專利名稱：經由電力線和射頻通信的智能設備網(wǎng)狀網(wǎng)絡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在不需要網(wǎng)絡控制器的情況下通過一個或多個物理介質彼此通信的 智能設備。
背景技術：
在許多應用中使用低成本設備之間的通信。例如，在家庭環(huán)境中，如果房間傳感 器、電燈開關、燈調光器和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關之間通信，則它們能夠一起工作。當家里的房間有人 時應開燈，否則根據(jù)由遠程計算機上運行的程序建立的條件發(fā)出警報?？墒褂迷S多不同的物理通信介質來建立通信設備網(wǎng)絡。通常使用光纖、同軸電纜、 雙絞線和其它結構化布線來形成包括PC、打印機和其他計算設備的相對高性能的局域網(wǎng)。 如使用手持遠程控制器一樣，可以在一個房間中的短距離范圍內使用紅外信號。而移動電 話、尋呼機和長距離微波通信則使用經許可的射頻(RF)波段。當在現(xiàn)有建筑(例如家庭)中創(chuàng)建低成本設備的網(wǎng)絡時，這些物理介質都有缺點。 大多數(shù)已經建立的家庭中沒有結構化布線，而增加結構化布線具有破壞性并且價格昂貴。 紅外信號沒有覆蓋整個房子。經許可的RF通常需要用戶支付定制費?，F(xiàn)有的電力線(powerline wiring)和未經許可的RF頻帶不具有這些問題。它們 隨處可見并且可由用戶任意使用。然而，它們具有其它的問題。即使在存在實際噪音、由 線提供電力的設備信號衰減和多個設備之間可能干擾的情況下，電力線上的設備也必須通 信。使用未經許可的RF波段的設備必須發(fā)射低功率，并且未經許可的波段通常擁擠著多個 用戶。在電力線上通信的許多現(xiàn)有設備使用已知的XlO (見美國專利號4，200, 862、授權 日期為1980年4月29日的專利文獻)協(xié)議。使用與電力線的過零點同步的低振幅120KHz 的脈沖來完成信號傳輸。大部分XlO設備只能夠發(fā)送或接收，但是不能同時發(fā)送和接收。 XlO發(fā)送器在不需要確認應答的情況下發(fā)送命令，從而大部分控制是開環(huán)的。用戶通常必須 通過在接收設備上人為設置機械的“房間碼”和“單元碼”開關來地配置XlO系統(tǒng)。通過添加RF至XlO轉換設備，在RF手持遠程控制器中發(fā)出的命令可以對電力線 上的Xio接收器進行操作。RF中繼設備可用于增加這種系統(tǒng)的范圍。一般地，RF遠程控制 信令協(xié)議獨立于XlO信令協(xié)議，并且非常類似于紅外遠程控制器使用的信令協(xié)議。對于基本XlO設備的改進已見諸于市場(見Smarthon^pro Catalog, 63D, Spring 2004)。在必要時包括有命令確認和重試的雙向通信能夠實現(xiàn)更可靠的性能。中繼器和多 相橋接器可解決這種信號衰減的問題。使用非易失性存儲器Gf^BEEPROM)和系統(tǒng)控制器 能夠簡化系統(tǒng)設置。使用擴展頻譜技術的電力線和RF信令可以比類似窄帶XlO信令更快更可靠。美
3國專利5，090，024、授權日期為1992年2月18日的專利文獻公開了這種系統(tǒng)，并且美國專 利號5，777，544、授權日期為1998年7月7日的專利文獻公開了與窄帶信令組合的擴展頻 譜。擴展頻譜信號的編碼和解碼比窄帶處理更加復雜，而更加復雜意味著相對更高的成本。不管在物理介質上使用哪種信號傳輸方法，包括多個設備的系統(tǒng)必須解決相互干 擾的問題。對于該問題的許多解決方案是通用的。在頻分多路復用(FDM)中，窄帶設備通過調整為可用頻譜中的不同波段來保持會 話。擴展頻譜系統(tǒng)可使用碼分多路復用(CDM)的不同擴頻序列，或者這些系統(tǒng)可使用不同 的跳頻圖案。使用這些方法，網(wǎng)絡中的每個設備必須明確知道如何與其它每個設備進行連 接。不可能立刻向所有設備發(fā)出廣播。對于所有設備共享同一通信信道并不復雜，但是很通用。在電力線上或在RF波段 中的窄帶通信的成本比頻率捷變方法的成本低。通常使用時分多路復用(TDM)或載波偵聽 多路訪問(CSMA)方法來管理設備干擾。TDM使得在介質上的每個設備僅在特定時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)?？梢砸远喾N方式來分配 時隙。IEEE 802. 5令牌環(huán)網(wǎng)絡通過傳送稱為令牌的特定包來動態(tài)地向期望發(fā)送的設備 分配時隙。設備可以僅在其擁有令牌時進行發(fā)送。在完成傳輸之后，該設備將令牌釋放 給下一設備。這禾中網(wǎng)絡的更完整描述Rl http //www, pulsewan. com/datalOl/token ring basics, htm。受讓給路創(chuàng)電子公司(Lutron Electronics Company)的美國專利號5，838，226、 5，848，054,5, 905，442和6，687，487的專利文獻公開了一種包括主設備、從設備和中繼器 的燈光控制系統(tǒng)，其中所述主設備、從設備和中繼器通過RF進行通信并且也可以在電力線 上進行通信。具體地，可以在系統(tǒng)中安裝多個RF中繼設備，以提高信號可靠性。為了避免中繼 器彼此之間干擾的問題，路創(chuàng)公司專利需要安裝者設置一個中繼器作為主中繼器，而其它 中繼器作為第二、第三和以后的中繼器。這種指定對應于為每一中繼器進行嚴格的時隙分 配，從而僅允許給定的中繼器在其各自的預分配的時隙期間進行發(fā)送。此外，在該系統(tǒng)中的 多個從設備可以將它們的狀態(tài)發(fā)送回主控制器。這些從設備還可以在每一設備的安裝過程 期間使用所建立的時隙。CSMA網(wǎng)絡基于先聽后說規(guī)則。說話方將消息分成短包。然后，說話方在發(fā)送包之 前安靜地偵聽介質。即使這樣，也能夠發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，因此通常采用CSMA-CD-CR(碰撞檢 測，碰撞解決)方法。碰撞檢測可包括使用由包被訪地址發(fā)送的專用肯定/否定(ACK/NAK) 包進行的閉環(huán)通信。碰撞解決可包括在隨機延遲之后的發(fā)送重試。TDM和CSMA兩個系統(tǒng)的目的在于在任一給定時間僅允許一個設備使用可用通信 信道。因此，信道上的信號強度取決于當前正在發(fā)送單個設備。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的在于利用電力線、射頻波段或上述兩者以使簡單、低成本的設 備能夠網(wǎng)絡連接在一起。這些設備是對等的，意味著在不需要主控制器的情況下，任一設備 可根據(jù)簡單的協(xié)議發(fā)送、接收或中繼其它消息。該協(xié)議支持單一介質上的多個設備，因為添加更多設備使得多個設備之間的通信更強健和可靠。在電力線上，根據(jù)本發(fā)明的多個設備 不僅彼此兼容，而且還提高了現(xiàn)有Xio設備的性能。本發(fā)明提供了一種通信模塊，其用于包括多個所述通信模塊的系統(tǒng)，所述通信模 塊包括用于存儲數(shù)字的電路，該數(shù)字表示模塊地址，其指定所述通信模塊的地址；用于在 至少一個通信介質上發(fā)送和接收消息的電路；用于產生消息、接收消息以及解譯消息的電 路和軟件；每一所述消息包括第一數(shù)字字段，表示發(fā)生器地址，其指定產生該消息的模塊 的模塊地址；第二數(shù)字字段，表示接收方地址，其指定期望的接收模塊的模塊地址；第三數(shù) 字字段，表示消息標記，其指定消息的類型；第四數(shù)字字段，表示最大重發(fā)計數(shù)，其指定該消 息可被重發(fā)的最大次數(shù)；第五數(shù)字字段，表示當前重發(fā)計數(shù)，其指定該消息已經被重發(fā)多少 次；第六數(shù)字字段，表示命令字段，其指定一種操作；以及第七數(shù)字字段，表示消息的有效 驗證，其指定消息完整性的有效驗證；通過檢查所述消息標記和通過將所述接收方地址與 所述通信模塊的地址進行比較，以確定所接收的消息是否已經到達所有期望的接收方的電 路和軟件；通過將所述最大重發(fā)計數(shù)與所述當前重發(fā)計數(shù)進行比較，以確定所接收的消息 已經被重發(fā)的次數(shù)是否為對應于該消息的最大次數(shù)的電路和軟件；以及僅在所述接收的消 息未到達所有期望的接收方，并且重發(fā)次數(shù)未達到最大次數(shù)的情況下，通過將當前重發(fā)計 數(shù)改變1來重發(fā)所接收的消息的電路和軟件。本發(fā)明提供了一種在多個通信模塊中發(fā)送和接收包含數(shù)字信息的消息的方法，該 方法包括以下步驟對每一模塊提供表示模塊地址的一地址；對每一消息提供第一數(shù)字字 段，其表示發(fā)生器地址，用以指定產生該消息的模塊的模塊地址；對每一消息提供第二數(shù)字 字段，其表示接收方地址，用以指定期望的接收模塊的模塊地址；對每一消息提供第三數(shù)字 字段，其表示消息標記，用以指定消息的類型；對每一消息提供第四數(shù)字字段，其表示最大 重發(fā)計數(shù)，用以指定所述消息可被重發(fā)的最大次數(shù)；對每一消息提供第五數(shù)字字段，其表示 當前重發(fā)計數(shù)，用以指定所述消息已經被重發(fā)多少次；對每一消息提供第六數(shù)字字段，其表 示命令字段，用以指定一種操作；對每一消息提供第七數(shù)字字段，表示消息有效驗證，用以 指定消息完整性的有效驗證；通過檢查所述消息標記和通過將所述接收方地址與所述通信 模塊的地址進行比較，以確定所接收的消息是否已經到達所有期望的接收方；通過將所述 最大重發(fā)計數(shù)與所述當前重發(fā)計數(shù)進行比較，以確定所接收的消息是否已被重發(fā)了對應于 該消息的最大次數(shù)；以及僅在所述接收的消息沒有到達所有期望的接收方，并且重發(fā)次數(shù) 未達到最大次數(shù)的情況下，通過將所述當前重發(fā)計數(shù)改變1來重發(fā)所接收的消息。本發(fā)明提供了一種通信模塊，其用于包括多個所述通信模塊的系統(tǒng)，所述通信模 塊包括在電源電力線上發(fā)送和接收消息的電路；用于產生消息、接收消息以及解譯消息 的電路和軟件；每一所述消息包括多個信號包，其中每一所述信號包與該電源電力線上的 交流電的過零點同步，并且對于給定長度的消息，用于發(fā)送所述消息的所述過零點周期的 數(shù)目固定；用于在所述過零點周期的所述固定數(shù)目的整數(shù)倍開始重發(fā)所接收到的其中一條 所述消息的電路和軟件，其中所述過零點周期的所述固定數(shù)目的整數(shù)倍表示消息時隙；以 及在其它所述通信模塊發(fā)送相同消息的同時發(fā)送被重發(fā)的消息的電路和軟件。本發(fā)明提供了一種通信模塊，其用于包括多個所述通信模塊的系統(tǒng)，所述通信模 塊包括電路，所述電路使連接到電源電力線不同相位的至少一個所述通信模塊在該電源電 力線上以射頻發(fā)送和接收消息，使得在該電源電力線的一個相位上傳播的消息在利用所述
