CN101449525B - 控制传感器网络节点能量消耗的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制传感器网络节点能量消耗的方法及装置，其中该方法包括步骤：获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数。利用本发明，可以在无线传感器网络中传感器节点的通信能力和电源能量有限的前提下，更加有效地利用网络资源，节省传感器节点的功耗，延长传感器网络的寿命。

Description

控制传感器网络节点能量消耗的方法及装置
背景技术
本发明涉及一种无线传感器网络，特别是涉及一种控制无线传感器网络中节点能量消耗的方法及装置。
传感器网络面临一些局限性。首先，传感器网络的通信能力十分有限；传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米，如果数据传输超过了可用带宽，就可能会造成很高的数据包丢失率(lost-packet rate)。
其次，传感器的电源能量极其有限；传感器网络的信息感知，数据处理和通信都需要大量的能量，基于电池供电的传感器网络的节点电源如果无法替换，导致的能量消耗问题会直接影响整个传感器网络的生命周期。
簇(Cluster)首数据融合是一种通过减少网络通信量以减少节点能量消耗的手段，按照这种方法，传感器网络通常包括多个节点簇，每个节点簇包括一个中心节点，一个传感器网络被分割成多个传感器子网，以避免直接从各个传感器节点传输原始数据到传感器网络基站的数据通讯瓶颈。
此外，Zigbee网络中汇节点(即簇首节点)和传感器节点之间基于需求时唤醒的工作模式，也可以部分地解决传感器网络中能源供给的问题。
然而，传感器网络中包括多个传感器节点，每一个传感器节点的数据处理和通信状况各不相同，相应的能量消耗状况也各不相同。因此，在无线传感器网络中传感器节点的通信能力和电源能量有限的前提下，如何更加有效地利用网络资源以节省传感器节点的功耗，延长传感器网络的整体寿命，仍然是有待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种控制传感器网络节点能量消耗的方法及装置，能够有效地利用网络资源以节省传感器节点的功耗，延长传感器网络的整体寿命。
按照本发明所提供的一种控制一个网络的能量消耗的方法，包括步骤：获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数。
按照本发明所提供的一种控制一个网络的能量消耗的装置，包括：一个获取装置，用于获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；一个调节装置，用于根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数。
按照本发明所提供的一种控制一个网络的能量消耗的计算机程序产品，包括：代码用于获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；代码用于根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数。
按照本发明所提供的一种网络，包括：多个节点；及一个网络控制器，与该多个节点相连接；其中，所述网络控制器，包括：一个获取装置，用于获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；一个调节装置，用于根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数。
综上所述，本发明所提供的装置及方法，可以在无线传感器网络中传感器节点的通信能力和电源能量有限的前提下，根据节点的能量信息相应地调节该节点的数据传输参数，节省传感器节点的功耗，延长传感器网络的寿命，更加有效地利用网络资源。
通过下文中参照附图对本发明所作的描述和权利要求，本发明的其它目的和成就将显而易见，并可对本发明有全面的理解。
附图简述
图1是根据本发明一个实施例的一种传感器网络结构示意图。
图2是根据本发明另一个实施例的一种传感器网络结构示意图。
图3是根据本发明一个实施例的传感器网络中网络控制器的功能结构示意图。
图4是根据本发明一个实施例控制传感器网络节点能量消耗的方法流程图。
图5是根据本发明一个实施例控制传感器网络节点能量消耗的方法示意图。
在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。
发明详述
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述。
