一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法技术

一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法，本发明专利技术涉及面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法。本发明专利技术为了解决现有技术应用在稀疏流量的数据收集领域中时能耗过高以及电池寿命短的缺点。本发明专利技术包括：步骤一：采用同步网络和异步网络相结合的方式对网络状态进行统一的控制，依据网络调度将网络和节点状态划分为活跃和非活跃状态；步骤二：对步骤一中活跃状态的节点通过在线能耗测量方式，估算活跃状态节点的平均电流，并结合网络预设的目标电流，调整不同的信道检测周期，使活跃状态节点实际电流值接近目标电流值。本发明专利技术用于数据收集领域。

【技术实现步骤摘要】
一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法
本专利技术涉及面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法。
技术介绍
物联网技术的快速发展，给人们的生活带来了极大的便利。但是在多数的无线传感器网络的应用中，节点多采用电池供电，因此如何降低电池电量的消耗增加整个网络的寿命，成了关键问题。在文献《RPL:IPv6RoutingProtocolforLow-PowerandLossyNetworks》(NetzeH.RPL:IPv6RoutingProtocolforLow-PowerandLossyNetworks[J].HeiseZeitschriftenVerlag.)中提出基于收集树的RPL协议，达到无线网络的自组网。但是为了维护整个网络的拓扑，需要发送大量的网络控制消息，消耗过多的能量，并且网络中的节点有负载不均衡的现象，影响整个网络的寿命。在文献《TheContikiMACRadioDutyCyclingProtocol》(DunkelsA.TheContikiMACRadioDutyCyclingProtocol[J].SwedishInstituteofComputerScience,2012.)中Dunkels提出节点异步的醒来进行信道检测，如果检测到空中的数据包进行接收。该方法能够让节点周期性的做信道检测，并且持续时间很短，减少了节点处于接收状态的时间，从而降低了能耗。同时节点在发送数据时需要发送一系列相同的数据包用来唤醒邻居节点。在文献《RobustMeshNetworksThroughAutonomouslyScheduledTSCH》(DuquennoyS,AlNahasB,LandsiedelO,etal.Orchestra:RobustMeshNetworksThroughAutonomouslyScheduledTSCH[C].ACMConferenceonEmbeddedNetworkedSensorSystems.337-350,2015.)中，Duquennoy等人提出一种同步方案用来降低节点的能耗。整个网络进行时间同步，维护统一的时钟，节点之间根据接收者状态或者发送者状态，相互协商彼此进行发送和接收的时间。该方法需要高精度的时间同步技术，网络将在时间同步上消耗过多的能耗。上述两种方法分别是异步网络和同步网络，但是这两种网络都无法达到极低的能耗要求。如果将其应用在稀疏流量数据收集领域，网络寿命无法达到标准。因此需要设计出一种极低功耗的方法，用来增加整个网络的寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术应用在稀疏流量的数据收集领域中时能耗过高以及电池寿命短的缺点，而提出一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法。一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法包括以下步骤：步骤一：采用同步网络和异步网络相结合的方式对网络状态进行统一的控制，依据网络调度将网络和节点状态划分为活跃和非活跃状态；步骤二：对步骤一中活跃状态的节点通过在线能耗测量方式，估算活跃状态节点的平均电流，并结合网络预设的目标电流，调整不同的信道检测周期，使活跃状态节点实际电流值接近目标电流值。本专利技术使用混合网络模式和能耗均衡机制，可以有效的增加无线自组网中电池供电寿命不长的问题，使得网络的寿命极大的增加。本专利技术的有益效果为：本专利技术面向稀疏流量(每个节点每天有2-6个数据需要发送，每个数据的大小为100字节左右)的数据收集领域，网络中90％以上的时间都是无数据需要传输，因此本专利技术通过步骤一合理的管理整个网络的状态，减少节点在无数据传输时的能耗，将节点在无数据传输时的电流控制在10uA以下，这相比于异步网络在无数据传输时，节点的电流在100mA～500mA，本专利技术很大的降低了节点的电流；同时利用步骤二，降低在数据传输时电流过大的节点的电流，从而减少节点的整个状态的平均电流，延长网络的寿命。本专利技术针对稀疏流量无线自组织网络寿命较短的问题，本专利技术提出了一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗(3600毫安时的电池，实际可用电量为2160毫安时，需要达到8-10年的电池寿命)实现方法，该方法的主要优点是在保存无线自组织网络，自组网的特征前提下，达到高可靠性，超低功耗的目的。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为混合网络模式流程图；图3为能耗均衡机制流程图；具体实施方式具体实施方式一：如图1所示，一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法包括以下步骤：本专利技术方法能够在保持无线自组网的特性，网络高可靠性的前提下，达到极低的能耗。本专利技术主要包括混合网络模式(如图2所示)，能耗均衡机制(如图3所示)两部分。步骤一：采用同步网络和异步网络相结合的方式对网络状态进行统一的控制，依据网络调度将网络和节点状态划分为活跃和非活跃状态；网络绝大部分时间处于非活跃状态下，以极低功耗休眠。网络在少数时间内处于活跃状态，基于异步通信方式实现低功耗数据传输。步骤二：对步骤一中活跃状态的节点通过高精度的、在线能耗测量方式，估算活跃状态节点的平均电流，并结合网络预设的目标电流，调整不同的信道检测周期，使活跃状态节点实际电流值接近目标电流值。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中采用同步网络和异步网络相结合的方式对网络状态进行统一的控制，依据网络调度将网络和节点状态划分为活跃和非活跃状态的具体过程为：步骤一一：使用时间同步技术同步整个无线网络中所有节点的自然时间；步骤一二：网络管理节点向全网可靠地下发以位图(BITMAP)表示的、统一的调度信息(sche_map)，指示网络在各个时间段应处的活跃或非活跃状态；BITMAP中，0bit位表示非活跃状态，1bit位表示活跃状态。步骤一三：节点依据调度信息，结合节点的自然时间，转换节点的状态；步骤一四：若节点处在非活跃状态，节点关闭操作系统的事件定时器，停止进程的轮询和响应，停止对信道的检测，关闭节点的射频，以极低功耗运行，所述极低功耗的典型值是1～10微安；步骤一五：若节点处在活跃状态，网络中的节点处于异步低功耗侦听模式，节点周期性的(根据应用场景人为设置)进行信道检测，支持数据的无线收发；同时，节点开启操作系统的事件定时器，进行进程轮询和事件响应，支持网络协议和应用功能的执行。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中对步骤一中活跃状态的节点通过在线能耗测量方式，估算活跃状态节点的平均电流，并结合网络预设的目标电流，调整不同的信道检测周期，使活跃状态节点实际电流值接近目标电流值的具体过程为：步骤二一：网络中的节点具有统一的目标电流值(current_budget)和电流偏差值(current_guard)；步骤二二：节点测量并统计微控制器(MCU)和射频处在不同模式的时间，进行节点平均电流的估算；节点在从非活跃状态转成活跃状态时，根据不同模式下的电流计算出节点当前的平均电流(present_current)；步骤二三：节点从非活跃状态转换成活跃状态时，计算节点当前的平均电流(present_current)，判断节点当前的平均电流是否在[current_budget-current_gua本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法，其特征在于：所述面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法包括以下步骤：步骤一：采用同步网络和异步网络相结合的方式对网络状态进行统一的控制，依据网络调度将网络和节点状态划分为活跃和非活跃状态；步骤二：对步骤一中活跃状态的节点通过在线能耗测量方式，估算活跃状态节点的平均电流，并结合网络预设的目标电流，调整不同的信道检测周期，使活跃状态节点实际电流值接近目标电流值。