5射頻被中繼之后，在該電源電力線的另一個相位上傳播。本發(fā)明提供了一種通信模塊，其用于包括多個所述通信模塊的系統(tǒng)，所述通信模 塊包括用于存儲數(shù)字的電路，該數(shù)字表示模塊地址，其指定所述通信模塊的地址；用于在 至少一個通信介質上發(fā)送和接收消息的電路；用于產生消息、接收消息以及解譯消息的電 路和軟件；用于保存數(shù)據(jù)庫的電路和軟件，該數(shù)據(jù)庫包含組號與其它通信模塊的多個所述 模塊地址之間的組成員關聯(lián)關系；發(fā)送表示組廣播消息的消息至多個通信模塊的電路和軟 件；以及伴隨所述組廣播消息的發(fā)送，發(fā)送表示組清除消息的多個消息至所述多個通信模 塊中的每一通信模塊的電路和軟件。


圖1為如何使用電力線、RF信號傳輸或兩者將根據(jù)本發(fā)明的設備(已知為 Insteon 設備)網(wǎng)絡連接的框圖。圖2示出在網(wǎng)絡中如何使用多個電力線、RF和混合設備，以及使用RF如何實現(xiàn)電 力線相位橋接。圖3示出如何將Insteon 設備用作主設備、從設備或上述兩者的框圖。
圖4示出用于在電力線上發(fā)送的Insteon 消息的包結構。圖5示出使用RF發(fā)送的Insteon 消息的結構。圖6示出在Insteon 標準消息中包含的10字節(jié)數(shù)據(jù)。圖7示出在Insteon 擴展消息中包含的24字節(jié)數(shù)據(jù)。圖8示出在消息標記字節(jié)中的比特含義。圖9示出Insteon 設備如何重發(fā)消息。圖10示出Insteon 設備如何接收消息的流程圖。圖11示出如何將消息發(fā)送至多組Insteon 設備的流程圖。圖12示出Insteon 設備如何重復發(fā)送引導消息的流程圖。圖13示出所有類型的Insteon 消息。圖 14 示出 BPSK Insteon 信號。圖15示出平滑轉換的BPSK Insteon 信號。圖16示出如何將Insteon 和XlO信號傳輸應用于電力線。圖17示出如何將標準消息包應用于電力線。圖18示出如何將長消息包應用于電力線。圖19給出Insteon RF信號傳輸?shù)囊?guī)范。圖20示出Insteon 消息如何被發(fā)送、重發(fā)和應答。圖21示出Insteon 引擎如何發(fā)送和接收消息的框圖。圖22示出Insteon 引擎如何在電力線上發(fā)送消息的框圖。圖23示出Insteon 引擎如何從電力線接收消息的框圖。圖24示出Insteon RF子板如何與Insteon 母板進行通信的流程圖。圖25示出Insteon RF子板如何經由RF發(fā)送消息的流程圖。圖26示出Insteon RF子板如何經由RF接收消息的流程圖。圖27為具有可選子板的Insteon 主板的框圖。
圖28為具有RF子板的Insteon 主板的框圖。
圖29為具有USB子板的Insteon 主板的框圖。
圖30為具有RS232子板的Insteon 主板的框圖。
圖31為具有以太網(wǎng)子板的Insteon 主板的框圖。
圖32示出連線接入的Insteon 壁開關。
圖33示出連線接入的Insteon 鍵區(qū)控制器。
圖34示出插入式Insteon 燈調節(jié)器、設備控制器和通信接口設備。
圖35示出具有RF通信的插入式Insteon 燈調節(jié)器。
圖36示出桌面式或壁式Insteon 按鈕控制器。
圖37示出開蓋的具有鉸接按鈕的Insteon 按鈕控制器。
圖38示出桌面式或壁式Insteon 觸摸屏控制器。
圖39為根據(jù)Insteon 使用會話的實例的某種假設來發(fā)送的特定Insteon的布局。
具體實施例方式介紹現(xiàn)在參照附圖，圖1示出根據(jù)本發(fā)明教導所構造的控制設備和通信設備的網(wǎng)絡， 以下稱為Insteon 設備，INSTE0N 為申請人的受讓人的商標。在北美的建筑和家庭通常 分配的電源為兩相220伏交流電(220VAC)。在建筑的主接線箱，三線220VAC電力線被分成 兩個兩線110VAC電力線，已知為相Kphase 1)和相2。在圖1中，相1標記為10，相2標 記為11。一般地，相1的布線用于建筑中一半的電路，而相2的布線用于另一半。以下將根據(jù)本發(fā)明的設備指定為Insteon 設備。示出Insteon 設備20、21、22 和23連接至電力線相10和11。Insteon 設備使用Insteon 電力線協(xié)議30通過電力線 彼此進行通信，以下將詳細介紹。還示出與電力線連接的XlO設備51和52。XlO設備使用XlO協(xié)議50通過電力線 進行通信。Insteon 電力線協(xié)議30兼容XlO協(xié)議50，這表示Insteon 設備可以使用XlO 協(xié)議50對XlO設備進行聽說。然而，XlO設備對Insteon 電力線30卻沒有反應。Insteon 設備可選擇性包括RF通信裝置，如同具有Insteon 設備20和21的 情況。Insteon RF設備可以使用Insteon RF協(xié)議60與其它Insteon RF設備進行通 信?？墒褂肐nsteon 電力線協(xié)議30和Insteon RF協(xié)議60的Insteon 設備解決了僅 通過電力線進行通信的設備所產生的主要問題。由于在相對的電力線相10和11上沒有用 于傳輸?shù)亩ㄏ螂娐愤B接，所以它們的電力線信號嚴重減弱。對于該問題的傳統(tǒng)解決方案是 在電力線相之間連接一種相間耦合設備，所述相間耦合設備通過硬連線連接在接線箱中或 者將其插入220VAC插座。在本發(fā)明中，只要這種設備連接在相對電力線相上時，就使用支 持Insteon 電力線協(xié)議30和Insteon RF協(xié)議60的Insteon 設備自動解決電力線相間 耦合問題。如圖1所示，Insteon 設備20不僅可以經由電力線與標記為10的電力線相1 上的所有設備進行通信，也可以經由電力線與標記為11的電力線相2上的所有設備進行通 信，因為Insteon 設備20可以經由Insteon RF協(xié)議60與Insteon 設備21進行通信， 而所述Insteon 設備21又直接連接至標記為11的電力線相2。
當適當?shù)匕惭b有附加的專用通信裝置(例如RS232、USB或以太網(wǎng))時，Insteon 設備還可以與計算機以及其它數(shù)字設備接口。如圖所示，Insteon 設備20可以使用串口 鏈接70與PC 71進行通信。串口通信70是這樣一種裝置，S卩，使得Insteon 設備20的網(wǎng) 絡可以橋接至在建筑中的其它不兼容設備的網(wǎng)絡，連接至計算機并且用作局域網(wǎng)(LAN)的 節(jié)點或者登陸全局網(wǎng)。結合向Insteon 設備下載新軟件的功能，這種連接使得Insteon 設備的網(wǎng)絡執(zhí)行非常復雜的新功能，包括在生產或安裝時沒有預想的功能。圖2示出多個Insteon 設備如何形成可靠的通信網(wǎng)絡，其中每個Insteon 設備 能夠中繼Insteon 消息。在附圖中，已知為Insteon 設備的設備110和111支持Insteon 電力線通信和Insteon RF通信。設備120、121、122和123僅支持Insteon RF通信。剩 余設備31、32、33、34、40、41、42以及43僅支持Insteon 電力線通信。每個Insteon 設備能夠使用根據(jù)本發(fā)明的Insteon 協(xié)議來中繼Insteon 消息， 以下將詳細描述。添加更多的設備增加了傳輸消息的可用路徑的數(shù)量。路徑多樣性導致消 息到達其期望目的地的可能性更高，因此在網(wǎng)絡中的Insteon 設備越多越好。作為實例，假設RF設備120期望發(fā)送消息至RF設備123，但是RF設備123超出RF 設備120的范圍。然而，由于在RF設備120中的設備(即設備110和121)接收該消息并 將其中繼至它們自己范圍內的其它設備，所以該消息仍然能夠到達。在該附圖中，設備110 可到達設備121、111和122，并且設備111和121可以處在指定接收方(即設備123)的范 圍內。因此，存在多條消息傳輸?shù)穆窂?，例如設備120至121至123 (2次跳躍)、設備120 至110至111至123 (3次跳躍)、設備120至110至121至111至123 (4次跳躍)。應清楚的是，除非存在某種機制來限制消息所采用到達其最終目的地的跳躍次 數(shù)，否則這些消息在網(wǎng)絡中可以以一系列嵌套式的重復循環(huán)的方式不斷傳播。通過中繼消 息而產生的網(wǎng)絡飽和稱為“數(shù)據(jù)風暴”。Insteon 協(xié)議通過將每個消息可以采用的最大跳 躍次數(shù)限制到某一較小次數(shù)來避免該問題，例如4次。圖2還示出在電力線上的路徑多樣性如何具有相似的有益效果。例如，如圖所示， 由于信號衰減問題或者由于通過電子布線的直接路徑不存在，所以電力線設備40不能與 設備43直接進行通信。但是，可以通過采用以下路徑，即設備40至111至43(2次跳躍)、 或路徑40至41至111至43 (3次跳躍)、或路徑40至41至42至43 (4次跳躍)使來自設 備40的消息到達設備43。最后，圖2示出這些消息如何在建筑布線的不同相上安裝的電力線設備之間進行 傳輸。為了實現(xiàn)相橋接，在每一電力線相上安裝至少一個Insteon 混合電力線/RF設備。 在該附圖中，在相A上安裝SignaLinc 設備110，在相B上安裝SignaLinc 設備111。在 設備110至111 (1次跳躍)之間的直接RF路徑或使用110、121和111或110、122和111 (2 次跳躍)的間接路徑使這些消息在電力線相之間進行傳播。所有的Insteon 設備是對等的，表示任一設備可用作主設備(發(fā)送消息)、從設備 (接收消息)或中繼器(中繼消息)。在圖3中示出這種關系，即用作主設備的Insteon 設備210發(fā)送消息至用作從設備220、221和222的多個Insteon 設備。用作主設備230、 231和232的多個Insteon 設備也可以發(fā)送消息至用作從設備221的單個Insteon 設備。 任一 Insteon 設備都可以通過既用作主設備又用作從設備來中繼消息，例如SwitchLinc 設備250，其中所述SwitchLinc 設備250被示出將來自用作主設備的ControLinc 設備
