确定网络中设备相对位置的方法和用于实施该方法的设备的网络

摘要

本发明公开了一种在网络中确定设备相对位置的方法，以及用于实现该方法的设备的网络。在具有连接到多个设备(A－I)的电力电缆(10)的网络中，我们需要知道其上的物理位置，以能够有效地控制它们。这通常由人工来完成，但是本发明提出选择一个设备穿过网络以递增的幅度来发送检测信号，并测量每个剩余设备检测到检测信号的时间。由于网络中的信号损耗，更远的设备将表现出更长的检测时间。收集不同的检测时间，使得控制单元(12)能够确定设备(A－I)的全部或至少部分的相对位置。

说明书

发明领域

本发明涉及一种在网络中确定设备相对位置的方法，以及涉及用 于实施该方法的设备的网络。

背景技术

在具有若干个可控制设备的或多或少有些复杂的系统中，诸如沿 街等的建筑物中较大的照明系统，通常希望将设备(例如带有开关的 灯)捆绑在该系统中。这允许例如设备的遥控。当今可以使用具备其 自身唯一ID的设备。但仍需知道这些设备在系统中位于“何处”，以 使操作者或控制单元能够控制正确的设备。

US申请No.2003/0222603公开了一种系统和方法，用于关联组件 的位置及其ID。在一个实施方式中，每个组件分别操作，操作者记录 下每个情况下的物理坐标。这将非常耗时，且需要至少一个人员，并 且在从操作者的位置无法检查设备，诸如大型建筑物中的照明系统等 的情况下很有可能需要更多的人员。有时也很难于激活诸如高杆上的 街灯设备。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法，其能够通过较少的工作量提 供关于网络中若干设备的实际物理位置的信息。

本发明的再一个目的是提供一种系统用于实施该方法。

由此，本发明提供一种在导言中所提及的方法，包含下述步骤：

--给网络提供电缆和多个可寻址的设备以及由此连接的控制单 元；

--选择多个设备中的一个，其它设备为剩余设备；

--同步这些设备；

--借助于所选择的设备在网络上提供检测信号，所述检测信号可 以由剩余设备检测，

其中检测信号具有作为时间函数递增的幅度；

--确定对于每个剩余设备的检测时间，在该检测时间上所述剩余 设备能够检测到检测信号；

--在控制单元中收集剩余设备各自的检测时间；以及

--评估检测时间以确定设备的相对位置。

根据本发明的方法提供了这样的可能性，基于由网络中的一个设 备所发送的信号被其它设备所测量到的时间，至少相对于彼此确定设 备位置。在根据本发明的方法中，设备中的一个，甚至包括控制单元 自身，被选择用来发送检测信号到网络中。该检测信号将沿着网络的 电缆而传播并衰减，这是因为电缆表现出损耗。这意味着物理上离发 送设备更远的设备将收到更弱的信号，并且通常在时间上只能稍晚地 检测信号。通过增大信号的幅度，越来越多和越来越远的设备将能检 测到信号。换而言之，去往发送设备的物理距离可以通过设备第一次 能够检测到发送设备发送的信号所花的时间来确定。通过收集这些时 间(检测时间)，可以得到网络中设备相对于发送设备的物理次序的 信息。如果网络是例如线性网络，可以据此确定设备的相对次序，从 而还有设备的绝对次序和物理位置。该信息可以直接由系统或操作者 所使用。节省了很多工作，且该方法甚至可以是自动的，如下面将讨 论的。

本发明还提供设备的网络，包括电缆、多个可寻址的设备，以及 由此连接的控制单元，其中设备的网络被构建并配置用于执行本发明 的方法。在这里的“可寻址”意味着设备可以响应于穿过网络携带其 特定ID的消息。根据本发明的网络提供设备的物理次序和位置被确定 而无需操作者分别操作设备的可能性。这节约了安装设备时大量的工 作，例如当“绑定”他们时。

