ITVR20100163A1 - Rete wireless per l'automazione domestica - Google Patents

Description

Titolo: RETE WIRELESS PER L’AUTOMAZIONE DOMESTICA

L’invenzione si riferisce ad una rete wireless di comunicazione bidirezionale (ad es. via radio) tra dispositivi per l'automazione domestica, come ad es. i sistemi di chiusura con movimento orizzontale (destra-sinistra) o verticale, tra due posizioni di finecorsa, come cancelli scorrevoli o a battente, cui qui ci si riferirà come esempio, porte o portoni per garage, serrande, persiane, tende o avvolgibili in genere.

Gli impianti per automatizzare il movimento di un cancello sono solitamente composti principalmente da almeno un motoriduttore elettrico per muovere il cancello, una centrale di controllo, e una serie di altri dispositivi periferici di sicurezza come fotocellule, bordi sensibili alla pressione, avvisatori (buzzer o lampeggianti) e interfacce di comando e gestione per l’utente, come tastierini e/o display.

II collegamento via cavo tra i dispositivi è molto diffuso ed impiegato nella maggioranza dei casi ma decisamente oneroso da installare, perché bisogna posare i tubi o le canaline per il passaggio dei cavi con relative opere murarie, piccoli scavi e opere di ripristino, spendendo molto tempo in manodopera e materiali.

I costi sono molto elevati, i rischi di errori nei collegamenti sono alti e il controllo di manutenzione diventa disagevole e sfavorevole in caso di guasto. Si comprende perché gli sforzi si siano concentrati nella direzione di eliminare al massimo i cablaggi.

I collegamenti via cavo presentano genericamente due configurazioni diverse.

Nella prima ciascun dispositivo periferico ha uno specifico morsetto di collegamento per cavo bifilare sia all’alimentazione sia alla centrale di controllo, e non è necessario identificare il dispositivo perché è unico e di un solo tipo. Ad es. al morsetto del lampeggiante non si possono collegare fotocellule.

Nella seconda configurazione un generico dispositivo periferico comunica alla centrale il suo “indirizzo” o codice identificativo derivandolo dalla impostazione dei propri ponticelli o dip-switch impostati manualmente. Ciò avviene perché più periferiche sono collegate alla centrale di controllo tramite un solo cavo bifilare ad un unico morsetto (si veda a titolo di esempio MI2002A001234 depositato dalla richiedente). Purtroppo questo sistema di indirizzamento è limitato dal selettore utilizzato (ponticelli o dipswitch), ha poche combinazioni e limita molto il numero e il tipo di periferiche che il sistema può gestire, anche a causa del traffico dati presente.

Altri sistemi eliminano alcuni cablaggi sostituendoli con collegamenti wireless, ma l’architettura di rete rimane la stessa dei sistemi cablati, ove ogni dispositivo è memorizzato nella centrale di controllo tramite codifica impostata con selettore meccanico (ponticelli o dip-switch).

La realizzazione di un sistema totalmente wireless (comunicazione e alimentazione) utilizzando tecniche ed accorgimenti noti si scontra con gli elevati consumi energetici degli stessi e, di conseguenza, con l’autonomia delle batterie che li alimentano. Durante una manovra devono funzionare senza errori tutte le fotocellule (anche fino a 6-8 coppie), i bordi sensibili (anche fino a 4), e in genere tutti i dispositivi periferici di sicurezza. Anche se meno importanti, durante la manovra sono attivi anche i dispositivi periferici di comando, quali tastiere digitali, lettori transponder, selettori a chiave, ecc. Questi devono lavorare in coordinazione e con tempistiche strette, il che implica vincoli di durata e frequenza/periodo delle trasmissioni radio e, quindi, di energia richiesta. Con una diretta applicazione delle tecniche note, una rete totalmente wireless che risponda ai requisiti richiesti non è realizzabile.

La realizzazione di un impianto di automazione i cui tutti componenti sono collegati senza fili presenta inoltre il problema delle interferenze tra impianti vicini tra loro.

