测温度、压力等物 理量的感测元件。此外,网络节点100还包括多个视觉指示器106、 108、110、112,以及三个天线114、116、118组成的阵列,天线114、 116、118相距半波长安置。该波长与网络运行时的频率相对应。网络 节点100在空间中可以相对于北方具有任意方向。进一步地网络节点 100相对于地面水平可以具有任意高度。

当网络节点100置于具有其他类似类型节点的网络中时,它将在 方向北(N)、南(S)、东(E)和西(W)上具有相邻节点。从而, 网络节点100将从这些不同方向上接收信息。网络节点100可以通过 比较例如三个天线114、116、118所接收的信号的相位和/或所接收信 号的强度来确定信息接收的方向。各天线114、116、118所接收的信 号的强度和/或相位的差别从而构成了计算信号接收的方向的基础。可 选地,各天线中至少有一个天线与网络节点之间是可拆分的,从而各 天线可以至少暂时地被设置得彼此之间相距得更远。相应地,这会提 升确定前述方向的可靠性,因为所接收到的各信号之间的强度差别会 变得更加明显。

网络节点100可以包括视觉指示器106、108、110、112的阵列, 其中的每一个都包括不同颜色的发光二极管(Light-Emitting Diode, LED),例如红、绿、黄,并而向四个方向中的每一个,谓之北、南、 东和西。网络节点100中的编程逻辑可以示例地在一个方向上接收到 信息时打开绿色LED,或在另一个方向上没有接收到信息时打开红色 LED。通过这种方式,用户通过点亮的LED的颜色,即刻可以看出网 络节点100正在哪个方向上进行通信。也可以通过网络节点100上的 多个LED来指示更为精确的方向,例如东北和北-东北。多个LED发 射不同颜色和亮度的光线。进一步地,也可以提供其他各类的视觉指 示,例如通过具有电子墨水(e-ink)的显示单元。E-ink显示单元特 别适用于非常需要节能的节点。当增加了显示单元时,可以向用户显 示额外的网络信息。当然,可以对于每个方向使用一个单独的多颜色 LED,此外,也可以使用于多于四个方向。例如,具有圆形外壳的节 点在其周缘可以具有多得多的视觉指示器。

也可以利用在处理元件102中或在硬件中的算法来维持和使用信 息接收的历史,以确定哪个LED需要被点亮。例如,当多于80%的 信息是从北方接收的,则在该方向上点亮绿色LED,而在其他方向上, 根据该方向上所接收的信息量,可以显示黄色或红色LED。该实施方 式使得关于节点的通信行为的指示更为可靠。比如,其考虑了节点的 通信情况以及暂时不活跃的节点的情况。暂时不活跃的节点在激活时 可以发送大量信息至当前节点,届时这些节点仍然将对于当前节点的 通信行为起到重要的作用。

还可以基于特定的网络参数给出网络质量的指示,例如误码率、 数据包误差率或信息误差率。通过这种方式,用户可以直观地了解到 节点在哪个方向上成功地接收信息。由于维持LED和记录功能的运转 可能会消耗太多能量,可以不需要一直维持这些功能可用。因此,可 以在当最初安装网络时、或者有需要监测网络/节点性能时才打开此功 能。

图2所示的是本发明网络节点的另一种示例的实施方式。在该实 施方式中,网络节点200仅包括一个天线114和一个指南针202。网 络节点200的其他元件与图1中所述的各元件相同。该网络节点200 装有指南针202,以便其可以确定相对于北方的方向。指南针202便 利了视觉指示的生成,例如其便于确定视觉指示器106、108、110、 112中的哪一个需要被点亮用以指示该空间方向上的通信行为。可选 地,网络节点200的方向可以是预先设置的,例如网络节点200可以 与北方对齐。在此情况下,可以在节点中存储指示有节点的预设空间 方向的方向数据,并可以省略指南针202。

