專利名稱：用于波導環(huán)境中的無線通信的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域通常涉及無線通信，且更具體地，涉及一種用于改善波導環(huán)境中的自供電的無線傳感器的通信的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
至少一些已知的飛行器制造商正在考慮在飛機系統(tǒng)內(nèi)使用無線連網(wǎng)技術來最小化重量，改善可靠性和安全性，以及減少維護成本。使用標準的WIFI技術已經(jīng)將無線技術部署于因特網(wǎng)接入，但是無線技術還需用于飛行器的關鍵系統(tǒng)。獲益于無線技術將要求在飛機上部署很多的自主無線傳感器和致動器。與傳感器通信而不使用線纜或光纖在減輕重量方面具有較大益處。然而，為了使得自主傳感器發(fā)揮作用，就需要使得電力要求最小化。而且，在使用信號電平隨著距離和時間變化的標準RF傳輸?shù)那闆r下，所謂的衰落也可以從電力要求最小化技術中獲益。當前緩解衰落效應的方法是調(diào)整接收器電路的增益，以保持恒定的信號電平。然而，由于電力限制，該方式對于飛行器無線系統(tǒng)并不是所希望的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，一種無線傳感器系統(tǒng)包括了含有射頻收發(fā)器的傳感器組件，該射頻收發(fā)器配置為無線地接收傳感器詢問信號、確定傳感器詢問信號的輸入功率電平、以及發(fā)送包含確定的功率電平的消息。該系統(tǒng)還包括了含有射頻收發(fā)器的傳感器控制器，該射頻收發(fā)器配置為在第一頻率和第二頻率上發(fā)送傳感器詢問信號，其中第二頻率不同于第一頻率。傳感器控制器包括處理器和存儲器，其用指令進行了編程，該指令使得傳感器控制器在隨著時間變化的頻率上發(fā)送傳感器詢問信號到飛行器的機身中、確定發(fā)送的傳感器詢問信號在多個頻率上的輸出功率、在該多個頻率上接收來自傳感器組件的傳感器詢問信號的接收的輸入功率電平的指示、比較傳感器詢問信號的發(fā)送的輸出功率和接收的功率指示、以及基于該比較選擇用于在傳感器組件和傳感器控制器之間發(fā)送消息的發(fā)送頻率。在另一實施例中，一種發(fā)送傳感器信號的方法包括在隨著時間變化頻率上發(fā)送傳感器詢問信號到飛行器機身中，確定發(fā)送的傳感器詢問信號在多個頻率上的輸出功率， 在該多個頻率上接收來自無線傳感器的傳感器詢問信號的接收的功率的指示，比較傳感器詢問信號的發(fā)送的輸出功率和接收的功率指示，以及基于該比較來選擇發(fā)送頻率。在又一實施例中，一種傳感器控制器系統(tǒng)包括射頻收發(fā)器，配置為在多個預定頻率上發(fā)送數(shù)據(jù)消息和接收數(shù)據(jù)消息，以及包含存儲器的處理器，并且被編程以發(fā)送多個傳感器詢問信號到飛行器的機身中，其中該多個傳感器詢問信號中的每一個均在與其他各個頻率不同的各自的頻率上被發(fā)送。處理器還被編程以確定在各自的頻率上的發(fā)送的多個傳感器詢問信號的每一個的輸出功率，在各自的頻率上從無線傳感器接收多個傳感器詢問信號的至少一個的接收的功率的指示，比較傳感器詢問信號的發(fā)送的輸出功率和接收的功率指示，以及基于該比較選擇發(fā)送頻率。


圖1-2示出本文所述的方法和系統(tǒng)的示范性實施例。圖I是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的飛行器機身的局部剖面圖；以及圖2是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的發(fā)送傳感器信號的方法的流程圖。
具體實施例方式以下的詳細描述以例子的方式而不是限制的方式說明了本發(fā)明的實施例。預計本發(fā)明在工業(yè)、商業(yè)和住宅應用中廣泛應用于波導環(huán)境下的無線裝置之間的通信的分析和方法實施例。