La sicurezza di un’automazione è di primaria importanza, per cui il sistema deve esserne il più possibile immune.

Scopo principale dell’invenzione è realizzare un metodo, e un impianto o sistema o rete che lo implementa, per l’automazione di cancelli scorrevoli o a battente, porte o portoni per garage, serrande, persiane, tende o avvolgibili in genere in cui tutti i dispositivi periferici presentano un collegamento wireless (ad es. via radio) con la centrale di comando ed un sistema di alimentazione autonomo, e hanno elevata autonomia di funzionamento di parecchi anni.

Un ulteriore scopo è che il metodo/si sterna sia affidabile e immune ai disturbi radio. Un ulteriore scopo è che il metodo/sistema sia semplice e veloce da installare.

Un ulteriore scopo è che il metodo/si sterna abbia una buona velocità di risposta ai comandi dell’utente pur garantendo una lunga autonomia.

Tali scopi sono ottenuti con metodo e un componente che lo implementa come definito nelle rivendicazioni allegate, mentre le varianti preferite dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti.

Le caratteristiche e i vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione esemplificativa di un sistema di automazione, insieme agli allegati disegni in cui:

la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un sistema secondo l’invenzione;

la figura 2 mostra uno schema temporale del sistema di fig. 1 in una condizione di non-manovra (anta ferma);

la figura 3 mostra uno schema a blocchi un algoritmo decisionale per la scelta di un canale radio di trasmissione.

Un impianto di automazione domestica secondo l’invenzione, composto da tradizionali componenti è mostrato in Fig. 1.

Una delle possibili configurazioni della rete è la struttura stellata, con un nodo Master che forma il centrostella. Si veda la Fig. 1, che mostra schematicamente una rete NT1 che adotta la nota tecnica di trasmissione Master/Slave, con il centro-stella che funge da nodo Master MI, e nodi periferici che fungono da nodi Slave, indicati con SI, S2, etc. Tutti i nodi, Master e Slave, possono essere integrati totalmente nel componente stesso (centrali elettroniche anche integrate nel motoriduttore, fotocellule, bordi sensibili, lampeggianti, lettori schede, tastiere, ecc) oppure possono essere realizzati in corpo separato ed associati successivamente. La rete NT1 prevede una centrale elettronica come nodo Master MI ed almeno una fotocellula o simili come dispositivi periferici o nodo Slave SI, S2, etc..

Ogni Slave non ha alcun collegamento via cavo con l’esterno, ed è dotato di una batteria di alimentazione, preferibilmente auto-ricaricabile da un modulo fotovoltaico. Si comprende che grazie alla connessione wireless di ogni Slave è molto facile posizionarlo nell’ambiente senza particolari modifiche edili ed in poco tempo.

Sia il Master MI che gli Slave SI, S2, ecc. sono dotati ciascuno di un microcontrollore e un ricetrasmettitore radio, non mostrati. Lo scopo è far sì che il Master e gli Slave possano inviarsi e ricevere segnali radio codificati di controllo e dati, indicati simbolicamente dalle frecce bidirezionali in Fig. 1. Quando nel seguito si descriveranno le operazioni eseguite dal Master o da uno Slave attribuendole per brevità direttamente ad uno di essi, si intende tacitamente che il rispettivo microcontrollore esegue delle istruzioni di programma e/o pilota mezzi o dispositivi hardware atti a svolgere l’operazione e/o il ricetrasmettitore radio viene pilotato e/o il segnale ricevuto viene elaborato al fine di compiere tali operazioni.

Come si vede un master MI comunica con gli slave SI, S2, i quali possono fungere da interfacce con sensori SN1, SN2, ecc o altri dispositivi DV1, DV2, ecc. Il Master MI può comunicare anche con un blocco applicazione APPL. Per motivi di compatibilità con le centrali esistenti il nodo Master MI può essere collegato ad una centrale attraverso la linea bus, come interfaccia, facendo credere alla centrale preesistente, l’applicazione APPL, che i dispositivi periferici installati siano dispositivi via cavo connessi al bus. Questa soluzione permette di costituire automazioni ibride con dispositivi via cavo e/o wireless. Sarà infatti possibile, inserendo nel bus il Master MI di interfaccia, aggiungere elementi wireless ad automazioni cablate già esistenti.