本发明的不同实施方式是可能的，并且形成了从属权利要求的主 题，这将在下面讨论。

特殊地，剩余设备的检测时间被确定为同步与所述设备第一次确 定信号高于预定水平之间的时间。同步例如可以通过任何已知的协议 发生，诸如PowerLon协议，或者通过简单地在网上提供信号，该信号 可以由每个设备检测到，并且可以用来(复位)设置内部时钟。所述 信号可以是短的且为相对强的比方说100mV的峰值信号。优选地，该 同步信号具有不同于所使用的检测信号的其它特性，例如不同的频率。 这避免了混淆以及信号的冲突。注意到设备应当包含内部时钟，以为 了能够测量时间。此外，注意到当所选择的设备通过网络发送同步信 号时，所述信号也将对于每电缆的单位长度延迟某个时间周期，正像 检测信号那样。如果该每长度延迟对于同步信号和检测信号基本上相 同，则时间测量可以非常准确。但是即使该延迟略有不同，根据本发 明的方法和系统仍能够确定相对时间延迟，从而确定相对距离，虽然 有一些不够精确。

网络的设备应当具有内部时钟，诸如可以出现在不同的IC中。此 外，设备应当能够检测信号和通信(同步、检测、在收集数据时询问)， 并通过网络发送检测信号，诸如检测时间信息，以及至少对于所选择 的一个或多个设备的检测信号。所有这些细节在现有技术中是公知的， 并且在此无需进一步解释。

在特定实施方式中，评估检测时间的步骤包括以递增次序和递减 次序之一来排序检测时间。这是一种简单而有效地确定网络中设备的 (物理)次序的方式。当设备离发送检测信号的所选择设备越远，时 间延迟将越大，反之亦然。因而，根据检测时间来排序设备还允许建 立物理次序。

在特定实施方式中，该方法进一步包括向控制单元提供网络配线 地图的步骤。所述配线地图对于网络几乎是一直可用的，并提供设备 所处于位置的信息，而无需知道个别设备的位置。根据本发明的方法 然后将能够提供这些稍后的信息。换而言之，该方法允许跨配线地图 填入设备的个别ID，以便能够控制那些个别的设备。注意到在单个线 性网络的情况中，诸如沿单条街道的照明，所述配线地图将不提供很 多的附加信息。然而，在诸如多层建筑物的照明的配线地图情况中， 所述组合可以证明更有效。注意到所述配线地图可以作为一些数据的 逻辑集被加入至控制单元。

在特定实施方式中，方法进一步包含选择剩余设备中的一个，优 选地具有最高的检测时间，并重复同步、提供检测信号、确定并收集 检测时间、以及再评估设备的相对位置的步骤。这在例如下面的情况 中是有用的。当用于发送检测信号的设备被随机地选择时，这通常是 因为没有更多的信息可获得，然后很有可能在至少两个方向上有设备。 在这种情况下，很难确切地确定所有设备的物理次序，这是因为任意 时间延迟可以在所选择设备的任意方向发生。进一步的信息可以通过 紧接着选择剩余设备中的一个而获得，即其它设备中的一个，作为新 选择的设备发送检测信号，并对其它设备重复确定并收集检测时间的 步骤。这样可以获得附加的次序信息，这些信息可以与第一信息组合 以确定网络中设备真实的物理次序。用于选择另一个设备的有用准则 可以是最高检测时间，因为具有最高检测时间的设备通常是最远的设 备，因而是线路的末端。选择这样的设备对于其它的设备来说仅有一 个方向。

在某些情况下，网络中可能发生更多复杂的连接，诸如并行或分 支连接等，本申请中为了简明起见所有都采用“并行”来表述。这些 更为复杂的连接将使得某些设备表现出相同(或至少类似)的检测时 间，而无需处于物理上相同的位置。在这种情况下，选择并行设备中 的一个作为发送检测信号的设备将是有帮助的。在新检测中这将并行 设备的数量减少了至少一个。注意到在三个或更多的严格对称的并行 设备中，这将不够充分，则仍需要例如人工检测。然而仅当这些并行 设备的供应电缆长度也是完全相同从而导致相同的检测时间时这才成 为问题。尽管如此，本方法仍将提供良好的时间节省，至少对于那些 并非严格对称的设备。