如本文所使用的，以單數(shù)敘述以及前面有詞語“一”的元件或步驟應當理解為不排除多個元件或步驟，除非明確地敘述了這樣的排除。此外，對本發(fā)明的“一個實施例”的提及并不旨在解釋為排除也并入了所敘述的特征的額外的實施例的存在。本發(fā)明的實施例描述了一種調(diào)整飛行器無線網(wǎng)絡的操作頻率的方法，利用飛機結構的波導效應來最小化發(fā)送信號的路徑損耗。通過最小化路徑損耗，發(fā)送所要求的功率也可以被最小化。圖I是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的飛行器機身100的局部剖面圖。在示范性實施例中，機身100包括前端102、尾端104、以及在其之間延伸的主體106。包括射頻收發(fā)器 109的傳感器控制器108可以放置于機身100內(nèi)的選定位置。多個無線傳感器組件110也可以選擇性地放置在機身100內(nèi)。傳感器控制器108還包括與存儲器113通信耦合的處理器111。在一個實施例中，射頻收發(fā)器109可以包含在一個單兀內(nèi)共享公共電路的發(fā)送器和接收器組合，或者可以包含分開的發(fā)送器和接收器部件。而且，射頻收發(fā)器109可以操作在全雙工模式或者半雙工模式。另外，射頻收發(fā)器109包括配置為以本文描述的頻率和距離操作的天線115。如本文所使用的，無線傳感器組件110還可以包括致動器、用于形成無線網(wǎng)絡的其他收發(fā)器、以及例如無線頭戴式耳機的其他裝置。射頻收發(fā)器109配置為在射頻(RF)頻帶上發(fā)送和接收電磁輻射。射頻收發(fā)器109 發(fā)送消息到無線傳感器110以及從無線傳感器110接收消息。無線傳感器110包括可控裝置，例如但不限于，配置為在其鄰近測量或檢測物理參數(shù)的致動器或感測裝置。無線傳感器 110包括至少一個天線120，有助于無線傳感器和傳感器控制器108之間的通信。在示范性實施例中，機身100相對較大，大體上為金屬材料形成的圓柱形結構，該金屬材料例如但不限于，鋁或者鋁合金。這種結構對于電磁輻射可起到波導的作用。此外，這種結構可以影向電磁波，以使得離收發(fā)器一段距離的特定位置可以從收發(fā)器109接收到相對于發(fā)送信號的功率電平顯著衰減的RF信號。其他位置可以接收到相對于發(fā)送信號僅僅輕微衰減的信號。 信號所經(jīng)歷的衰減與機身形狀、以及機身100內(nèi)其他物質(zhì)構造的位置、幾何形狀和材料有關。例如，飲料車112典型地由金屬形成，并且在使用期間沿著主體106的長度改變位置。 飲料車112可能影響機身100的波導特性。其他物體也可以影響機身100的波導特性，例如機身中來回移動的乘客。在操作期間，收發(fā)器109和無線傳感器110使用在它們之間傳輸?shù)腞F能量來通信。在示范性實施例中，無線傳感器110是低功率裝置，具有有限的發(fā)送功率能力。為了保證收發(fā)器109和傳感器110之間的正常通信，通過主動地控制機身100的波導特性來有助于降低通信信號的衰減。在示范性實施例中，用于收發(fā)器109和傳感器110之間的通信的 RF信號的發(fā)送頻率被動態(tài)地調(diào)整，以提高收發(fā)器109從傳感器110接收的功率以及傳感器 110從收發(fā)器109接收的功率。在一個實施例中，在傳感器Iio和收發(fā)器109之間傳輸?shù)碾姶判盘柕念l率被調(diào)整，從而與電磁信號的其他的可能頻率相比，提供了相對高功率的信號。在啟動時，收發(fā)器109可以在多個不同頻率上發(fā)送RF消息。接收該信號的每個傳感器110可以用接收信號的功率的指示來響應該消息。該響應消息也可以包括響應傳感器的位置。在示范性實施例中，該多個不同頻率被在預定的頻率范圍上掃描。對于該多個不同頻率的每一個，傳感器110確定接收的消息信號的接收功率。因為對于RF能量飛機結構起到波導的作用，因此路徑損耗數(shù)據(jù)指示機身具有模式頻率(mode frequency)，在模式頻率上消息信號以非常低的損耗傳輸。也有反模式頻率(anti-mode frequency)，信號在其上被衰減。傳感器控制器108以及更具體地傳感器控制器108的處理器111和存儲器113 被編程，以選擇無線網(wǎng)絡的操作頻率，從而在接近50MHz的范圍內(nèi)與一個傳輸峰值相一致。 通過使用111和存儲器113控制收發(fā)器108發(fā)送電路，完成對此帶寬上的操作頻率的調(diào)整。 此外，天線115和120的設計可以被優(yōu)化以在預定頻率范圍上操作。自主無線傳感器組件110為所載的傳感器和致動器而使用電源114。在一個實施例中，電源114是周期性地替換或再充電的電池。在不同實施例中，例如但不限于使用溫度差、磁、電磁、或者振動能量作為能源來從環(huán)境中獲取能量。在另一實施例中，使用無源 RFID 傳感器。每個上述電力策略均僅僅為傳感器電路提供少量電力。因此，最小化電路的功率消耗是重要的。電路的功率消耗，與傳感器信號可靠到達收發(fā)器109而所處的發(fā)送功率電平直接相關?？