8240的消息中繼至用作從設備的LampLinc 設備260。Insteon11^fig多個Insteon 設備通過發(fā)送消息而彼此進行通信。通過電力線發(fā)送的消息被分 成多個包，每一發(fā)送的包與電力線電壓的過零點關聯(lián)。如圖4所示，有兩種類型的Insteon 消息，即標準消息310和擴展消息320。標準消息包括5個包，而擴展消息包括11個包。每一 包包含24比特信息，但是可以以兩種不同的方式解釋該信息。標準包330出現(xiàn)在Insteon 消息中的第一包，如在標準消息310和擴展消息320中的符號331所示。在消息中剩余的 包為長包340，如在標準消息310和擴展消息320中的符號341所示。電力線包開始為一系列的同步比特。在標準包330中有8個同步比特332，而在長 包340中有2個同步比特342。在同步比特之后是4個起始碼比特，如在標準包330中的 333和在長包340中的343所示。在包中剩余的比特為數(shù)據(jù)比特。在標準包330中有12個 數(shù)據(jù)比特334，而在長包340中有18個數(shù)據(jù)比特344。標準消息310中的數(shù)據(jù)比特總數(shù)為12+(4X 18)，即等于84，或10〗/2字節(jié)。在標準
消息中的最后4個數(shù)據(jù)比特被忽略，所以可用數(shù)據(jù)為10字節(jié)。在擴展消息320中的數(shù)據(jù)比 特總數(shù)為12+(10 X 18)，即等于192，或24字節(jié)。圖5示出使用RF發(fā)送的Insteon 消息內容。由于Insteon RF的消息傳輸比電 力線的消息傳輸快的多，所以不需要將RF消息分成更小的包。RF標準消息示出為410，RF 擴展消息示出為420。在這兩種情況下，消息開始為2個同步字節(jié)411或421，隨后是一個 起始碼字節(jié)412或422。RF標準消息410包含10個數(shù)據(jù)字節(jié)(80比特)413，而RF擴展消 息420包含24個數(shù)據(jù)字節(jié)(192比特)423。在圖6中給出標準消息的有效數(shù)據(jù)字節(jié)的含義，并且在圖7中給出擴展消息的有 效數(shù)據(jù)字節(jié)的含義。比較這兩個附圖，其不同僅在于圖7中的擴展消息包含14個用戶數(shù)據(jù) 字節(jié)550，而圖6的標準消息中則不包含。這兩種類型消息的剩余信息字段是相同的，并且 在這兩個附圖中編號均相同，所以以下的說明對于圖6和圖7都是有效的。首先發(fā)送Insteon 消息字節(jié)中的最高有效字節(jié)，并且首先發(fā)送比特中最高有效 比特。Insteon 消息中的第一字段為“源地址510”，是24比特(3字節(jié))數(shù)字，其唯一 標識產生發(fā)送消息的Insteon 設備。由3字節(jié)數(shù)字標識的Insteon 設備有16，777，216 種可能。該數(shù)字可被用作ID碼，或等同地用作Insteon 設備的地址。在制造期間，唯一的 ID碼被存儲在每一設備的非易失性存儲器中。Insteon 消息中的第二字段為“目的地址520”，也是24比特(3字節(jié))數(shù)字。大 部分Insteon 消息是“引導”或“點對點(P2P) ”類型，而期望的接收方是另一單個的和唯 一的Insteon 設備。第三字段為“消息標記字節(jié)530”，其用以確定Insteon 消息的類型。 如果該消息確實是“引導”類型，則“目的地址520”包含期望接收方的3字節(jié)唯一 ID碼。然 而，Insteon 消息也可以作為“廣播”消息被發(fā)送給其范圍內的所有接收方，或者作為“組 廣播”消息被發(fā)送給其設備組的所有成員。在廣播消息的情況下，“目的地址520”包含“設 備類型”字節(jié)、“設備子類型”字節(jié)和“固件版本”字節(jié)。對于組廣播消息，“目的地址520” 包含組號。組號的范圍從0至255，由一個字節(jié)給出，因而該3字節(jié)字段的兩個最高有效字 節(jié)為0。
9
Insteon 消息中的第三字段，即“消息標記類型530”不僅表示消息類型，而且還 包含與該消息相關的其它信息。3個最高有效比特，即廣播/NAK標記532(第7比特)、組 標記533 (第6比特)以及ACK標記534 (第5比特)一起表示消息類型531。以下將更詳 細地說明消息類型。如果該消息為擴展消息，即其包含14個用戶數(shù)據(jù)字節(jié)，則將第4比特 (即擴展標記535)設置為1，或者如果該消息為不包含用戶數(shù)據(jù)的標準消息，則將其設置為 0。低效半位元組包含兩個2比特字段，即“剩余跳數(shù)536 (第3比特和第2比特)，，和“最 大跳數(shù)537(第1比特和第0比特)”。如以下說明，這兩個字段控制消息重發(fā)。Insteon 消息中的第四字段為“2字節(jié)命令540”，由命令1的541和命令2的542 構成。如以下詳細說明，該字段的使用取決于消息類型。只有在該消息為擴展消息的情況下使擴展標記535設置為1，則其包含14個字節(jié) 的用戶數(shù)據(jù)字段550，如圖7所示。用戶數(shù)據(jù)可以被任意定義。如果需要發(fā)送多于14字節(jié) 的用戶數(shù)據(jù)，則必須發(fā)送多個Insteon 擴展消息。用戶可以對于它們的數(shù)據(jù)定義包方法， 從而接收設備能夠可靠地對長消息進行重組。對用戶數(shù)據(jù)的加密可以向敏感的應用提供秘 密安全的通信(例如安全系統(tǒng))。Insteon 消息中的最后字段為1字節(jié)CRC，或循環(huán)冗余校驗560。Insteon 發(fā)送 設備對于消息中從“源地址510”開始的所有字節(jié)計算CRC。計算CRC的方法在現(xiàn)有技術中 已知。Insteon 使用通過軟件實現(xiàn)的在兩個最高有效比特具有標簽的7比特線性反饋移位 寄存器。對于標準消息，CRC占用9個字節(jié)，對于擴展消息則占用23個字節(jié)。Insteon 接 收設備在接收到消息時在同一消息字節(jié)上計算其自身的CRC。如果該消息被破壞，則接收方 的CRC與發(fā)送的CRC不匹配。消息完整性的檢測需要高可靠的、經驗證的通信。以下公開 基于該檢測方法的Insteon ACK/NAK(肯定、否定)閉環(huán)消息傳輸協(xié)議。圖8列舉圖6和圖7的消息標記字節(jié)530中比特字段的含義。廣播/NAK標記 611(第7比特)、組標記612(第6比特)以及ACK標記613(第5比特)共同表示8種可 能的消息類型610。為了充分理解各種消息類型，認為有4類Insteon 消息，包括廣播消息、組廣播 消息、引導消息和應答消息。廣播消息包含不具有特定目的地的通用信息。這些廣播消息定向到其范圍內的設 備群。廣播消息不被應答。組廣播消息被引導至先前與發(fā)送器鏈接的一組設備。組廣播消息不被直接應答。 它們的存在僅是用于對多個設備所期望的命令的響應進行加速的手段。在發(fā)送組廣播消息 至一組設備之后，發(fā)送器隨后分別發(fā)送引導“組清除(Group-cleanup) ”消息至該組中的每 一成員，并等待從每一設備返回的應答。引導消息(還稱為點對點(P2P)消息)用于單個特定接收方。接收方通過返回應 答消息來響應該引導消息。應答消息(ACK或NACK)是響應于引導消息的從接收方至發(fā)送方的消息。沒有用 于廣播或組廣播消息的應答。ACK或NAK消息可包含來自應答設備的狀態(tài)信息。再參照圖8，應注意的是只要該消息是廣播消息或組廣播消息，就設置廣播/NAK 標記611。在上述兩種情況下，應答標記613將被清空。如果設置了應答標記613，則該消 息為應答消息。在該情況下，在應答消息為NAK時，將設置廣播/NAK標記611，以及在應答
10消息為ACK時，廣播/NAK標記611被清空。將設置組標記612，以表示該消息是組廣播消息還是部分組清除會話。對于普通廣 播消息和引導會話，則將該標記清空?，F(xiàn)在，所有8個消息類型610可以列舉如下，其中以第7比特、第6比特、第5比特 的順序給出3個比特字段。廣播消息為消息類型100。引導(P2P)消息為000。引導消息 的ACK為001，引導消息的NAK為101。組廣播消息為110。伴隨組廣播發(fā)送一系列組清除 引導消息010至該組中的每一成員。組清除引導消息的每一接收方將返回具有組清除ACK 011或組清除NAKlll的應答。在圖8中的第4比特(即621)為擴展消息標記620。如上所述，對于包含14字節(jié) 用戶數(shù)據(jù)字段的24字節(jié)擴展消息設置該標記，并且對于不包含用戶數(shù)據(jù)的10字節(jié)標準消 息,該標記被清空。在圖8中的剩余兩個字段(即最大跳數(shù)640和剩余跳數(shù)630)管理消息重發(fā)。如上 所述，所有的Insteon 設備能夠通過接收和重發(fā)這些消息來對這些消息進行中繼。在沒有 機制用以限制可重發(fā)消息次數(shù)的情況下，無休止地中繼消息而導致不能控制的“數(shù)據(jù)風暴” 會使網(wǎng)絡飽和。為了解決該問題，產生這樣的Insteon 消息，即其2比特最大跳數(shù)字段640 設置為值0、1、2或3，而2比特剩余跳數(shù)字段630設置為相同的值。最大跳數(shù)值0通知其范 圍內的其它設備不重發(fā)該消息。更大的最大跳數(shù)值通知接收到該消息的設備根據(jù)剩余跳數(shù) 字段630來重發(fā)該消息。如果剩余跳數(shù)值為1或更大的值，則接收設備將剩余跳數(shù)值減1， 然后使用新的剩余跳數(shù)值來重發(fā)該消息。接收到消息的其剩余跳數(shù)值為0的設備將不重發(fā) 該消息。此外，無論剩余跳數(shù)值是什么，作為消息的期望接收方的設備將不再重發(fā)該消息。應注意的是，標識符“最大跳數(shù)”實際指的是允許的最大重發(fā)次數(shù)。所有的 Insteon 消息最少“跳躍”一次，所以最大跳數(shù)字段640中的值比消息實際從一個設備跳躍 至另一設備的次數(shù)小1。由于該字段中的最大值為3，所以實際上有4次跳躍，包括初始發(fā) 送和3次重發(fā)。4次跳躍可跨越5個設備鏈。在圖9中示意性示出該情況。圖10中的流程圖示出Insteon 設備如何接收消息以及如何確定是重發(fā)消息還是 處理消息。在步驟710中，Insteon 設備接收到消息，在步驟715中，確定是否需要處理該 消息。如果該設備為被訪問地址，則設備需要處理引導消息；如果該設備為組的成員，則設 備需要處理組廣播消息，以及處理所有廣播消息。如果需要處理該消息時，則該設備在步驟 740中進行處理，然后，如果在步驟745中，發(fā)現(xiàn)該消息為引導消息或引導組清除消息，則在 步驟750，該設備發(fā)送應答消息至消息發(fā)送器，并在步驟755結束任務。如果在步驟745中 發(fā)現(xiàn)該消息為廣播消息或組廣播消息，則在步驟720繼續(xù)處理，以確定該消息是否應被重 發(fā)。在步驟720，檢測消息標記字節(jié)的最大跳數(shù)比特字段。如果最大跳數(shù)值為0，則在步驟 755完成處理，否則在步驟725檢測剩余跳數(shù)比特字段。如果有0個剩余跳數(shù)，則在步驟755 完成處理，否則在步驟730，該設備使剩余跳數(shù)值減1，并在步驟735重發(fā)該消息。在圖11中的流程圖示出Insteon 設備如何發(fā)送消息至組中的多個接收設備。在 先前的注冊處理之后，在設備的數(shù)據(jù)庫中存儲組成員關系。在步驟810中，該設備首先發(fā)送 對應于給定組的所有成員所需的組廣播消息。