在特定实施方式中，网络包含的电缆具有每单位长度的延迟时间 和衰减是基本恒量的特性。这允许相当精确地测量检测时间，甚至允 许测量绝对距离。然而，电缆沿其长度具有所述恒量特性不是必须的， 其可以沿长度略有不同。这使得测量略有不精确，但是更长的检测时 间仍然意味着更长的距离，因此仍可以确定相对的物理次序。注意到 原则上相同类型的电缆可以用在所有的网络中，因此在整个网络中其 特性应该是相同或非常类似的。然而，特性可能局部不同，诸如由于 电泄露(绝缘不好，等)或其它影响。注意到所述不同的特性可以表 示为虚拟的附加电缆长度或缺少电缆长度。

特别地，检测信号包含具有频率为10kHz和1MHz之间的信号，优 选地大约在95kHz和148.5kHz之间。更一般地，所用的检测信号通常 应当表现出合理的每单位长度衰减，并且由网络管理员所允许。注意 到单位长度可能取决于网络的大小：诸如沿汽车高速公路照明的非常 大的网络和诸如私人住宅中照明的小网络要求不同的检测时间分辨 率，因而需要不同的单位长度。此外，在很多情况下合理的衰减通过 由电子电缆中所谓的皮肤效应获得。这使得电流主要在薄表面层传导， 其因此增大了损耗(衰减)。皮肤效应随频率而增大，例如DC信号由 整个导体所传输，无论导体的横截面是什么，而几MHz的信号仅在非 常薄的表面层中传输(如果全部在导体中)。指出的范围在提供合理 的损耗并从而得到距离的分辨率时有用。然而在例如衰减是由于其他 原因而造成的情况下并不排除其它频率，诸如电缆内部固有的高得多 的电阻损耗。注意到有利的是对于检测信号和在设备和控制单元之间 通信使用不同的频率。

还可以提供使用电力线路网络作为该网络的优点。这意味应用在 该方法中的信号由电力线路电缆所承载。在很多国家所述通过电力线 路传输信号的通信是服从规则的。例如，在欧洲电力线路信号传输必 须限定在9kHz-148.5kHz的频率范围内。该频谱被进一步地如下划分 为“波段”以供分配给特定应用：

A波段：9-95kHz用于电力供应者

B波段：95-125kHz供客户使用，没有协议

C波段：125-140kHz供用户通过CENELEC协议使用

D波段：140-148.5kHz供客户使用，没有协议

高于148.5kHz：电力线路通信禁用。

在其它国家可以应用其它波段，在这种情况下必须调整检测信号 和/或其它信号的频率。

检测信号的强度变化的方式并没有严格限制。然而在特定实施方 式中，检测信号的幅度在时间上基本线性递增。这在信号强度与时间 之间给出了非常典雅及简单的对应关系。例如，设备可能具有比方为x mV的检测限制，检测信号的幅度在较低值处开始，或者例如简单地在 0mV处。然后通过增大幅度，在时间上的一些点最近的剩余设备将第一 次检测到检测信号，因为本地信号强度高于检测限制。检测时间被记 录下。然后，随着检测信号强度一直增大，越来越多的设备将检测到 信号，直到所有的设备检测到检测信号。然后所有的检测时间可以被 控制单元读取，由控制单元收集在其中。注意到检测限制可以设置为 等于电缆中的噪声电平。然而，还可以将该限制设置为某个略高的值， 以排除该随机噪声的影响。

在可替换的实施方式中，检测信号的幅度基本与时间成对数增长。 换而言之，考虑到检测信号通常沿网络的电缆基本表现出指数衰退的 影响，幅度虽然增大了，但是是以不断减小的速率增大。通过仔细地 选择对数参数，有可能获得一种方法，其中时间与距离之间的关系基 本为线性。

在另一个可替换的实施方式中，检测信号的幅度步进式递增，优 选地具有在大约1ms与5s之间的恒定幅度的时间，优选地在大约5ms 与0.1s之间。尽管步进式增加将影响检测的绝对分辨率，该实施方式 具有使测量更可靠的优点。在步进的平稳水平期间，幅度在某个时间 段被很好地定义。这意味着诸如噪声或电压峰值等临时的或变化的影 响将达到平均数。这可以例如通过在平稳时间期间内重复检测测量而 获得，或者通过在所述平稳期间检测以及如果检测在基本所有的平稳 期间内可靠地进行则只对测量计数，等等。