根据本发明一个实施例，下面将以在一个无线传感器网络中控制传感器节点能量消耗的方法及装置来对本发明进行详细说明，本技术领域的人员应当理解，本发明也可以在不脱离本发明内容的基础上做出改进而应用于其它类型的网络中，例如蓝牙网络或无线局域网络(WLAN)。
在一个无线传感器网络中，为了确保数据传输的成功，一个节点传输一个数据到一个接收节点，接收节点成功接受到数据后会发回一个回馈信息，以确认数据传输成功。如果在一个等待时间(retransmissiontimeout)内发送数据的节点没有接收到数据传输成功的回馈信息，则会将该数据进行重发。如果重发后，发送数据的节点仍然没有接收到数据传输成功的回馈信息，则会将该数据进行多次重发，直至数据传输成功。或者，经过一定次数重发后仍未成功，则放弃数据传输。
图1是根据本发明一个实施例的一种传感器网络结构示意图。该传感器网络包括传感器网络控制器110、多个无线传感器节点120和多个有线传感器节点130。
传感器120及130通过有线或无线的方式与传感器网络控制器110连接，其中传感器网络控制器110用来进行数据汇集，其作用可以类似一个无线通信网络中的基站或有线通信网络中路由器或者二者的结合。各传感器120及130与传感器网络控制器110之间的有线通信可以利用局域网(LAN)或专用的通信线路等方式，无线通信可以利用无线局域网标准(WLAN)或蓝牙(Bluetooth)标准等。
各传感器节点120，130将检测结果等信息传输给传感器网络控制器110，例如，图中实线所示的有线传输。同时，传感器网络控制器110也可以将控制信号发送到各个传感器120，130，例如，图中虚线所示的有线传输；对其进行优化处理。该优化处理包括决定是否要将信息通过某一传感器传输，对某一传感器的采样速率进行调整，或判断是否对某一传感器的数据进行加密等等。从图1中可以看出，传感器网络控制器110是所有检测数据的汇集点，是对检测数据进行分析处理，从而得出 检测结果的处理中心，也是对网络进行优化的控制中心。
图2是根据本发明另一实施例的一种传感器网络结构示意图。在本实施例中，多个传感器120及130以有线或无线的方式连接到数据汇集器210，构成传感器网络220。不同的传感器网络220，230和240通过其各自的数据汇集器与传感器网络控制器250相连。传感器网络控制器250既从各个传感器网络220，230和240收集传感器数据，又将控制命令发送给各传感器网络220，230和240，通过数据汇集器，如210，对网络中的各传感器120及130进行上述各种优化处理。
如图3所示，是根据本发明一个实施例一个传感器网络控制器的功能结构示意图。
该传感器网络控制器300包括一个能量信息获取装置312和一个调节装置320，其中该能量信息获取装置312用于获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况。例如，该能量信息可以表示一个传感器节点的电能供应状况，例如，一个节点的电能状况可以被分成高，中，低三个的等级，可以分别用数值3，2及1表示。
能量信息可以由网络中的节点上的电能监测装置(图中未示出)监测并传送给该能量信息获取装置312。
该调节装置320用于根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数。其中该数据传输参数可以是重新传输等待时间和/或重新传输次数，其中重新传输等待时间是指发送数据的节点没有接收到数据传输成功的回馈信息，则会将该数据进行重发的等待时间；重新传输次数是指发送数据的节点没有接收到数据传输成功的回馈信息，则会将该数据进行重发的次数。
根据本发明的一个实施例，该传感器网络控制器300还包括一个可用带宽获取装置314，用于获取一个节点在传输数据时的可用带宽状况。该可用带宽状况可以通过一个网络监测装置(图中未示出)监测并传送给该可用带宽获取装置314。
该调节装置320包括一个等待时间调节装置322，用于根据获取装置获取的能量信息来调整传感器节点的重新传输数据的等待时间。传感器节点的电源供应越充足，则将重新传输数据到目标传感器节点的等待时间调节成越短，反之，则重新传输数据的等待时间调节成越长，这样，可以节省传感器节点的电源消耗。
该调节装置320包括一个重新传输次数调节装置324，用于根据获取装置获取的能量信息来调整传感器节点在数据传送失败后，重新传输该数据的次数。传感器节点的电源供应越充足，则将重新传输数据到目标传感器节点的次数调节成越多，反之，则重新传输数据的次数调节成越少，这样，可以节省传感器节点的电源消耗。
传感器网络控制器300还包括一个传输装置330，用于传感器节点发送和接收数据，与传感器网络中的其它各传感器节点之间进行通信。例如，该传输装置330可以是Zigbee/蓝牙网络协议下的信号发送/接收器。
在本实施例中，网络控制器300的电能获取，可用带宽获取，调节重新传输等待时间和调节重新传输次数的功能可以由一个传感器网络中的不同节点来完成，只要这些不同的节点之间可以相互通信。