將該消息標記字節(jié)中的消息類型字段設置 為110，以表示組廣播消息，以及將目的地址字段設置為組號，其范圍為從0至255。在組廣 播消息之后，該發(fā)送設備分別發(fā)送引導組清除消息至其數(shù)據(jù)庫中的組的每一成員。在步驟815，該設備首先設置該消息的目的地址為該組的第一成員的地址，然后在步驟820，其發(fā)送 引導組清除消息至該受訪地址。如果在步驟825確定已經將組清除消息發(fā)送至該組的每一 成員，則在步驟835完成發(fā)送。否則，該設備設置該消息的目的地址為該組的下一成員地 址，并在步驟820發(fā)送下一組清除消息至該受訪地址。圖12中的流程圖示出在未從受訪地址接收到期望ACK的情況下如何對引導消息 進行多次重發(fā)。從步驟910開始，在步驟915，設備發(fā)送引導消息或引導組清除消息至受訪 地址。在步驟920，該設備等待來自受訪地址的應答消息。以下給出該步驟的精確時間。如 果在步驟925接收到應答消息并且其包含具有期望狀態(tài)的ACK，則在步驟945完成處理。如 果在步驟925未接收到應答消息，或者不滿足狀態(tài)的條件，則在步驟930檢測重發(fā)計數(shù)。如 果已經嘗試了最大重發(fā)次數(shù)，則在步驟945處理完成。Insteon 設備的缺省最大重發(fā)次數(shù) 為5。如果在步驟930已經嘗試的重發(fā)次數(shù)小于5次，則在步驟935，該設備將其重發(fā)計數(shù) 加1。在步驟940，該設備還增加消息標記字節(jié)中的最大跳數(shù)字段至最大3次，以嘗試通過 由更多設備重發(fā)更多次數(shù)來實現(xiàn)對該消息發(fā)送的更大范圍。在步驟915再次發(fā)送消息。圖13列舉出每種類型Insteon 消息中的所有字段。標準消息1050列舉為線1051 至1058，擴展消息列舉為線1061至1068。該圖清楚示出標準消息和擴展消息之間的區(qū)別 僅在于對應于標準消息清空擴展標記1021，而對應于擴展消息設置擴展標記1021，并且擴 展消息具有14字節(jié)用戶數(shù)據(jù)字段1070。如上說明源地址1010、目的地址1015、消息標記 1020、CRC 1040 以及 CRC1045。命令1字段1030和命令2字段1035包含用于Insteon 消息1051至1058或1061 至1068的8個字節(jié)中每一字節(jié)的不同信息。在廣播消息1051或1061的情況下，兩個字段 共包含從65，536個可能的命令中選擇的適合于立刻發(fā)送至所有設備的2字節(jié)命令。例如， 廣播命令可指導所有設備以進入系統(tǒng)安裝模式。每一接收設備包含能夠執(zhí)行的廣播命令數(shù) 據(jù)庫。在點對點(引導)消息1056或1066的情況下，兩個命令字段1030和1035共包 括從65，536個可能的命令中選擇的適合于立刻發(fā)送至一個設備的2字節(jié)命令。例如，引導 命令可通知LampLinc 燈控制設備打開插入其中的燈。每一接收設備包含能夠執(zhí)行的廣播 命令數(shù)據(jù)庫?？紤]到最大系統(tǒng)可靠性的作用，Insteon 協(xié)議需要對引導消息進行應答。接收設 備可發(fā)出成功通信和完成任務的應答，即如線1057或1067所示的ACK。否則，接收設備可 發(fā)出如線1058或1068的NAK，用以表示某種類型失敗。如果接收設備發(fā)送回ACK或NAK至 初始設備失敗，則如圖12所示發(fā)送設備可重發(fā)該消息。為了用ACK或NAK響應，接收設備在其接收到的消息中交換源地址1010和目的地 址1015，并對于ACK設置消息類型比特為001，或者對于NAK設置消息類型比特為101。根 據(jù)在命令字段1030和1035中接收到的命令，接收設備包括用于ACK的2字節(jié)狀態(tài)響應碼 或用于NAK的2字節(jié)原因碼，其插入至命令字段1030和1035中。根據(jù)在設備軟件中編碼 的一組規(guī)則產生這些響應碼。例如，如果燈調光器接收用以將燈設置為某一亮度的命令，該 命令是以命令1字段1030中的設置亮度碼以及命令2字段1035中256個值的其中一個期 望亮度等級發(fā)出，該調光器用包含在命令字段1030和1035中的兩個相同字節(jié)的ACK消息 來響應，以表示成功執(zhí)行該命令。
12
剩余的Insteon 消息類型用于處理多組設備。組廣播消息用于性能的提高。盡 管事實為可向一組設備的所有成員發(fā)送具有相同命令(例如用于開啟)的各引導消息，但 是對于所有按順序待被發(fā)送的消息需要花費明顯大量時間。該組的成員不同時執(zhí)行所有命 令，而是按接收順序執(zhí)行。Insteon 通過首先發(fā)送組廣播消息來解決該問題，然后在該消 息之后發(fā)送多個引導(組清除)消息。在圖13的線1052和1062中示出的組廣播消息在目的地址字段1015中包含組 號，并且在命令字段1030和1035中包含組命令。在隨后的引導組清除消息期間，將在命令 1字段1030中發(fā)送組命令，以及在命令2字段1035中發(fā)送組號。它們都是1字節(jié)字段，所 以僅存在256個組命令以及僅存在256個組號。假設在多個設備的快速和同步響應是個問 題而僅需使用組廣播的情況下，這是一種合理的限制。在任一情況下，通過使用擴展消息以 及在用戶數(shù)據(jù)字段中嵌入附加命令或組成員關系標準來克服這種數(shù)字的限制。組廣播消息的接收方根據(jù)在數(shù)據(jù)庫中記錄的它們自己的組成員關系檢查在目的 字段1015中的組號。在先前組注冊處理期間優(yōu)選地在非易失性存儲器中建立該數(shù)據(jù)庫。如 果接收方為對其廣播的組成員，則其執(zhí)行在命令1字段1030中的命令。由于組命令僅占用 1個字節(jié)，所以在字段1035中的其它字節(jié)可以為參數(shù)或子命令。然后，組廣播命令接收方可期望分別尋址的引導組清除消息。如果接收方已經執(zhí) 行了字段1030中的組命令，則不會第二次執(zhí)行該命令。然而，如果接收方由于任何原因錯 過組廣播命令，則其將不執(zhí)行，所以其在接收到引導組清除消息之后執(zhí)行該命令。在接收到引導組清除消息和執(zhí)行組命令之后，接收方設備將通過組清除ACK消息 來響應，或者如果出現(xiàn)錯誤，則通過組清除NAK消息來響應。在兩種情況下，命令1字段1030 將包含在引導組清除消息期間接收的相同的1個字節(jié)組命令。在ACK情況下，在命令2字 段1035中的其它字節(jié)將包含1字節(jié)ACK狀態(tài)碼，或者在NAK的情況下，將包含1字節(jié)的NAK 原因碼。所述1字節(jié)碼可以為在引導ACK消息和引導NAK消息中使用的對應的2字節(jié)碼的 子集。Insteon 信號傳輸Insteon 設備通過向電力線電壓添加信號而在電力線上進行通信。在美國，電力 線電壓為60Hz、均方根為110伏特的交流電。這些值將用在隨后的公開中，盡管所屬領域的 普通技術人員能夠為其它電力線標準而調整該結果。Insteon 電力線信號使用131. 65KHz的載波頻率，在5歐姆負載的情況下具有 峰-峰值為4. 64伏特的額定振幅。實際上，電力線的阻抗根據(jù)電力線的結構和插入其中的 設備而有很大的變化，所以測量的Insteon 電力線信號可以從次毫伏變化到大于5伏特。在存在噪聲的情況下，使用為提高可靠性能而選擇的二進制相移鍵控或BPSK將 Insteon 數(shù)據(jù)調制成131. 65KHz載波。圖14示出具有交流BPSK比特調制的InSteonTM131. 65KHz電力線載波信號。對 于每一比特，Insteon 使用10個周期的載波。標記為1110的解譯為1的第1比特由正相 載波周期開始。標記為1120的解譯為0的第2比特由負向載波周期開始。標記為1130的 第3比特由正向載波周期開始，所以其被解譯為1。應注意的是，比特解譯的意義是隨意的。 即，只要解譯結果一致，1和0可以顛倒。僅在比特流從0改變至1或者從1改變至0時發(fā) 生相變。在1之后是另一個1或者在0之后是另一個0將不產生相變。這種類型的編碼已
13知為NRZ，或者不歸零碼。圖14示出在比特邊界1115和1125處的180度相位突變。這些相位突變將麻煩 的高頻分量引入信號頻譜。用相位鎖定檢測器跟蹤這種信號存在問題。為了解決該問題， Insteon 使用相位漸變，以減少不期望的頻率分量。圖15示出具有相位漸變移位的BPSK信號。發(fā)送器通過以131. 65KHz的1. 5倍的 頻率插入1. 5個周期的載波來引入相位改變。因此，在131. 65KHz的一個周期時間內，將出 現(xiàn)3個半周期的載波，由于奇數(shù)個半周期，所以在該期間結束時載波相位反轉。注意到在附 圖中的平滑過度1115和1125。如圖4中所示，所有的Insteon 電力線包包含24比特。由于一個比特利用10個 周期的131. 65KHz載波，所以在Insteon 包中具有240個周期的載波，意味著一個包持續(xù) 1.823毫秒。電力線環(huán)境以無法控制的噪聲而出名，尤其是由馬達、調光器以及便攜式熒光 燈產生的高振幅峰值。在電力線中的電流反相時(已知為電力線過零點時間)，噪聲最小。 因此，如圖16所示，在接近過零點時發(fā)送Insteon 包。Tt圖16示出具有兩個過零點1210和1215的一個電力線周期1205。在過零點 1210 示出 Insteon 包 1220，在過零點 1215 示出第二 Insteon 包 1225。Insteon 包從過 零點之前的800微秒開始，直至在過零點之后的1023微秒結束。圖16還示出如何將XlO信號施加至電力線。XlO為世界上已經采用的由許多設 備使用的信號傳輸方法。用XlO進行協(xié)同工作是Insteon 設備的主要特點。Insteon 設 備可接收XlO信號，發(fā)送XlO信號以及增強XlO信號。XlO信號使用在電力線過零點開始以 及在大約1000微秒結束的大約120個周期的120KHZ載波的突發(fā)信號。在突發(fā)信號之后沒 有突發(fā)信號表示比特1，以及在突發(fā)信號之后沒有突發(fā)信號表示比特0。在比特1后面的行 中，XlO消息以2個突發(fā)信號開始，隨后是9個數(shù)據(jù)比特。圖16示出在兩個過零點1210和 1215的兩個XlO突發(fā)信號1230和1235。應注意的是，XlO規(guī)范還要求兩個附加突發(fā)信號為半個電源信號周期路徑的三分 之一和三分之二。這些點對應于三相電源的其它兩相的過零點。Insteon 對于那些附加 的XlO突發(fā)信號不敏感，并且在發(fā)送XlO時不對其進行發(fā)送。示出具有添加了 XlO突發(fā)信號1260的Insteon 包1250的展開圖1240。XlO信 號1260起始于過零點1270，其位于在Insteon 包1250的開始之后800微秒。兩種信號 大約在同一時間結束，即在過零點之后的1023微秒。Insteon 設備通過接聽在過零點之前800微秒開始的Insteon 信號來實現(xiàn)與 Xio的兼容。