通过合适地选择步长大小，仍然可以获得任何所需的分辨率。例 如，步长大小可以选择为时间上线性，即一直均匀增大，或时间对数 增大等等。在特定实施方式中，检测信号以在大约0.5mV和10mV之间 的步长增大，优选地在1mV和5mV之间。所述步长大小在大多数情况 下提供了足够的分辨率，虽然步进的总数量被充分限制了。尤其是与 上述所提及的时间刻度相结合，总的测量可以迅速而可靠地被执行。 尽管如此，还可以选择其他的测量时间，例如比1ms更短的时间周期， 特别是在只有非常小的噪声或者非常快的测量设备的情况下。

如上述已经提及的，本发明还提供一种设备的网络，包含多个可 寻址的设备和控制单元，其中设备的网络被构建并配置用来执行本发 明的方法。

特别地，至少两个设备，优选地所有的设备能够提供并检测到检 测信号，并确定所流逝的时间。尽管原则上所有要被确定次序的设备 必须能够提供信号，因为检测时间必须被控制单元等等所读取，当多 余一个的设备能够充当检测信号的源时，这是有利的。然后，在两个 或更多的设备的位置不明确时，能够提供检测信号的其它设备中的一 个或多个可以用来执行本发明的方法，从而提供附加的甚或充分的信 息来确定所有设备的相对次序。注意到对于所有的设备并不是都必须 能够提供所述检测信号。限制了必须由操作者来完成的工作量的任意 数量都是有利的。此外注意到，对检测信号相同的考虑同样适用于同 步信号，其也是由所选择的一个或多个设备提供的。

附图说明

本发明的这些以及其它方面从下面描述的实施方式中显而易见， 并将参考下述的实施方式而阐明。

在图中：

图1概略地示出了用于根据本发明方法的网络；

图2a和2b示出了检测电压对时间的例子；

图3概略地示出了可替换的网络。

具体实施方式

图1概略地示出了用于根据本发明方法的网络。此处10是概略的 电力电缆，12是控制单元，A到I是九个设备，经由电力电缆10所连 接。

所述网络可以是例如照明网络，视频照相电路，报警网络，诸如 此类。电缆10末端上的箭头头部指示在每个方向或多或少设备可以连 接。在执行该方法之前，设备具有唯一的ID，但是还不知道这些设备 位于何处。

本发明的方法可以如下工作。例如随机地选择一个设备。假设一 个设备被选择，(稍后)将清楚它是在图1中标为F的设备。原则上 任何其它设备也可以是所选择的设备。这将参考图3进一步讨论。

作为第一个步骤，执行所有设备A-I的同步。另外，所选择的设 备F可以穿过网络向它们发出脉冲或其它合适的信号。所述同步还可 以由控制单元根据已知的同步协议而执行。下一步，所选择的设备F 将开始在网络上提供检测信号，例如电压扫描或步进式增大的信号。 在网络电缆10被连接至电力线(mains)时，该信号可以具有允许的 频率，这在允许信号沿电缆10的长度呈现出足够的衰减时是有用的。 在这种情况下，选择120kHz的频率，尽管在欧洲任何95-148.5kHz波 段内的频率都是可选择的。此外，当电缆10没有连接到电力线时，可 以使用任何想要的或合适的频率。

图2a和2b示出了检测信号的幅度Vd对于时间t的例子。图2a 是简单的线性扫描。图2b示出了步进式增大，具有幅度为Vs的步长 以及ts的时间步长，在步长期间内幅度基本为常量，检测可以可靠执 行。Vd和ts可以根据期望的精度而选择，但是例如在1和5mV之间以 及10和200ms之间的步长是好且有用的值，尽管其它的值在环境需要 的情况下(例如大量的噪声)也可以被使用。