Per migliorare le prestazioni della rete nei confronti di disturbi radio di varia natura e per permettere a più reti simili anche adiacenti di funzionare contemporaneamente, il sistema dell’invenzione utilizza diversi canali di trasmissione. Si possono usare ad es. 14 canali (ossia frequenze) distinti, appartenenti tutti alla medesima banda di frequenza, per esempio la banda 868MHz. I canali costituiscono un insieme predefmito di canali radio di comunicazione tra i quali il Master può scegliere quello migliore per poi comandarne l’impiego agli Slave (operazione invisibile all’utente/operatore).

Una volta che il Master è alimentato, esegue una scansione in frequenza per determinare i canali migliori. Analizzati tutti i canali disponibili, o solo una parte di essi, il Master crea e aggiorna una tabella statistica di “qualità dei canali” calcolata in base a fattori come

- informazioni scambiate fra Master adiacenti di reti diverse per condividere i dati raccolti e informazioni sulla qualità dei canali;

- le informazioni raccolte nella precedente manovra (ad esempio il numero di “pacchetti” trasmessi non andati a buon fine);

- la scansione di tutti i canali con il calcolo del rapporto S/N relativo, durante il periodo di non-manovra, fino a trovare quello migliore quando sta per iniziare la manovra. Il master usa queste informazioni per aggiornare costantemente la “tabella di qualità”.

La tabella di qualità per i canali radio è trasmissibile, cioè può essere condivisa tra Master appartenenti a reti diverse, su un canale comune CP. Il canale CP è comune e fisso in tutte le reti e, come si vedrà, serve in caso di emergenza e quando bisogna scambiare informazioni con un Master non in manovra.

Ciò evita ai Master e agli Slave di una rete di sintonizzarsi in ascolto su canali impegnati da altre reti o disturbati, e migliora complessivamente il rapporto segnai e/rumore delle trasmissioni airinterno di una rete costituita. Va da sé che Γ utilizzo di una rete priva di disturbi determina un consumo energetico inferiore, perché si può trasmettere a potenza inferiore.

Una volta che la tabella di qualità dei canali è stata creata il Master può procedere con le successive operazioni di installazione/configurazione della rete, come ad es.

- quando il Master entra in modalità di acquisizione/configurazione di Slave per configurare la rete, come prima cosa analizza la tabella di qualità dei canali e tra tutti il Master sceglie come canale di comunicazione con gli Slave, da memorizzare nella rete che sta costituendosi, il canale migliore e libero in quell’istante;

- quando negli Slave viene inserita la batteria oppure attivato un opportuno pulsante, gli Slave trasmettono su tutti i 14 canali fino a ricevere una risposta da parte del Master attraverso il canale appena scelto dal Master (il canale migliore). Appena ricevuta risposta positiva, gli Slave si mettono in ascolto/attesa per ricevere conferma di installazione della rete avvenuta sul canale prescelto. Successivamente quando al Master viene ordinato di concludere la operazioni di acquisizione in modo da verificare che tutti gli Slave acquisiti siano effettivamente funzionanti, inoltra un messaggio ad ognuno di essi. Se tutti rispondono l’operazione viene conclusa altrimenti tutto andrà rieseguito.

La tabella di qualità dei canali non è statica, ma l’invenzione prevede mezzi di adattamento dinamico e criteri di aggiornamento. Le condizioni ambientali di propagazione possono cambiare col passare del tempo. Certi canali che prima risultavano liberi possono diventare disturbati e viceversa; per questo la tabella di qualità dei canali può dinamicamente cambiare sulla base ad es. dei seguenti criteri:

- lo scambio di dati tra Master di reti attigue;

- l’analisi dei canali in fase di partenza della manovra (v. sotto);

- la valutazione del canale corrente durante la manovra;

- analisi dei canali alla fine della manovra.