以軟件實現(xiàn)的Insteon 接收器可以非常敏感，但是在能夠有效驗證正在接收 到真實的Insteon 包之前必須接收到該包的主要部分?？煽坑行炞C可在過零點之后的 450微秒處發(fā)生，盡管Insteon 設備仍然開始接聽剛好在過零點處可能的XlO突發(fā)信號。 如果在450微秒的標記處Insteon 接收器有效驗證其未接收Insteon 包，但是存在XlO 突發(fā)信號，則Insteon 接收器將切換至XlO模式，并且在接下來的11個電力線周期接聽完 整的XlO消息。如果Insteon 設備檢測到其正在接收Insteon 包，則其將保持Insteon 模式，并且不接聽X10，直至其接收到所述完整Insteon 消息的剩余部分?？蛇x地，雖然如果以軟件實現(xiàn)Insteon 接收器，XlO突發(fā)信號可在450微秒之后 被重發(fā)，但是Insteon 設備可通過重發(fā)XlO信號來增強XlO信號。由于XlO接收器使用較強信號實現(xiàn)更好，但是其對于精確信號定時相對敏感，所以雖然XlO重發(fā)突發(fā)信號較遲，但 是通過增強XlO信號可提高總體XlO性能。由于可使用具有二階鎖相環(huán)的專用集成電路(ASIC)來實現(xiàn)，所以使用足夠多的 信號檢測硬件實現(xiàn)的Insteon 設備可以在過零點之前的800微秒期間檢測是否存在有效 Insteon 包。為了能夠獨立并同時接聽X10，這種設備可以僅在較短的硬件XlO檢測器延 遲之后增強XlO突發(fā)信號。圖16還示出用于Insteon 的Insteon 的原始比特率比用于XlO的更快。 Insteon 比特1280需要10個周期的131. 65KHz載波，或75. 96微秒，而10X比特需要兩 個120KHz的120個周期的突發(fā)信號1285。一個XlO突發(fā)信號1285使用1000微秒，但是由 于每一 XlO突發(fā)信號在過零點處被發(fā)送，所以其使用16，667微秒來發(fā)送在一個比特中的2 個突發(fā)信號，導致每秒60比特的持續(xù)比特率。Insteon 包包括24個比特，并且可在每一 過零點期間發(fā)送Insteon 包，因此用于Insteon 的額定持續(xù)比特率為每秒2880比特，比 XlO快48倍。實際上，Insteon 在發(fā)送消息之后等待一個或兩個附加過零點，以允許Insteon RF設備可能重發(fā)消息的時間。圖17示出在電力線信號1305上正被發(fā)送的一系列5個包的 標準Insteon 消息1310。Insteon 在發(fā)送另一包之前、在每一標準包之后等待一個過零 點1320。圖18示出在電力線信號1305上正被發(fā)送的一系列11個包的標準Insteon 消 息1330。Insteon 在發(fā)送另一包之前、在每一擴展包之后等待兩個過零點1340。Insteon 標準消息包含120個原始數(shù)據(jù)比特，并需要6個過零點或50毫秒，以用 于發(fā)送。擴展消息包含264個原始數(shù)據(jù)比特，并需要13個過零點，或108. 33毫秒，以用于 發(fā)送。因此，對應于標準消息的Insteon 的實際原始比特率為每秒2400比特，或者對應于 擴展消息的Insteon 的實際原始比特率為2437比特每秒，而并非每秒2880比特，因而無 需等待額外的過零點。Insteon 標準消息包含9字節(jié)(72比特)的可用數(shù)據(jù)，不包括包同步字節(jié)和起始 碼字節(jié)，也不包括消息CRC字節(jié)。擴展消息包含使用相同標準的23字節(jié)(184比特)的可 用數(shù)據(jù)。因此，用于可用數(shù)據(jù)的比特率被進一步減少至對應于標準消息的每秒1440比特和 對應于擴展消息的每秒1698比特。如果在擴展消息中僅包含14字節(jié)(112比特)的用戶 數(shù)據(jù)，則用戶數(shù)據(jù)比特率為每秒1034比特。RF Insteon 設備可發(fā)送和接收在電力線上出現(xiàn)的相同消息。然而，與電力線消 息不同，由RF發(fā)送的消息不被分成在電力線過零點處發(fā)送的更小包，而是整個發(fā)送，如圖5 中所示。由于使用電力線，所以有兩種RF消息長度標準10字節(jié)消息和擴展24字節(jié)消息。圖19提供用于Insteon RF信號傳輸?shù)囊?guī)范。中心頻率位于波段902MHz至 924MHz，在美國其被允許用于未經許可的操作。每一比特被曼徹斯特編碼，表示每一比特發(fā) 送兩個符號。1符號其后是0符號表示比特1，0符號其后是1符號表示比特0。使用頻移 鍵控(FSK)將這些符號調制到載波上，其中0符號將載波調制為向下的半個FSK偏移頻率， 而1符號將載波調制為向上的半個FSK偏移頻率。為Insteon 而選擇的FSK偏移頻率為 64KHz。將符號以每秒38，400符號調制到載波上，導致其為原始數(shù)據(jù)速率的一半，或者每秒 19，200比特調制。自由空間接收的典型范圍為150英尺，其在存在墻壁和其它RF能量吸收 器的情況下降低。14/22 頁Insteon 設備首先發(fā)送最高有效比特的數(shù)據(jù)。參照圖5，RF消息起始為包括16進 制的AAAA的2個同步字節(jié)411或421，其后為16進制的C3的起始碼字節(jié)412或422。接 下來，在標準消息中為10個數(shù)據(jù)字節(jié)413，或者在擴展消息中為24個數(shù)據(jù)字節(jié)423。如上 所述，消息中的最后數(shù)據(jù)字節(jié)為關于數(shù)據(jù)字節(jié)的CRC。使用5. 417毫秒來發(fā)送104個比特的標準消息，并且使用11. 250毫秒來發(fā)送216 比特擴展消息。在電力線上每8. 333毫秒出現(xiàn)過零點，因此標準RF消息在一個電力線的半 周期期間可被發(fā)送，以及擴展RF消息在兩個電力線的半周期期間可被發(fā)送。如圖17和圖 18所示，如果存在，則在發(fā)送電力線消息之后的等待時間使Insteon RF設備有充足的時 間重發(fā)電力線消息。Insteon 消息重發(fā)為了提高可靠性，Insteon 消息傳輸協(xié)議包括消息重發(fā)，其為使其它Insteon 設 備幫助中繼消息以增加其范圍的方法。為了避免無休止重復的數(shù)據(jù)風暴，消息可重發(fā)最多 3次。然而，重發(fā)次數(shù)越多，將完成的消息越長。如圖20所示，當發(fā)送Insteon 消息時，存在特定模式的發(fā)送、重發(fā)和應答。根據(jù) 消息是標準消息還是擴展消息，該電力線上的Insteon 消息占有6個或13個過零點周期。 在以下說明中，該消息發(fā)送時間(6個或13個電力線半周期)被稱為時隙。在一個時隙中(例如1420)，Insteon 消息可被發(fā)送、重發(fā)或應答。對Insteon 消息進行通信的整個過程(可包括重發(fā)和應答)將在時隙的整數(shù)倍時發(fā)生。1401是最簡單的實例1，其示出沒有重發(fā)的廣播消息。T表示發(fā)送方產生并發(fā)送一 條消息。不存在所期望的接收方已經接收到消息的應答。該消息需要6個或13個電力線 過零點的一個時隙來完成。1402是實例2，其示出最大跳數(shù)為1的廣播消息。如上所述，結合圖9，最大跳數(shù)的 范圍可以從0至3。發(fā)送方發(fā)送由T表示的廣播消息。用作中繼器的另一 Insteon 設備 接聽到由L表示的該消息，，然后在由R表示的下一時隙對所述消息進行重發(fā)。使用消息可以最多三次重發(fā)。1403是實例3，其示出在初始的發(fā)送方和三個中繼 設備中消息的進程。實例3假設中繼器之間的范圍為僅相鄰中繼器可以彼此接聽到。此外， 僅中繼器1可接聽到發(fā)送方。應注意的是，發(fā)送方將不重發(fā)它自己的消息。當發(fā)送方發(fā)送引導(或點對點)消息時，它期望來自接收方的應答。1404為實例 4，其示出在最大跳數(shù)值為0時發(fā)生的過程。A表示接收方對接收到引導消息的應答的時隙。 C示出在發(fā)送方發(fā)現(xiàn)該消息被確認時的時隙。在將最大跳數(shù)設置為1時，如表示為1405的實例5中所示，傳播引導消息。中繼 器1將重發(fā)初始引導消息和來自接收方的應答。如表示為1406的實例6中所示的消息流，如果將最大跳數(shù)設置為1，則由于接收方 處于發(fā)送方的范圍內，所以不需要重發(fā)。在發(fā)送方和接收方行中的W表示等待。由于接收 方處于發(fā)送方范圍內，所以接收方立即接聽到發(fā)送方。然而，由于中繼設備能夠重發(fā)發(fā)送方 的消息，所以接收方在發(fā)送其應答之前必須等待一個時隙。盡管在不存在中繼器的情況下， 接收方將必須等待，但是在該實例中，示出的中繼器1必須進行該處理。僅當發(fā)送方所有可 能的重發(fā)消息完成時，接收方才可發(fā)送其應答。在其范圍內，發(fā)送方立即接聽到應答，但是 在發(fā)送方可發(fā)送另一消息之前其還必須等待，直至可能重發(fā)的應答完成。
16
表示為1407的實例7示出在最大跳數(shù)為3并且實際上該消息需要3次重發(fā)來到 達接收方時發(fā)生的過程。應注意的是，如果發(fā)送方或接收方接聽到其它消息早于所示的時 間，則在其可以發(fā)送其自身消息之前必須等待，直至在發(fā)出該消息之后所經過的最大跳數(shù) 時隙。如果設備不等待，則這些設備由于在相同時隙發(fā)送不同消息而在彼此之間造成堵塞。 設備可通過從最大跳數(shù)減去接收消息中的剩余跳數(shù)來計算在接收到消息之前已經經過多 少時隙。通過監(jiān)控Insteon 消息流量，根據(jù)上述協(xié)議，Insteon 設備可確定完成所有可能 重發(fā)和對Insteon 消息的應答的時間。同樣，Insteon 設備可監(jiān)控XlO消息流量，從而計 算將完成發(fā)送XlO命令的時間。在發(fā)送之前通過等待，直至完成先前存在的消息流量時，希 望產生消息的Insteon 設備可避免已在進程中的任一 Insteon 或XlO通信的可能堵塞。 這種先聽后說的形式稱之為“禮貌”。如果Insteon 設備希望連續(xù)發(fā)送多條消息，則將該禮貌進一步擴展。在這種情況 下，該設備在產生隨后的消息之前等待一個附加的電力線過零點。該附加時間使已經等待 消息流量的其它Insteon 設備完成發(fā)送的時機，并防止單個設備用較長的一系列其自身 的消息來壟斷信道。Insteon 同步廣播通過參照消息傳播的上述規(guī)則，Insteon 系統(tǒng)實現(xiàn)了通信可靠性的顯著增加。原 因在于多個Insteon 設備可以在給定時隙內同時發(fā)送相同的消息。因此，在彼此范圍內的 Insteon 設備“彼此幫助”。用于共享物理介質的大部分網(wǎng)絡傳輸協(xié)議防止多個設備在相 同波段中同時發(fā)送，如現(xiàn)有技術中的相關部分所述。相比而言，Insteon 通過保證同時發(fā) 送的設備彼此同步地發(fā)送相同的消息來將本來是問題的情況變成一種有益的情況。