现在，在图1的网络中有两路设备，即E到A以及G到I。当F开 始发送检测信号时，在第一路中设备E将第一个检测到信号，从而E 具有检测时间td的最小值，假设其为例如1T。下一个检测到检测信号 的设备将是D，td例如为2T，等等。对于第二路中的设备可以获得类 似的结果。在这个例子中，假设相邻的设备之间的距离为恒量，检测 信号电压以这样一种方式增大，即检测时间基本上线性依赖于沿网络 电缆的实际距离，例如具有对数增长。

当所选择的设备F已经结束其工作，每个剩余设备A-E和G-I的 检测时间被诸如计算机或任何其它合适电路的控制单元12读取并收 集。以这种方式，我们得到检测时间表，例如表1

表1

设备路径 检测时间 FA  5T FB  4T FC  3T FD  2T FE  1T FG  1T FH  2T FI  3T

没有网络配线的进一步知识，网络中设备实际的次序并非显而易见。 这在例如查看设备E和G时是一清二楚的，其表现出相同的检测时间。 然而，清楚的是A必定最远。

因此，下一步可以是选择A作为所选择的设备，或“发送者”， 并且用新选择的设备A重复该方法。根据该方法，我们再次获得结果 表格，即下面表2.

表2

 设备路径 检测时间  AB  1T  AC  2T  AD  3T  AE  4T

 AF  5T  AG  6T  AH  7T  AI  8T

从这个表很清楚的是，设备位于对应于字母次序的次序。这个简单的 例子示出了该方法能够提供关于设备在网络中物理次序(至少相对于 彼此)的信息的例子。

实际上，网络通常更为复杂。作为例子，图3被示出，其具有10 个设备，一行5个(A到E)具有两个分支(B-I-J和D-F-G-H)。再 一次，出于简化假设相邻设备之间的传播时间或延迟时间为1T。当所 选择的设备为E.G设备A，则不能知道所有设备的相对次序，因为例如 C和I将成对示出相同的检测时间。

在这种更为复杂的网络中，可以证明使用多个或者所有设备作为 所选择的设备是有利的。对于图3详细描述这个例子，我们得到：我 们以设备A开始，最后的设备为J。当从每个发送循环中收集到时间信 息时，则得到下述矩阵。

表3对于不同所选择的设备的检测时间

在这个表中从每个发送者我们可以看到设备是在何时检测到检测 信号的。例如：当设备A为所选择的设备时，剩余设备H在时间6T处 检测到检测信号。检测信号将在网络上传播，并在不同的路径上引起 较低信号电平。对于该定位方法，原则上邻居是足够的，因为他们总 是最先接收到检测信号。因此下一步骤将仅用发送者的直接邻居(1T) 来创建矩阵。

表4直接邻居

现在很清楚哪些设备是直接邻居。现在通过连接让我们以不同的 方式来填充矩阵，并填入邻居的名称。

表5不同表达方式的直接邻居

该矩阵指示了从发送者A到B有一条路径，则同样从发送者B到A也 有。这是显而易见的，但是仅需要一条路径。实际上当我们从上面开 始时(在A)，然后B到A的路径不再需要，因此可以从表中移除。这 将得到下述表中：

表6，仅有单向的直接邻居

表6示出了从A开始的路由。注意：可以从任何发送者开始，不 是必须A。然而由于很容易确定A肯定是分支的末端，A是用来开始的 一个很好的候选者，正如E，H或J。现在可以以下述方式来形成路由： 在A开始，仅有的路径(邻居)是去往设备B的。设备B具有两个直 接邻居，即两个分支C和I。从I开始，该设备具有一个邻居J，其没 有进一步的邻居，因此该路径在此结束。从C继续，该设备具有一个 新的邻居D，等等。因此，发现了下述路由：

1)A-B-C-D-E

2)D-F-G-H

3)B-I-J

这些路由可以很容易地映射在安装图中，将位置信息分配给图使 得能够绑定所有的设备而无需人工地操作每个设备。

该方法很容易被优化，这是因为并不总是需要每个设备来充当发 送者。在一个或两个检测循环后，我们已经可以开始计算路由，然后 检查是否所有的设备都定位了，即在路由中连接了与否。还没有连接 在路由中的设备应当开始发送检测信号给其他设备。下一步可以再次 计算路由并检查是否需要另一个循环。