Quando la rete è configurare e operativa può lavorare in due stati: nello stato di non-manovra (anta ferma o modalità SLEEP) o in stato di manovra (anta in movimento).

Percentualmente, in termini di tempo, la rete NT1 lavora maggiormente in una condizione di non-manovra, vale a dire con la barriera/anta ferma.

In non-manovra il Master è inattivo poiché non trasmette agli Slave, oppure trasmette con periodo molto lungo, mentre tutti i nodi Slave si trovano in modalità SLEEP, che consiste in una modalità WOR (wake-on-radio) di basso consumo. Si veda la fig. 2.

Ogni Slave è in ascolto su una finestra temporale radio di ascolto per uguali tempi T_CX e T CP per verificare la presenza rispettivamente di un segnale M_Cx dal Master su un canale predefinito CP o un canale Cx dell’ insieme predefinito. I tempi T_CX e T CP sono la finestra temporale in cui lo Slave è in ascolto. Durante il tempo che intercorre tra un ascolto e l’altro, lo Slave è in stand-by, e risparmia energia (tutti i componenti sono spenti ad eccezione di un timer interno). I periodi T_Cx e T CP sono uguali, pari ad es. a 300ps, e si ripetono con periodo T sleep di ad es. 500ms. Pertanto il duty-cycle (o ciclo di lavoro) del ricevitore radio è 0,3/500=0,0006.

L’utilizzo di più canali rende più robusto il sistema: il Master infatti potrà scegliere a sua discrezione quale tra i canali utilizzare nella successiva manovra. Il canale CP, che è fisso e preferibilmente deciso in fabbrica, non cambia mai per tutta la vita del sistema, funge da canale di recupero, di emergenza per permettere al nodo Master di tentare il risveglio degli Slave quando non sa se tutti sono in ascolto sul medesimo canale oppure se l’ultimo canale Cx è disturbato. Il canale Cx effettivamente usato in ri cetrasmis sione è variabile, e risulta di manovra in manovra quello scelto dal Master (secondo criteri stabiliti e precedentemente descritti) perché meno disturbato (può essere variato ad ogni manovra).

Gli Slave permangono nello stato descritto (modalità SLEEP) finché non rilevano il segnale M_Cx, proveniente/inviato dal Master, dopo il quale si portano in stato attivo fuori dallo stato di basso consumo.

Il messaggio M_Cx è broadcast e viene per forza ricevuto da tutti gli Slave, o durante la finestra T_Cx o T CP. Il messaggio M_Cx contiene l’indirizzo del Master, che implicitamente è l’indirizzo di rete, costituito di sottomessaggi numerati PK1, PK2 che si trovano in successione temporale.

Il Master trasmette il messaggio M_Cx di durata T AWAKE maggiore di 2*T_SLEEP (T_Cx o T Cp), ad es. 1010ms. In questo modo ogni nodo Slave sicuramente riceve il messaggio M_Cx.

Il Master ricetrasmette segnali dati con altri Master di altri sistemi vicini, per scambiarsi vicendevolmente informazioni utili alla gestione e ottimizzazione della rete di ogni Master (a titolo di esempio possono scambiarsi la lista dei 14 canali utilizzati e le loro caratteristiche).

Lo stato di manovra si compone delle seguenti fasi:

- fase di scelta del canale da utilizzare da parte del Master;

- fase di risveglio degli Slave;

- fase di manovra;

- fase di fine manovra.