人們會想，在電力線上的多個Insteon 設備會很容易彼此抵消，而非彼此增強。 實際上，即使試圖完成該過程，由多個設備實現(xiàn)的信號抵消也很難設置。原因在于，對于在 給定接收器抵消兩個信號，兩個發(fā)送器必須發(fā)送載波，從而使接收器看到它們在振幅上精 確一致并且在相位上十分接近180度的相移。發(fā)生這種情況和持續(xù)擴展時間段的可能性較 小。在典型Insteon 設備上用于產生131. 65KHz電力線載波頻率的晶振彼此獨立運行并 具有幾十個百分比的頻差容限。因此，盡管對于Insteon 包的1823毫秒持續(xù)時間偏移較 慢，在多個電力線載波之間的相位關系將偏移。即使兩個發(fā)送器的相位碰巧抵消，振幅也 不可能相等，因而即使在最差的暫態(tài)相位關系的情況下，接收器也很可能接聽到一些信號。 Insteon 接收器具有較寬的動態(tài)范圍，從毫伏至大約5伏，這使得Insteon 接收器即使在 臨時衰減的情況下也能夠跟蹤信號。添加更多的發(fā)送器更大地減少了信號抵消的可能性。 此外，所有信號總和將增加信號強度的可能性變得更大。使用二進制相移鍵控(BPSK)來調制Insteon 電力線載波，表示接收器正在尋找 在載波中的180度相移，以檢測在比特字符串中從1至0或從0至1的改變。不考慮這些 載波的絕對相位，只要它們的相對載波頻率在包時間上的偏移不超過幾度，多個發(fā)送器將 產生其和在比特改變邊緣具有180度相位反轉的信號。當然，每一發(fā)送器的比特定時需要 很好鎖定，從而使Insteon 發(fā)送器與電力線過零點同步。Insteon 比特持續(xù)10個周期的 131.65KHZ電力線載波，或76微秒。電力線過零點檢測器在一個或兩個載波時間段內是精 確的，從而從多個發(fā)送器接收的比特彼此覆蓋。
17
實際上，同步廣播相同消息的多個Insteon 電力線發(fā)送器將提高整個建筑物的 電力信號強度。由于將RF信號傳輸用作對電力線信號傳輸?shù)臄U展，所以其也基于同步廣 播。然而，使用RF，即使在載波和數(shù)據(jù)處于理想同步時，在抵消載波信號的情況下也會形成 干擾圖案。由于使用電力線，對于待發(fā)生的抵消，兩個載波必須具有180度的相移并且振幅 必須相同。實際上，不可能獲得最佳的抵消。一般地，具有隨機相位關系的相同頻率和相同 天線極化的兩個協(xié)同定位載波將求和，其功率電平大于僅一個發(fā)送器的時間的67%的功率 電平。由于一個發(fā)送器遠離接收器，所以抵消的可能性進一步降低。由于發(fā)送器的個數(shù)增 加，所以抵消的可能性接近于0。移動Insteon RF設備(例如手持控制器)是用電池運行的。為了節(jié)約電源，不 將移動設備構造為RF中繼器，僅構造為消息發(fā)生器，從而同步廣播不是問題。將不中繼RF 消息的Insteon 設備附加至電力線上，從而大部分Insteon 設備在初始設置之后不再移 動。在設置期間，RF設備可被定位，并調整它們的天線，從而不發(fā)生信號抵消。通過固定發(fā) 送器的位置，將不確定地保持不抵消的構造。附加至電力線上的Insteon RF設備使用過零點用于消息同步。這些設備同步接 收電力線上的Insteon 消息，從RF中繼器經由RF同步接收Insteon 消息，或者可從移動 RF設備經由RF異步接收Insteon 消息。需要被重發(fā)的消息的剩余跳數(shù)計數(shù)大于0。如果 Insteon 設備從電力線接收到這樣的消息，則在Insteon 設備接收到電力線消息的最后 包時盡量快地使用RF重發(fā)該消息，然后其在下一時隙在電力線上重發(fā)該消息。如果該設備 經由RF接收到消息，則其將在下一時隙在電力線上重發(fā)該消息，然后在發(fā)送電力線消息的 最后包之后使用RF立即重發(fā)該消息。Insteon 引擎Insteon 引擎包括使得Insteon 設備發(fā)送和接收Insteon 消息的硬件和固件。 圖21示出通過Insteon 引擎的全部消息流。接收到的信號1510來自電力線或經由RF。 信號調整電路1515處理原始信號，并將其轉換為數(shù)字比特流。消息接收器固件1520根據(jù) 需要處理比特流，并將消息凈荷數(shù)據(jù)存儲到對于在Insteon 設備上運行的應用程序可用 的緩沖器1525。消息控制器1550使用控制標記1555通知應用程序數(shù)據(jù)可用。為了發(fā)送Insteon 消息，該應用程序將消息數(shù)據(jù)存儲到緩沖器1545中，然后使用 控制標記1555通知消息控制器1550發(fā)送消息。消息發(fā)送器固件1540將該消息處理為原 始比特流，其中所述原始比特流被提供至調制解調器1535的發(fā)送器部分。調制解調器發(fā)送 器發(fā)送比特流作為電力線或RF信號1530。Insteon 引擎電力線接口在圖22中詳細給出圖21的消息發(fā)送器1540，圖22示出Insteon 引擎如何在電 力線上發(fā)送Insteon 消息。Insteon 應用程序首先構成期望發(fā)送的消息1610，不包括CRC 字節(jié)，并且將該消息數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖器1615中。然后，該應用程序通過設置適當?shù)目刂?標記1620來通知發(fā)送控制器1625發(fā)送該消息。發(fā)送控制器1625通過多路復用器1635對 該消息數(shù)據(jù)進行打包，以在從先入先出(FIFO)發(fā)送緩沖器1615移出的數(shù)據(jù)之后的包開始 輸入來自發(fā)生器1630的同步比特和起始碼。在該消息數(shù)據(jù)移出FIFO 1615時，CRC發(fā)生器 1630計算CRC字節(jié)，所述CRC字節(jié)由多路復用器1635附加至比特流，作為該消息的最后包 的最后字節(jié)。該比特流被緩存至移位寄存器1640，并與過零點檢測器1645所檢測的電力線過零點的鎖相。BPSK調制器1655將來自載波發(fā)生器1650的131. 65KHz載波的相位偏移 至180度的比特0，并使得未調節(jié)的載波為比特1。應注意的是，如結合圖15所公開，相位 在一個載波周期逐漸偏移。最后，通過圖21的調制解調器發(fā)送電路1535將調節(jié)的載波信 號施加至電力線。圖23詳細給出圖21的消息接收器，其示出Insteon 引擎如何從電力線接收 Insteon 消息。圖21的調制解調器接收電路1515調整電力線上的信號，并將其轉換為 數(shù)字數(shù)據(jù)流，并且圖23中的固件處理該數(shù)字數(shù)據(jù)流以檢索Insteon 消息。由于接收的 Insteon 信號可具有低至僅幾毫伏的振幅，并且電力線通常攜帶高能量噪聲脈沖或其自身 的其它噪聲，因此一般地來自電力線的原始數(shù)據(jù)1710具有噪聲。因此，在優(yōu)選實施例中，以 固件實現(xiàn)的科斯塔斯(Costas)鎖相環(huán)(PLL) 1720用于找到噪聲中的BPSK Insteon 信號。 在現(xiàn)有技術中已知的Costas PLL在同相和正交相位鎖相信號。鎖相檢測器1725提供一個 輸入至窗口定時器1745，該窗口定時器1745還接收過零點信號1750和指示，其中該指示表 示起始碼檢測器1740已找到包中的起始碼。根據(jù)是否被鎖相，Costas PLL 1720發(fā)送數(shù)據(jù)至比特同步檢測器1730。當在包起 始處的在1和O之間變換的同步比特到達時，比特同步檢測器1730能夠恢復比特時鐘，其 用于將數(shù)據(jù)移位至數(shù)據(jù)移位寄存器1735。起始碼檢測器1740尋找同步比特之后的起始碼， 并且在找到起始碼之后輸出檢測信號至窗口定時器1745。在數(shù)據(jù)流在電力線過零點之前的 800微秒開始時，窗口定時器1745確定有效Insteon 包正在被接收，鎖相檢測器1725表 示鎖定，并且檢測器1740已經找到有效起始碼。因此，窗口定時器1745設置起始檢測標記 1790，并使接收緩沖控制器1755開始將來自移位寄存器1735的包數(shù)據(jù)聚集至FIFO接收緩 沖器1760。存儲控制器1755保證FIFO 1760僅建立消息中的數(shù)據(jù)字節(jié)，而不建立同步比特 或起始碼。其通過檢查消息標記字節(jié)中的擴展消息比特來存儲正確數(shù)目的字節(jié)，即對于標 準消息為10，對于擴展消息為24。當已經聚集了正確數(shù)目的字節(jié)時，則設置HaveMsg標記 1765，以表示已經接收到消息。由于Costas PLL在同相或反相可同樣好地鎖定信號，因此Costas PLL具有180 度的相位模糊。因此，來自PLL 1720的檢測數(shù)據(jù)可從其真實含義進行轉化。起始碼檢測器 1740通過尋找真實起始碼、C3 (16進制)以及其補碼，3C(16進制)來解決相位模糊問題。 如果其找到補碼，則反相鎖定PLL，并且轉換數(shù)據(jù)比特。來自起始碼檢測器1740的信號通知 數(shù)據(jù)補碼器1770是否不轉換數(shù)據(jù)。CRC檢查器1775計算所接收到數(shù)據(jù)的CRC，并將其與所 接收到消息中的CRC比較。如果它們匹配，則設置CRC OK標記1780。來自補碼器1770的數(shù)據(jù)經由路徑1785流入應用程序緩沖器(圖中未示出)。在 設置了 HaveMsg標記1765和CRC OK標記1780時，該應用程序已經接收到有效消息。Insteon 引擎 RF 接口圖24示出Insteon 引擎如何經由RF發(fā)送和接收消息。在優(yōu)選實施例中，用于電 力線的Insteon 設備可被配置用以擴展設備功能的子板。在圖24中示出的子板1850向 主設備1810提供RF接口。其具有板載RF收發(fā)器和其自己的微控制器單元(MCU)，該MCU 用作對于主MCU的從設備。主MCU和從MCU使用已知的TTL邏輯電平的RS232串口協(xié)議 1880進行通信。當在主MCU上運行的Insteon 引擎需要發(fā)送RF消息時，主MCU開始在步驟1812執(zhí)行過程。首先，主MCU在步驟1814發(fā)送一傳輸命令至RF子板上的從MCU，然后在步驟1816 等待已經接收到該命令的應答，并且從MCU準備發(fā)送。當從MCU準備就緒時，在步驟1818， 主設備向從MCU發(fā)送Insteon 消息中的數(shù)據(jù)。由于從MCU處理發(fā)送RF消息的所有細節(jié)， 所以在步驟1820，主設備可繼續(xù)其它操作。為了檢查是否已接收到RF消息，主設備開始在步驟1822執(zhí)行過程。在步驟1824， 主設備檢查其RS232接收緩沖器，以查看從設備是否通知主設備RF消息可用。如果不是， 則在步驟1830，主設備繼續(xù)進行其它處理，但是如果存在RF消息，則在步驟1826，主設備向 從設備發(fā)送應答。在步驟1828，從設備發(fā)送消息中的數(shù)據(jù)至主設備，并且在步驟1830，該主 設備繼續(xù)進行處理。