山邮艿墓β孰娖娇梢曰诳山邮艿男盘栧e誤率和噪聲電平來計算，但是主要的決定因素是傳輸路徑上的信號的路徑損耗。在示范性實施例中，例如通過使用本文描述的方法來最小化路徑損耗，這又最小化傳感器組件110的功率消耗。圖2是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的發(fā)送傳感器信號的方法200的流程圖。在示范性實施例中，方法200包括在隨著時間變化的頻率上發(fā)送202傳感器詢問信號到飛行器的機身中。因為飛行器的機身起到波導的作用，所以不同頻率的信號經(jīng)歷不同量的信號路徑損耗。通過在不同的頻率上將傳感器詢問信號發(fā)送到飛行器機身中，能確定產(chǎn)生最大的功率比的頻率，或者安置于飛行器機身內(nèi)的無線傳感器接收的傳感器詢問信號的功率相對于發(fā)送的傳感器詢問信號的功率電平之比。方法200還包括確定204在多個頻率上發(fā)送的傳感器詢問信號的輸出功率。在示范性實施例中，發(fā)送傳感器詢問信號的傳感器控制器確定發(fā)送的傳感器詢問信號的輸出功率。方法200還包括在該多個頻率上接收206來自無線傳感器的傳感器詢問信號的接收功率的指示。為了確定發(fā)送的傳感器詢問信號的功率比，傳感器控制器或者傳感器組件需要發(fā)送的傳感器詢問信號的輸出功率值以及傳感器組件接收的信號的功率電平兩者。在一個實施例中，傳感器控制器發(fā)送測量的發(fā)送功率電平到傳感器組件，傳感器組件測量接收的輸入功率電平，確定功率比并調(diào)整其發(fā)送頻率到具有最大功率比的頻率。備選地，傳感器組件測量接收的輸入功率電平，發(fā)送測量的功率電平到傳感器控制器，其確定功率比并調(diào)整其發(fā)送頻率到具有最大功率比的頻率并且發(fā)送該頻率到傳感器組件，以使得傳感器組件可以調(diào)整其操作頻率到對于其位置來說最有效的頻率上。方法200還包括比較208傳感器詢問信號的發(fā)送的輸出功率與接收的功率指示，并且基于該比較選擇210發(fā)送頻率。多個傳感器組件110配置為在這樣的頻率上發(fā)送消息到傳感器控制器108，在該頻率上，由該傳感器組件110測量的傳感器詢問信號的輸入功率電平與發(fā)送的輸出功率的功率比大于在該多個頻率的其他頻率上確定的功率比。如本文所使用的，術語處理器指的是中央處理單元、微處理器、微控制器、精簡指令集電路(RISC)、專用集成電路(ASIC)、邏輯電路、以及可以執(zhí)行本文描述的功能的任何其他電路或者處理器。如本文所使用的，術語“軟件”和“固件”是可互換的，并且包括任何用于由處理器111執(zhí)行的存儲于存儲器中的計算機程序，包括RAM存儲器、ROM存儲器、EPROM存儲器、 EEPROM存儲器、以及非易失性RAM(NVRAM)存儲器。上述存儲器類型僅僅是示范性的，因而不限于可以用于存儲計算機程序的存儲器類型?；谝陨险f明將意識到，本公開的上述實施例可使用計算機編程或工程技術實現(xiàn)，包括計算機軟件、固件、硬件 或其任何組合或子集，其中技術效果是功率最小化技術，使得無線技術能應用于飛行器無線傳感器和其他RF傳輸，其中信號電平隨距離和時間變化， 也稱作衰落。任何具有計算機可讀代碼方式的此類結果程序可在一個或多個計算機可讀介質(zhì)中實施或提供，從而根據(jù)本公開所討論的實施例制作計算機程序產(chǎn)品，即制品。計算機可讀介質(zhì)可以是，例如但不限于，固定(硬)驅(qū)動、軟盤、光盤、磁帶、半導體存儲器例如只讀存儲器(R0M)，和/或任何發(fā)送/接收介質(zhì)例如因特網(wǎng)或其它通信網(wǎng)絡或鏈路。包含計算機代碼的制品可通過直接從一個介質(zhì)執(zhí)行代碼、通過從一個介質(zhì)復制代碼到另一介質(zhì)、或通過在網(wǎng)絡上發(fā)送代碼來制作和/或使用。波導環(huán)境中的無線通信的方法和系統(tǒng)的上述實施例提供了具有成本效率和可靠的方式來為自主傳感器確定操作頻率，該自主傳感器提供最佳的功率比以使得傳感器與遠端傳感器控制器通信所消耗的功率最小化。更具體地，本文描述的方法和系統(tǒng)有助于發(fā)送一個或多個消息到所有的自主傳感器，并且從一個或多個消息的送出和接收特性，確定最佳操作頻率和發(fā)送功率電平。此外，上述方法和系統(tǒng)有助于在通信丟失后，重獲與傳感器的通信，以及周期性地確定最佳操作頻率，以應對由于波導結構中的人員和/或設備的移動而導致的環(huán)境的波導性質(zhì)的改變。