Per passare nello stato di manovra il sistema opera come segue (v. fig. 3):

- il Master riceve un comando da un utente di spostare ad es. un cancello (blocco A);

- il Master analizza tutti i canali disponibili, o una parte di essi, (blocco B), aggiornando la tabella statistica di “qualità dei canali” determinata in base ai fattori descritti in precedenza, e determina il canale migliore;

- il Master (blocco C) verifica grazie alla scansione appena eseguita i disturbi sul canale Cx usato nella manovra precedente e sul canale Cp (blocco D);

- il Master (blocco E) valuta se alla fine della manovra precedente tutti gli Slave hanno risposto ad un segnale di interrogazione;

- se (blocco E) tutti gli Slave hanno risposto, il Master valuta (blocco F) se il canale Cx usato nella manovra precedente è più disturbato del canale Cp. Se lo è (blocco G) il Master invia un comando di “wake up” agli Slave sul canale Cp, e poi userà il canale Cx scelto durante la scansione fatta nel blocco B. Se non lo è, il Master invia il comando di “wake up” sul canale Cx della precedente manovra (blocco MC), e poi userà il canale Cx scelto durante la scansione fatta nel blocco B.

Il nuovo canale scelto verrà comunicato successivamente dal Master agli Slave tramite il canale attualmente in uso (Cx o Cp)

Vantaggiosamente il Master può effettuare un doppio tentativo di risveglio degli Slave, tentando il risveglio anche sul canale Cp (canale di emergenza) dopo aver fallito il primo tentativo nel canale Cx.

Del resto il canale CP è utilizzato come canale di emergenza, ossia presumibilmente molto poco. Pertanto durante la non-manovra esso ha bassa probabilità di collisione (disturbi di altri trasmettitori).

Tutto questo evita ai Master e agli Slave di una rete di sintonizzarsi in ascolto su canali impegnati da altre reti, e migliora complessivamente il rapporto segnale/rumore delle trasmissioni nella rete.

La topologia Master-Slave della rete è una forma vantaggiosa perché semplifica il controllo, ma l’invenzione si applica anche ad una rete diversa, ad es. con topologia Token-ring.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di trasmissione tra componenti appartenenti ad una rete o ad un sistema (NT1) wireless per automazione domestica atto a manovrare ad es. cancelli scorrevoli o a battente, porte o portoni per garage, serrande, persiane, tende o avvolgibili in genere, ove i componenti sono configurati a rete e comunicano con mezzi wireless, caratterizzato dal fatto che un componente (MI) secondo criteri prefissati seleziona da una lista di almeno due canali predefiniti (Cx, Cp) il canale di comunicazione su cui trasmettere.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto componente scansiona tutti i canali predefiniti per analizzarne la qualità di trasmissione di ciascuno.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto componente crea e aggiorna una classifica di qualità per i canali della lista ed in base ad essa seleziona il canale di trasmissione futuro.
4. 4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto componente scambia con altri componenti (SI, S2) del sistema o rete, e/o esterni ad esso, la propria classifica di qualità.
5. 5. Metodo secondo le rivendicazioni 3 o 4, in cui il componente esegue un aggiornamento della classifica di qualità prima di ogni manovra.
6. 6. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la lista di canali comprende un canale fisso prestabilito (Cp) comune a tutti i componenti.
7. 7. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui solo un componente fra tutti esegue la selezione del canale di trasmissione e comanda agli altri componenti di usare il canale selezionato.
8. 8. Componente (MI) appartenente ad un sistema wireless (NT1) di automazione domestica atto a manovrare ad es. cancelli scorrevoli o portoni a battente, ove il componente è configurato a rete e comunica con mezzi wireless, caratterizzato dal fatto di essere configurato per selezionare secondo criteri prefissati da una lista di almeno due canali predefiniti (Cx, Cp) il canale di comunicazione su cui trasmettere.
9. 9. Componente secondo la rivendicazione 8, in cui il componente è configurato per scansionare tutti o una parte dei canali predefiniti per analizzarne la qualità di trasmissione, e per creare e aggiornare una classifica di qualità per i canali della lista usata per selezionare il canale di trasmissione futuro.
10. 10. Componente secondo la rivendicazione 8 o 9, configurato per scambiare con altri componenti del sistema e/o esterni ad esso la propria classifica di qualità.