应当可以理解，根据本发明的一个实施例图3中所揭露的该传感器网络控制器300所具有的全部/部分功能，还可以借助于一个适当地编程的计算机来实现，该计算机装有一个用于控制传感器网络节点能量消耗的计算机程序。该计算机程序包括：代码用于获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；代码用于根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数。
上述的这样一种计算机程序产品可以存储在一个存储载体中。
可以将上述的计算机程序代码的这些部分提供给一个处理器以生成一种机器，从而在该处理器上执行的该代码创建实现上述的功能的装置。
如图4所示，是根据本发明一个实施例优化无线传感器网络的方法流程图。
首先，在步骤S410，初始化传感器网络中各传感器节点的数据传输参数，在初始化通信过程中，汇节点主动广播连接信令，在传感器节点成功地接收和验证一个数据帧和MAC(Media Access Control，介质访问控制)命令帧后，向汇节点返回确认帧。然后，传感器节点被置于休眠工作模式。接下来汇节点与传感器节点进行主从角色转换，汇节点模块处于从模式工作状态，等候响应连接请求信令；而传感器节点工作在主模式下，等待着有需求时被唤醒或以其它方式发起连接请求。
经过初始化后，可以得到两个初始化的数据传输参数：一个重新传 输等待时间和一个重新传输次数。
在步骤S420，该传感器节点开始传输数据到另一个传感器节点。
在步骤S430，判断在一个经初始化后的重新传输等待时间内是否收到另一个传感器节点回馈的数据接收成功的确认信息。如果在该等待时间内收到了确认信息，则直接结束整个流程。
如果该传感器节点在初始化的时间内未收到确认信息，则在步骤S335，判断是否达到数据重新传输的总尝试次数(即初始化的重新传输次数或调整后的重新传输次数)，如果已达到数据重新传输的总尝试次数，则则直接结束整个流程。
如果经判断未达到数据重新传输的总尝试次数，则在步骤S340，该传感器节点首先获取其本身当前的能量状况信息，并可获取传感器网络中当前可用带宽信息。
在步骤S450，根据获得的能量状况信息和/或当前可用带宽信息，相应地调节重新传输等待时间和重新传输次数。
传感器节点的电源供应越充足，则将重新传输数据到目标传感器节点的等待时间调节成越短，反之，则重新传输数据的等待时间调节成越长，这样，可以节省传感器节点的电源消耗。传感器节点的电源供应越充足，则将重新传输数据到目标传感器节点的次数调节成越多，反之，则重新传输数据的次数调节成越少，这样，可以节省传感器节点的电源消耗。
同理，传感器节点的可用带宽越充足，则将重新传输数据到目标传感器节点的等待时间调节成越短，反之，则重新传输数据的等待时间调节成越长。详细的调节可以参考图5所示。
在步骤S460，根据调节后的数据传输参数，即重新传输等待时间和重新传输次数，重新传输数据。
在步骤S470，判断在调整后的重新传输等待时间内是否收到另一个传感器节点回馈的数据接收成功的确认信息。如果在初始化的时间内收到了确认信息，则直接结束整个流程。否则，跳至步骤S440，再一次获取其本身当前的能量状况信息，以及获取传感器网络中当前可用带宽信息，并根据该能量状况信息和当前可用带宽信息调整重新传输时间以及重新传输次数，直到数据传输成功或者达到重新传输次数而放弃传输。
可以理解的是，其中调节数据传输数据(步骤S450)的频率可以根 据实际网络情况调整，例如，每三次数据发送失败后调节一次，或者每个一定周期如三十分钟调节一次。
图5是根据本发明一个实施例控制一个传感器网络节点能量消耗的方法示意图。
如图所示，其中T表示一个传感器节点在两次数据传输中间的间隔时间；t1，t2及t3表示该传感器节点多次传输一个数据所分别用的时间；b表示网络可用带宽，bH，bM及bL分别表示可用带宽较高，可用带宽中等及可用带宽较低；pS表示该传感器节点的电源供应状况，例如，一个节点的电能状况可以被分成高，中，低三个的等级，可以分别用电能信息1，2及3表示。
首先，在阶段1，在t1时间内，该传感器节点传输一个数据到一个目标传感器节点，当前的可用带宽为bH，该传感器节点的电源供应状况为p1，则在如果时间T/(n*bH*p1)内，该传感器节点未收到目标传感器节点的数据接收成功的确认信息，则进入阶段2，重新传输数据到目标传感器节点。其中n为一个调节系数，例如，可以根据实际的传感器节点电源供电状况，设定n等于20～30。
接下来，在阶段2，在t2时间内，该传感器节点重新传输同一个数据到目标传感器节点，同时，根据更新的信息，获知当前的可用带宽为bM，该传感器节点的电源供应状况为p2，则调节重新传输的等待时间为：T/(n*bM*p2)。