如圖24右側的流程圖所示，在RF子板1850上的從MCU處理其任務。在步驟1852， 從MCU周期性檢查RS232接收緩沖器，該RS232用于存儲來自主設備的命令。在步驟1854， 如果從設備發(fā)現(xiàn)其已經接收到來自主機并要求從設備發(fā)送RF消息的命令，則在步驟1856 其應答該命令，并在步驟1858從主設備接收該消息數(shù)據(jù)，然后在步驟1859，構成RF消息并 發(fā)送該消息。如果在步驟1854，從MCU發(fā)現(xiàn)其未接收到來自主設備的發(fā)送命令，則在步驟1860， 從MCU試圖接收來自板載RF收發(fā)器的RF數(shù)據(jù)。如果在步驟1862，從設備未接收到有效的 RF消息，則在步驟1852，其重新進入輪詢循環(huán)，并再次嘗試。然而，如果從MCU已經接收到有 效RF消息，則在步驟1864通知主機，并在步驟1866等待主設備已經準備接收該數(shù)據(jù)的應 答。當主設備發(fā)送應答時，在步驟1868，從設備發(fā)送消息中的數(shù)據(jù)至主機，然后在步驟1852 繼續(xù)進行輪詢循環(huán)。圖25更詳細示出在圖24的步驟1859從MCU 1925如何構成并發(fā)送RF消息。這些 步驟類似于在圖22中給出的發(fā)送電力線消息的步驟，除了在一個包中立刻發(fā)送所有的RF 消息。在圖25中，主MCU構成其希望發(fā)送的消息，不包括CRC字節(jié)，并經由RS232串口通信 1920發(fā)送消息數(shù)據(jù)至從MCU1925。從設備將消息數(shù)據(jù)放入發(fā)送緩沖器1915。從MCU 1925 使用多路復用器1935，以從先入先出(FIFO)發(fā)送緩沖器1615移出的數(shù)據(jù)之后的RF消息 開始輸入來自發(fā)生器1930的同步比特和起始碼。在該消息移出FIFO 1915時，CRC發(fā)生器 1930計算CRC字節(jié)，所述CRC字節(jié)通過多路復用器1935附加至比特流，作為在消息的最后 字節(jié)。該比特流被緩存至移位寄存器1940，并與RF收發(fā)器1955鎖定。收發(fā)器產生RF載波， 將消息中的比特解譯成曼徹斯特編碼符號，F(xiàn)M用符號流調制載波，并使用天線1960發(fā)送所 產生的RF信號。在優(yōu)選實施例中，RF收發(fā)器1955為單芯片硬件設備，并且在從MCU 1925 上運行的固件中實現(xiàn)附圖中的其它時鐘。圖26更詳細示出在圖24的步驟1860中從MCU如何接收RF消息。這些步驟類似 于在圖23中給出的接收電力線消息的步驟，除了在一個包中立刻接收所有的RF消息。在 圖26中，RF收發(fā)器2015從天線2010接收RF傳輸，并將其FM解調以恢復基帶曼徹斯特符 號。在消息開始的同步比特使收發(fā)器恢復比特時鐘，其使用該時鐘恢復來自曼徹斯特符號 的數(shù)據(jù)比特。收發(fā)器輸出比特時鐘和恢復的數(shù)據(jù)比特至移位寄存器2020，其聚集在消息中 的比特流。起始碼檢測器2025尋找在消息開始的同步比特之后的起始碼，并在其找到一個 起始碼之后輸出檢測信號2060至從MCU 2065。起始檢測標記2060使接收緩沖控制器2030
20開始將來自移位寄存器2020的消息數(shù)據(jù)聚集到FIFO接收緩沖器2035。存儲控制器2030保 證FIFO 2035僅存儲消息中的數(shù)據(jù)字節(jié)，而不是同步比特或起始碼。該存儲控制器2030通 過檢查在消息標記字節(jié)中的擴展消息比特來存儲正確數(shù)目的字節(jié)，即對于標準消息為10， 對于擴展消息為24。當已經聚集了正確數(shù)目的字節(jié)時，則設置HaveMsg標記2055，以表示 已經接收到消息。CRC檢查器2040計算所接收到數(shù)據(jù)的CRC，并將其與所接收到消息中的 CRC進行比較。如果它們匹配，則設置CRC OK標記2045。在設置了 HaveMsg標記2055和 CRC OK標記2045時，該消息準備經由RS232串口通信2070被發(fā)送至主設備。在優(yōu)選實施 例中，RF收發(fā)器2015為單芯片硬件設備，并且在從MCU 2065上運行的固件中實現(xiàn)附圖中 的其它塊。Insteon 硬件圖27是包括典型Insteon 設備的硬件電路框圖。在優(yōu)選實施例中，Insteon 設 備包括具有可選子板2120的主電路板2110。通過添加各種類型的通信接口，典型子板2120 向Insteon 設備提供附加功能。主板和子板使用TTL邏輯電平的串口 RF232協(xié)議2130進 行通信。Insteon 主板通過在其中安裝的設備或通過插入或硬件連線接入來連接至電力 線。電源2140從電力線獲取能量，并對電源2140適當調整以對主板和可選子板上的邏輯 塊和通信硬件進行供電。微控制器單元(MCU) 2133執(zhí)行在生產時預先加載至設備中的所有 固件程序，以及執(zhí)行在使用期間可下載至MCU的所有軟件程序?？蛇x的非易失性隨機存取 存儲器(NVRAM) 2170提供用于本地數(shù)據(jù)庫信息、操作參數(shù)和下載應用程序的存儲器。如圖 中的內部集成電路(I2C)鏈路所示，這種存儲芯片2170典型地經由串行鏈路2175與MCU 2133進行通信。電力線接口 2150包括電力線發(fā)送器2152和接收器2154，所述電力線發(fā)送器2152 和接收器2154能夠在電力線上發(fā)送并且接收Insteon 和XlO信號。如果存在，負載控制 器2156—般包括三端雙向可控硅開關元件(triac)或繼電器。三端雙向可控硅開關元件 可向電阻負載(例如燈)提供可變功率，從而對該電阻負載進行調節(jié)?？墒褂脵C械繼電器 對電感負載或高功率負載進行開關切換。某些加載控制模塊還能夠感測是否手動打開或 關閉被控制的負載。例如，如果將燈插入至Insteon 燈控制器，并且用戶使用燈上的開關 打開燈，則負載控制模塊可感測電流移動，并打開三端雙向可控硅開關元件，從而燈開始照 明。相反，如果三端雙向可控硅開關元件打開，但是燈的開關關閉，則負載控制模塊可感測 出問題，從而Insteon 設備可顯示或發(fā)送適當?shù)腻e誤消息。用戶接口模塊2160可根據(jù)嵌入到主板2110的設備類型而改變。簡單的情況，例如 SwitchLinc 設備，其看起來像壁開關，并連線至電氣接線箱，在塑料控制盒下面的瞬時接 觸開關檢測用戶輸入。在用戶推動控制盒的頂部時，一個開關進行接觸，以及在用戶推動控 制盒的底部時，另一開關進行接觸。這種設備典型地將具有一個或多個發(fā)光二極管(LED)， 以指示控制下的負載狀態(tài)，或者以通過設置過程指導用戶。為此，很多Insteon 設備使用 白光LED，其具有可選的彩色濾波器，以使用戶定制LED所顯示的光色。對LED亮度的用戶 控制是通常合并到Insteon 設備的另一特性，一般地，由調節(jié)LED功率的循環(huán)負載來實現(xiàn)。多個較好的Insteon 設備可組成顯示器，例如在移動電話、PDA或PC中使用的單 色光或彩色光LCD。可存在被構造為鍵區(qū)或鍵盤的多個按鈕，或者可存在例如近程檢測器的
21其它類型的感測設備。本領域普通技術人員可預測能夠嵌入到Insteon 技術的多個設備， 并且這里公開的優(yōu)選實施例僅是多種可能選擇構造的一種構造。圖28示出一種Insteon 主板2210，其具有經由RS232 2230與RF子板2220連接 的MCU 2215。以上已經詳細描述了該結構。RF子板包括與RF收發(fā)器芯片2224進行通信 的其自己的MCU 2222。RF收發(fā)器包括電路2226，以使用天線2228來發(fā)送和接收RF信號。圖29示出一種Insteon 主板2310，其具有與通用串行總線(USB)子板2320連 接的MCU 2315。如圖所示，USB板包括具有芯片上USB接口的其自己的從MCU 2322、實時 時鐘(RTC) 2324以及附加的非易失性隨機存取存儲器(NVRAM) 2326。從MCU 2322使用串口 RS232 2330與主MCU2315進行通信。RTC與NVRAM經由I2C總線2335連接至主MCU。USB 接口 2328使Insteon 設備與具有USB端口的任何其它設備接口。圖30示出一種Insteon 主板2410，其具有與RS232子板2420連接的MCU 2415。 如圖所示，RS232板包括具有電平轉換器2423的RS232收發(fā)器2422、實時時鐘(RTC) 2424 和附加的非易失性隨機存取存儲器(NVRAM) 2426。RTC與NVRAM經由I2C總線2435連接至 主MCU。主MCU 2415經由RS232串行鏈路2430連接至RS232接口 2428，從而使Insteon 設備與具有RS232端口的任何其它設備接口。圖31示出一種Insteon 主板2510，其具有與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)子板2520連接的 MCU 2515，其使Insteon 設備與局域網(wǎng)(LAN)或互聯(lián)網(wǎng)進行通信。IP板2520具有其自己 的從MCU 2522，用以運行動態(tài)主機配置協(xié)議(DHCP)客戶機、地址解析協(xié)議(ARP)客戶機以 及超文本傳輸協(xié)議(HTTP)棧。MCU 2522經由以太網(wǎng)控制器2528和物理接口 2529附加至 以太網(wǎng)LAN2540。LAN可經由路由器2542連接至互聯(lián)網(wǎng)2544。一旦在互聯(lián)網(wǎng)上，Insteon 設備可以與世界任何地方的計算機2546接口。Insteon 應用和設備Insteon 技術可包含在多種不同類型的設備中，并且其可經由通信橋接器與所有 類型的非Insteon 設備接口。支持Insteon 設備的應用多種多樣。部分應用列表包括(1)家庭管理，包括傳感器、暖通空調(HAVAC)、設備、照明以 及安全設施；(2)音頻/視頻(A/V)遠程控制，其與家庭管理相互關聯(lián)；(3)能源管理；(4) 經由互聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控；以及(5)具有語音識別、響應、相機以及其它傳感形式的互操作。使用Insteon 技術可改善的產品包括(1)電子設備，例如插入、連線接入調光器、 開關或輸出口 ；(2)家用設備；(3)報警器、溫度調節(jié)器、接入控制器；(4)泳池/溫泉和沖洗 控制器；(5)環(huán)境傳感器、設備狀態(tài)傳感器、運動傳感器、房間占用狀態(tài)傳感器或接觸傳感 器；以及(6) PC控制器、觸摸屏控制器、鍵區(qū)控制器、手持設備控制器或遙控鑰匙控制器。使用針對其它網(wǎng)絡標準的橋接器，Insteon 設備可以使用WiFi (IEEE802. 11)、藍 牙、ZigBee、ZWave、HomePlug、HomeRF、Intellon、Echelon、CEBus 或其它未來技術與其它設 備進行互操作。具有至少一個設備帶有USB、RS232或以太網(wǎng)通信功能的Insteon 設備網(wǎng)絡可連 接至PC或互聯(lián)網(wǎng)的接入點。新軟件可被下載至Insteon 設備，使其能夠被升級而具有未 來的新功能。這種相同的連接性還使Insteon 設備的局域網(wǎng)與遠程處理互連?？梢砸远?種不同方式來使用能夠被更新和遠程接口的具有低成本、可靠設備的內部結構，所述多種 不同方式不能完全預見到。