进一步地,在安装时,网络节点200相对于建筑物平面图的笛卡 尔坐标(x,y,z)已知,这些坐标(位置数据)可以存储在网络节点 200中。出于该目的,可以使用由NXP B.V.于2011年12月5日申请、 于2013年6月12日公开的欧洲专利申请EP2602677A1,名为 “Localization Method,Computer Program Product and Localization  Device”的方法。应当理解的是,除了空间中的x轴和y轴以外,z 轴也是相关的,这是因为网络节点可以示例地被放置于建筑物的不同 高度上。

运行中,当进行通信时,网络节点在其发送的信息中可以包括它 们的笛卡尔坐标(x,y,z),从而接收端的节点可以判断该信息所来自 的方向,并提供相应的视觉指示。此外,比如由节点所正确接收的信 息的数量所表征的通信量与通信质量,也可以用来提供该视觉指示。

图3所示的是本发明的无线传感器网络的示例的实施方式。特别 地,其示出了网络的一种示例,其在一个建筑物300周围包括网络节 点200的四个实例。所述网络节点200中的每一个都经过建筑物的平 面图坐标的试车。当这些网络节点200在安装时、或在网络监测时运 行于特别模式时,网络节点200将其在建筑物内的坐标x、y和z置于 外送的信息中。接收端的节点从而可以利用所接收的信息中的数据(x、 y和z)来计算其自身位置与发送节点之间的相对位置。该节点随后利 用其视觉指示器给出关于其所接收信息所来自的方向的指示。可选地, 发送端节点可以将其特定的识别器(ID)置于外送的信息中,从而接 收端节点的显示单元可以向用户显示发送端节点的信息。

可以构想以下在家庭中进行网络安装的情景:

当开始安装网络时,用户打开记录功能,特别是网络节点的定位 功能。

用户选择环境中网络节点的部分位置,为包含于节点中的传感器 进行物理量的感测提供最佳的感测效果。用户可以选择放置部分额外 的网络节点(例如路由器,其不包含传感器)以保证网络的更好覆盖。 用户可以决定保持记录功能打开并持续特定的时间。该特定的时间可 以为数小时至数周。

该特定时间过后,用户察看各个网络节点上的视觉指示器,以确 定哪些节点在哪些方向上接收的信息有限。根据这些信息,用户可以 决定对于部分节点(如路由器)进行例如增加、移除或重新布置。

从而,用户可以通过以上的过程来优化网络,其中用户可以直观 地重新布置环境中的网络节点以得到最佳可能的效果,而无需特殊的 仪器。

需要说明的是,各附图都是示例性的。在不同的附图中,相似或 相同的元件由相同的标识进行标识。进一步地,应当说明的是,对于 本发明示例性的实施方式进行精确描述时,所属技术领域的技术人员 的常用手段的细节部分可能未作说明。可以理解的是,当在工程或设 计项目中实施本发明时,为实现开发者的目的时,存在着较多特定的 实施选择,例如为符合与系统与商业有关的规范等,各实施方式之间 可能不尽相同。进一步地,可以理解的是,这种开发过程可能是耗时 耗力的,但都应当视为本领域的技术人员在本发明基础上的常用实施 手段。

需要说明的是,本领域的技术人员在本发明基础上还可以得到其 他可选的实施方式,但都不应当理解为脱离了本发明的主旨与特征, 其由本发明权利要求所表示。在权利要求中,置于括弧中的参考标号 不应理解为构成权利要求的限制范围。其中“包括”的意思并不排除 那些除了明示于权利要求书中的元件或步骤以外的元件或步骤。在元 件之前所述的“一”、“一个”并不排除存在多个此种元件的可能。本 发明权利要求中所述的各种手段可以由包含数个不同元件的硬件和/ 或恰当地程序化的处理器来实现。在列举多个装置的设备权利要求中, 多个装置也可以通过一个装置或与之相同数量的硬件来实现。在不同 的从属权利要求中引述的特定手段并不表示这些手段之间不能被结合 并产生有益的效果。

附图标记清单

100  网络节点

102  处理元件

104    传感器

106    视觉指示器

108    视觉指示器

110    视觉指示器

112    视觉指示器

114    天线

116    天线

118    天线

200    网络节点

202    指南针

300    建筑物周围

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