根据调节后的等待时间，如果时间点t1+t2+T/(n*bH*p1)+T/(n*bM*p2)，该传感器节点未收到目标传感器节点的数据接收成功的确认信息，则进入阶段3，重新传输数据到目标传感器节点。
接下来，在阶段3，在t3时间内，该传感器节点再一次重新传输同一个数据到目标传感器节点，同时，根据更新的信息，获知当前的可用带宽为bL，该传感器节点的电源供应状况为p3，则调节重新传输的等待时间为：T/(n*bL*p3)。
根据调节后的等待时间，如果时间点t1+t2+t3+T/(n*bH*p1)+T/(n*bM*p2)+T/(n*bL*p3)，该传感器节点未收到目标传感器节点的数据接收成功的确认信息，则继续重新传输数据到目标传感器节点，直至数据传输成功或者达到重新传输次数而放弃传输。
根据本发明一个实施例，重新传输数据到目标传感器节点的次数可 以根据传感器节点的电源供应状况而相应地调节。传感器节点的电源供应越充足，则将重新传输数据到目标传感器节点的总尝试次数调节成越多，反之，则重新传输数据的(总尝试)次数调节成越少，这样，可以节省传感器节点的电源消耗。
例如，一个传感器节点的电能状况pS可以被分成高，中，低三个的等级，可以分别用数值1，2及3表示，则重新传输数据的总尝试次数R可以通过R＝m/pS计算出来。其中m为一个正整数的系数，例如可以设定m＝8，则传感器节点的电能状况pS＝2时，重新传输数据的次数R等于4次。
本领域技术人员应当理解，本发明所公开的的方法及装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (7)

1.一种控制一个网络的能量消耗的方法，包括步骤：
（a）获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；
（b）根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数；以及
该方法进一步包括步骤：获取一个带宽信息，该带宽信息用于表示该节点的可用带宽状况；其中步骤（b）包括步骤：根据该能量信息和该带宽信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数，所述数据传输参数是重新传输等待时间和/或重新传输次数。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述重新传输等待时间是指数据传输失败后，所述节点开始重新传输该数据的等待时间，以及该节点的电源供应或者可用带宽越充足，则该等待时间被调节成越短，反之则调节成越长。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述重新传输次数是指数据传输失败后，所述节点开始重新传输该数据的次数，以及该节点的电源供应越充足，则该次数被调节成越多，反之则调节成越少。
4.一种控制一个网络的能量消耗的设备，包括：
一个获取装置，用于获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；
一个调节装置，用于根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数；以及
该设备进一步包括：一个带宽信息获取装置，用于获取一个带宽信息，该带宽信息用于表示该节点的可用带宽状况；其中该调节装置用于根据该能量信息和该带宽信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数，所述数据传输参数是重新传输等待时间和/或重新传输次数。
5.按照权利要求4所述的设备，其中所述重新传输等待时间是指数据传输失败后，所述节点开始重新传输该数据的等待时间，以及该节点的电源供应或者可用带宽越充足，则该等待时间被调节成越短，反之则调节成越长。
6.按照权利要求4所述的设备，其中所述重新传输次数是指数据传输失败后，所述节点开始重新传输该数据的次数，以及该节点的电源供应越充足，则该次数被调节成越多，反之则调节成越少。
7.一种网络，包括：
多个节点；及
一个网络控制器，与该多个节点相连接；
其中，所述网络控制器包括：
一个获取装置，用于获取一个能量信息，该能量信息用于表示该网络中一个节点的能量状况；及
一个调节装置，用于根据该能量信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数；以及
所述网络控制器进一步包括：一个带宽信息获取装置，用于获取一个带宽信息，该带宽信息用于表示该节点的可用带宽状况；其中该调节装置用于根据该能量信息和该带宽信息，相应地调节该节点的至少一个数据传输参数，所述数据传输参数是重新传输等待时间和/或重新传输次数。
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