這里給出包括Insteon 技術的一組初始設備。圖32示出連線接入壁開關2610。 用戶可壓下控制盒2640的頂部或底部，以壓下下面的頂部或底部瞬時按鈕開關。控制盒 2640和框2645脫離，從而它們可由不同光色中的一種光色簡單代替。塑料光導管2620和 2630由下面的白光LED照明。這些光導管可由不同光色中的一種代替，從而可改變用戶看 見的光色。組件2650是LED光導管、瞬時按鈕開關和拉伸式空氣間隙開關的組合。將其按 下使得該設備進入設置裝模式，或者將其拉出通過使其與電力線斷開來禁用設備。圖33示出一種Insteon 設備2710，其連線接入接線箱來代替壁開關。其具有8 個按鈕2720，這些按鈕從后面由可被任一顏色過濾的白光LED照明。由激光打印機打印的 透明圖案可位于按鈕背面，以標識它們。組件2750用作與圖32中組件2650相同的目的。圖34示出一種Insteon 設備2810，其可被構造為調節(jié)器或繼電器開關。被控制 的設備插入至插孔2820?？蛇x的連接器2830可被構造為用于提供適合內部Insteon 子 板的USB、RS232或以太網(wǎng)連接。裝置2850用作與圖32中組件2650相同的目的。圖35示出除了其支持內部RF子板之外其余類似于圖34的插入Insteon 設備 2910。RF天線2915連接至RF子板上的RF收發(fā)器。用戶可扭曲或彎曲該鉸接的天線，以實 現(xiàn)最佳性能。圖36示出具有按鈕3020的按鈕控制器3010。激光打印的圖案可位于透明帶條 3030背面，以標記按鈕功能。LED 3040向用戶提供反饋。圖37示出另一版本的按鈕控制器3110，其實質上具有更多的按鈕3120。在蓋子 3130關閉時，其覆蓋除了 8個按鈕之外的所有按鈕，從而向用戶提供更簡單、更不集群的接 口，類似于圖36的情況。圖38示出Insteon 控制器設備3210，其具有觸摸屏液晶顯示器(LCD) 3230和6 個按鈕3220。觸摸屏IXD可以是單色光的或彩色光的，可選地為點矩陣(backlit)。LED 3240提供附加的用戶反饋。圖36、圖37或圖38中的控制器的本體3010、3110和3210可以使用不同的彈起后
蓋。一個彈起后蓋使得控制器被用作獨立式桌上單元。另一彈起后蓋可將控制器轉換為壁 式安裝單元。Insteon 消息的使用本領域普通技術人員將認識到在多種設備中可以以多種不同的方式來使用 Insteon 消息傳輸技術。為了利用在圖13中給出的所有可能的Insteon 消息類型，這些 設備必須共享一組通用的特定、預分配數(shù)目的值，所述值用于一個或兩個字節(jié)命令、兩個字 節(jié)設備類型/子類型、一個字節(jié)或兩個字節(jié)ACK狀態(tài)以及一個字節(jié)或兩個字節(jié)NAK原因。在 生產時，Insteon 設備被分別預分配三個字節(jié)地址。對于Insteon 擴展消息，編程者可以自由定義在設備之間可交換的用戶數(shù)據(jù)的 所有類型的含義。例如，設備固件可包括全部高級語言的解譯器，所述高級語言被編譯成令 牌環(huán)并且使用擴展消息被下載到設備中。編程者在Insteon 設備上可以實現(xiàn)多個可能的用戶接口。以下實例將示出在固 件中可實現(xiàn)的一個用戶接口。考慮到用戶希望開關模塊(例如圖32中所示)控制兩個燈 模塊(如圖34所示)的情況。假設開關模塊具有Insteon 地址00003E，燈模塊A具有地 址000054，燈模塊B具有地址000051。在該實例中，所有數(shù)字以16進制給出。
23
對于控制燈模塊的開關，必須在設備中具有這樣的固件，其使得這些設備鏈接為 普通組的成員。這種固件可響應經由USB或RS232接口設備由PC發(fā)送的一系列Insteon 消息，或者其可使用戶通過按下按鈕來手動鏈接設備。以下是一種可能的固件設計，其使用戶手動完成上述組連接。第一，用戶將按下和 保持圖32的開關模塊上的設置按鈕2650。該開關模塊可廣播給出其設備類型和“設置按 下按鈕”的命令的消息。第二，用戶將按下開關控制盒2640的頂部，以表示所述設備將加 入一個組。(按下控制盒的底部可表示所述設備從組中去除)。第三，用戶將按下圖34的 燈模塊A的設置按鈕2850。燈模塊A廣播其設備地址、設備類型以及“設置按下按鈕”的命 令。開關模塊使用引導消息發(fā)送具有組號(假設組號1)的“加入組”命令至燈模塊A。燈 模塊A應答該引導消息并更新其組成員數(shù)據(jù)庫，以示出其為組1的成員。在開關模塊接收 到ACK時，該開關模塊更新其自己的組成員數(shù)據(jù)庫，以示出燈模塊A是組1的成員。第四， 用戶將按下燈模塊B的設置按鈕，并且該設備可按照對燈模塊A相同的消息處理程序在組 1中注冊。最后，用戶可按下在開關模塊上的開關控制盒頂部，以結束組注冊會話?！┙M連接完成，用戶可使用開關模塊立即運行兩個燈模塊。根據(jù)固件設計，許多 用戶接口都是可能的。例如，通過輕拍控制盒頂部，燈可被打開，以及通過按下控制盒底部， 燈可被關閉。按下和保持控制盒頂部可逐漸使得燈變亮，直至用戶停止?？墒褂每刂坪械?底部類似地實現(xiàn)調節(jié)燈的處理。假設用戶輕拍開關控制盒頂部，以打開兩個燈模塊，則圖39中示出的Insteon 消 息可被發(fā)送。行3310是通知組1打開的組廣播消息。源地址00003E是開關模塊的地址。 目的地址000001是組號。標記(CF或二進制的11001111)表示組廣播、標準消息、3次剩余 跳數(shù)、3次最大跳數(shù)。命令1(組命令01)表示“打開”，命令2 (參數(shù))為00。兩個燈模塊接 收該消息，檢查它們的組數(shù)據(jù)庫，并找到它們實際上是組1的成員，執(zhí)行打開它們的負載的 命令。該消息的其它接收方不是組1的成員，因此它們忽略該消息。在行3320，開關模塊用去往燈模塊A的引導組清除消息跟蹤組廣播命令，并且重 復“打開”命令。源地址也是00003E，但是這次目的地址為000054，或燈模塊A。標記00 表示引導、標準消息、0次剩余跳數(shù)、0次最大跳數(shù)。命令1的41表示“組清除、打開”，命令 2(組號)為01。行3330是來自燈模塊A的應答。源地址000054為燈模塊A，目的地址00003E為 開關模塊。標記(20或二進制00100000)表示ACK、標準消息、0次剩余跳數(shù)、0次最大跳數(shù)。 命令1和命令2(41和01)是引導消息中相同字段的重復。行3340和行3350是引導消息和用于燈模塊B的ACK。除了燈模塊B的地址000051 由000054 (燈模塊A的地址)所代替之外字段相同。根據(jù)以上描述，使用Insteon 控制和通信設備的通信和控制系統(tǒng)將變得清楚，本 發(fā)明的Insteon 協(xié)議具有多種優(yōu)點，其中某些優(yōu)點在上文已經被描述，其它優(yōu)點是本發(fā)明 固有的。此外，應理解的是，在不脫離本發(fā)明的教導的情況下可以對本發(fā)明的通信、控制系 統(tǒng)以及設備進行修改。因此，本發(fā)明的保護范圍不限于所附權利要求所必需的范圍。
2權利要求
一種通信模塊，其用于包括多個所述通信模塊的系統(tǒng)，所述通信模塊包括在電源電力線上發(fā)送和接收消息的電路；用于產生消息、接收消息以及解譯消息的電路和軟件；每一所述消息包括多個信號包，其中每一所述信號包與該電源電力線上的交流電的過零點同步，并且對于給定長度的消息，用于發(fā)送所述消息的所述過零點周期的數(shù)目固定；用于在所述過零點周期的所述固定數(shù)目的整數(shù)倍開始重發(fā)所接收到的其中一條所述消息的電路和軟件，其中所述過零點周期的所述固定數(shù)目的整數(shù)倍表示消息時隙；以及在其它所述通信模塊發(fā)送相同消息的同時發(fā)送被重發(fā)的消息的電路和軟件。
2.如權利要求1所述的通信模塊，包括RF射頻收發(fā)器設備，用于在射頻上發(fā)送和接收消息；在經由該電源電力線接收或發(fā)送消息之后，在該電源電力線的下一過零點開始經由所 述射頻發(fā)送和接收消息的電路和軟件，其中經由所述射頻發(fā)送和接收的所述消息與經由該 電源電力線發(fā)送和接收的消息相同；以及在其它所述通信模塊經由所述射頻發(fā)送相同消息的同時經由所述射頻發(fā)送所述消息 的電路和軟件。
3.如權利要求1和2的任何一個中所述的通信模塊，包括如下電路和軟件，其僅在由發(fā) 起方通信模塊發(fā)送先前消息之后經過的消息時隙數(shù)等于一數(shù)值之后產生并發(fā)送新消息，該 數(shù)值表示新消息時隙延遲，并且該數(shù)值由所述最大重發(fā)計數(shù)加1所得，其中如果所述先前 消息的期望接收方模塊可發(fā)送應答消息至所述先前消息的發(fā)生器，則通過將所述最大重發(fā) 計數(shù)加1來增加所述新消息時隙延遲。
4.一種通信模塊，其用于包括多個所述通信模塊的系統(tǒng)，所述通信模塊包括電路，所 述電路使連接到電源電力線不同相位的至少一個所述通信模塊在該電源電力線上以射頻 發(fā)送和接收消息，使得在該電源電力線的一個相位上傳播的消息在利用所述射頻被中繼之 后，在該電源電力線的另一個相位上傳播。
5.一種通信模塊，其用于包括多個所述通信模塊的系統(tǒng)，所述通信模塊包括 用于存儲數(shù)字的電路，該數(shù)字表示模塊地址，其指定所述通信模塊的地址； 用于在至少一個通信介質上發(fā)送和接收消息的電路；用于產生消息、接收消息以及解譯消息的電路和軟件；用于保存數(shù)據(jù)庫的電路和軟件，該數(shù)據(jù)庫包含組號與其它通信模塊的多個所述模塊地 址之間的組成員關聯(lián)關系；發(fā)送表示組廣播消息的消息至多個通信模塊的電路和軟件；以及 伴隨所述組廣播消息的發(fā)送，發(fā)送表示組清除消息的多個消息至所述多個通信模塊中 的每一通信模塊的電路和軟件。
全文摘要
設置低成本智能控制和通信設備(21、22、23、51、52)，以通過一個和多個共享的物理介質(10、11)，例如電力線和射頻波段來彼此通信。不需要網(wǎng)絡控制器，因為任一設備可用作主設備、從設備或中繼器?？紤]到通信重發(fā)和重新嘗試的簡單協(xié)議(30、50、60)，添加更多的設備使得系統(tǒng)更強健。
文檔編號H04L12/18GK101917215SQ20101013597
公開日2010年12月15日 申請日期2005年6月1日 優(yōu)先權日2004年12月15日
發(fā)明者丹尼爾·布賴恩·克里格, 唐納德·J.·巴特利, 羅納德·J.·沃特爾, 馬庫斯·P.·埃斯科博薩 申請人:斯瑪特萊博斯有限公司