其結果是，本文描述的方法和系統(tǒng)有助于以具有成本效率和可靠的方式來在波導環(huán)境中進行無線通信。此書面描述使用包括最佳模式的例子以公開本發(fā)明，并且也使得本領域的技術人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及進行任何并入的方法。本發(fā)明的可取得專利的范圍由權利要求書限定，并且可以包括本領域技術人員想到的其它例子。如果這種其它例子具有的結構元件未區(qū)別于權利要求書的字面語言，或者它們包括與權利要求書的字面語言無實質(zhì)差別的等效結構元件，則這種其它例子被認為落入權利要求書的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種無線傳感器系統(tǒng)，包括 傳感器組件(110)，包括配置為無線接收傳感器詢問信號的射頻收發(fā)器(109)，所述傳感器組件(110)配置為確定所述傳感器詢問信號的輸入功率電平，以及發(fā)送包含所述確定的功率電平的消息；以及 傳感器控制器(108)，包括配置為在第一頻率和第二頻率上發(fā)送傳感器詢問信號的射頻收發(fā)器，所述第二頻率不同于所述第一頻率，所述傳感器控制器包括處理器和存儲器，其用指令編程，所述指令引起所述傳感器控制器 在隨著時間變化的頻率上發(fā)送傳感器詢問信號到飛行器機身(100)中； 確定在多個頻率上的所述發(fā)送的傳感器詢問信號的輸出功率； 在所述多個頻率上接收來自所述傳感器組件(110)的所述傳感器詢問信號的所述接收的輸入功率電平的指示； 比較所述傳感器詢問信號的所述發(fā)送的輸出功率與所述接收的功率指示；以及基于所述比較選擇用于在所述傳感器組件(110)和所述傳感器控制器(108)之間發(fā)送消息的發(fā)送頻率。
2.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述無線傳感器系統(tǒng)包括遠離所述傳感器控制器并且彼此遠離地安置的多個傳感器組件，所述多個傳感器組件的每一個配置為在這樣的頻率上發(fā)送消息到所述傳感器控制器，在所述頻率上，由所述傳感器組件測量的所述傳感器詢問信號的所述輸入功率電平與所述發(fā)送的輸出功率的功率比大于在所述多個頻率的其他頻率上確定的功率比。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述多個傳感器組件的每一個獨立于所述傳感器控制器并且彼此獨立地確定其各自的發(fā)送頻率，所述多個傳感器組件的每一個配置為在所述確定的頻率上發(fā)送消息到所述傳感器控制器。
4.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器控制器周期性地確定所述發(fā)送頻率。
5.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器組件確定所述發(fā)送的輸出功率與由所述傳感器組件接收的所述輸入功率電平的功率比，在從所述傳感器控制器發(fā)送的消息中從所述傳感器控制器接收的所述發(fā)送的輸出功率的指示。
6.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器控制器確定所述發(fā)送的輸出功率與由所述傳感器組件接收的所述輸入功率電平的功率比，在從所述傳感器組件發(fā)送的消息中從所述傳感器組件接收的所述輸入功率電平的指示。
全文摘要
本發(fā)明的名稱是“用于波導環(huán)境中的無線通信的方法和系統(tǒng)”。提供一種在波導環(huán)境中發(fā)送傳感器信號的系統(tǒng)和方法。傳感器組件(110)配置為無線接收傳感器詢問信號，確定傳感器詢問信號的輸入功率電平，以及發(fā)送包含確定的功率電平的消息。該系統(tǒng)還包括傳感器控制器(108)，配置為發(fā)送傳感器詢問信號，確定在多個頻率上發(fā)送的傳感器詢問信號的輸出功率，在多個頻率上接收來自傳感器組件的傳感器詢問信號的接收的輸入功率電平的指示，比較傳感器詢問信號的發(fā)送的輸出功率與接收的功率指示，以及基于該比較選擇用于在傳感器組件(110)和傳感器控制器(108)之間發(fā)送消息的發(fā)送頻率。
文檔編號H04W52/02GK102711225SQ20121015713
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權日2011年3月21日
發(fā)明者J·S·維勒 申請人:通用電氣航空系統(tǒng)有限責任公司