【技术特征摘要】
1.一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法，其特征在于：所述面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法包括以下步骤：步骤一：采用同步网络和异步网络相结合的方式对网络状态进行统一的控制，依据网络调度将网络和节点状态划分为活跃和非活跃状态；步骤二：对步骤一中活跃状态的节点通过在线能耗测量方式，估算活跃状态节点的平均电流，并结合网络预设的目标电流，调整不同的信道检测周期，使活跃状态节点实际电流值接近目标电流值。2.根据权利要求1所述一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法，其特征在于：所述步骤一中采用同步网络和异步网络相结合的方式对网络状态进行统一的控制，依据网络调度将网络和节点状态划分为活跃和非活跃状态的具体过程为：步骤一一：使用时间同步技术同步整个无线网络中所有节点的自然时间；步骤一二：网络管理节点向全网下发以位图表示的、统一的调度信息，指示网络在各个时间段应处的活跃或非活跃状态；步骤一三：节点依据调度信息，结合节点的自然时间，转换节点的状态；步骤一四：若节点处在非活跃状态，节点关闭操作系统的事件定时器，停止进程的轮询和响应，停止对信道的检测，关闭节点的射频，以极低功耗运行，所述极低功耗是1～10微安；步骤一五：若节点处在活跃状态，网络中的节点处于异步侦听模式，节点周期性的进行信道检测，支持数据的无线收发；节点开启操作系统的事件定时器，进行进程轮询和事件响应，支持网络协议和应用功能的执行。3.根据权利要求2所述一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法，其特征在于：所述步骤二中对步骤一中活跃状态的节点通过在线能耗测量方式，估算活跃状态节点的平均电流，并结合网络预设的目标电流，调整不同的信道检测周期，使活跃状态节点实际电流值接近目标电流值的具体过程为：步骤二一：网络中的节点具有统一的目标电流值和电流偏差值；步骤二二：节点测量并统计微控制器和射频处在不同模式的时间，进行节点平均电流的估算；节点在从非活跃状态转成活跃状态时，根据不同模式下的电流计算出节点当前的平均电流；步骤二三：判断节点当前的平均电流是否在[current_budget-current_guard,current_budget+current_guard]范围内；其中current_budget为节点的目标电流值，current_guard为节点的电流偏差值；若节点当前的平均电流不在[current_budget-current_guard,current_budget+current_guard]范围内，则节点继续执行步骤二四；若节点当前的平均电流在[current_budget-current_guard,current_budget+current_guard]范围内，则返回步骤二二迭代执行；...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂兰顺，张伟，杨强强，郭雪楠，初佃辉，徐晓飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23