CN104796972B - 用于降低无线传感器功耗的通信方法以及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于降低无线传感器功耗的通信方法以及应用，该方法包括无线传感器调整采集和发送数据机制、主控机接收和下达指令机制、主控机与无线传感器之间的协议框架，其中无线传感器调整采集及发送数据机制的特征主要为：不实时监听无线信号，上传间隔不固定，采集间隔不固定，可接收回带协议，数据突变可及时上报，防碰撞；主控机接收及下达指令机制的特征主要为：根据实际需求下达对应传感器的采集间隔、数据突变阈值、上传优先级、上传数据种类（历史或实时数据）；主控机与无线传感器之间的协议框架的主要特征为：帮助实现无线传感器调整采集及发送数据机制和主控机接收及下达指令机制，协议包括传感器上传协议及中控机下达指令的回带协议。
Description
技术领域
本发明涉及冷链环境监控装备及监控技术领域，特别是一种冷链环境的无线温湿度监控方法以及应用。
背景技术
微环境（温湿度、气体等参数的变化和分布）的精细化控制得益于大量传感器的布置，实际操作中，为便于安装和调整位置，目前大量传感器的数据传输开始通过无线方式进行。目前对无线传感器网络的研究有了很大的发展，然而功耗问题仍然是制约无线传感器网络发展的重要因素。由于传感器节点体积微小，携带电池能量有限，常常因电源能量的原因失效或废弃，如果说传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源的话，传感器网络的首要设计目标就是能源的高效利用，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战，这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。
虽然不同的传感器节点在各自的功率数值上会有所差别，但对于大多数传感器节点而言，能耗分布总的特征是一致的，即：第一，传感器模块和处理器模块的能耗要远小于通信模块的能耗，即50%以上消耗在通信模块，剩余功耗中又有50%以上消耗在传感器数据采集上；第二，通信模块在发送数据、接收数据以及休眠时消耗了大量的能量，而通信模块在休眠模式下的能耗要小的多。
发明内容
本发明主要用于解决单主机多传感器的情况下，如何降低无线传感器功耗的问题。为解决以上问题，本发明提供了用于降低无线传感器功耗的通信方法以及应用，在防止数据空中碰撞情况出现，可以有效降低无线传感器的无效发送次数降低功耗，同时在紧急情况下，数据又能及时上传至主控机。
一种用于降低无线传感器功耗的通信方法，包括无线传感器调整采集和发送数据机制、主控机接收和下达指令机制、主控机与无线传感器之间的协议框架；所述的无线传感器调整采集和发送数据机制中采集数据时间间隔、发送数据时间间隔、数据突变阈值、优先级、发送数据类型由主控机上次通信时进行设定，随机休眠时长在优先级权重上进行随机，即优先级越高，随机休眠时长越短，不实时监听无线信号，上传间隔不固定，采集间隔不固定，可接收回带协议，数据突变可及时上报主控机，防碰撞。
所述的主控机接收和下达指令机制中回带的指令和参数，根据实际控制微环境参数的要求，并结合接收到的数据的处理结果进行设置，根据实际需求下达对应无线传感器的采集间隔、数据突变阈值、上传优先级、上传数据种类，所述数据种类包括历史或实时数据。
所述的主控机与无线传感器之间的协议框架帮助实现无线传感器调整采集和发送数据机制、主控机接收和下达指令机制，协议包括无线传感器上传协议及主控机下达指令的回带协议。
所述的通信方法，具体步骤如下：
（1）数据采集时间判断：主控机设定了每隔一段时间间隔无线传感器会对其所处环境的数据进行采集，无线传感器首先判断当前数据采集时间是否到了，如果数据采集时间到，则进入步骤（3），如果数据采集时间未到，则进入步骤（2）；
（2）数据发送时间判断：主控机设定了每隔一段时间间隔无线传感器会向其发送该时间间隔内采集的数据包，无线传感器首先判断当前数据发送时间是否到了，如果数据发送时间到，则进入步骤（6），如果数据发送时间未到，则无线传感器继续休眠；
（3）数据采集记录：主控机的MCU采集无线传感器的数据并记录，进入步骤（4）；
（4）数据突变阈值判断：无线传感器判断其采集到的数据是否有异常，如果超过了设定上下限值，达到突变阈值，则进入步骤（5），如果没有达到阈值，则无线传感器返回休眠状态等待下一次采集数据时间判断；
（5）调整无线传感器优先级：如果无线传感器采集到的数据异常，则其自动调整优先级至最高级，随后进入步骤（6）；
（6）网络通信发生判断：在无线传感器向主控机发送数据包之前，会自动先监听网络状态，判断网络上是否有信息传输发生，如果有通信发生，则进入步骤（7），如果没有通信发生，则进入步骤（9）；
（7）调整休眠时长：无线传感器根据其优先级权重自动调整设置休眠时间长度后进入步骤（8），休眠时间根据优先级不同而不同，优先级越高，休眠时间越短；
（8）短休眠：无线传感器根据调整后的休眠时长进行短休眠，休眠结束后再次回到步骤（6），等待网络通信发生的判断，直至网络状态符合要求进入步骤（9）；
（9）发送数据：网络状态符合要求时，无线传感器向主控机发送数据，进入步骤（10）；
（10）收到主控机回复判断：在当前某一时刻，可能同时有多个无线传感器都在向主控机发送数据，主控机在收到某个无线传感器发送过来的数据后会向该无线传感器发送指令以表示本次数据发送成功，当无线传感器接收到主控机的指令后进入步骤（11），如果无线传感器没有接收到主控机的指令或在等待指令的时长已超时，则返回步骤（7），等待下一次数据发送；
（11）调整无线传感器参数：主控机根据收到的传感器数据调整无线传感器的参数，返回步骤（1），等待下一次采集数据时间判断。
所述的通信方法，应用于冷链环境，或者储存和/或运输系统。运输系统包括运输装置如卡车等，也可以是不包括运输装置的IT系统。
一种采用了所述通信方法的冷链环境，或者储存和/或运输系统。
本发明的有益效果：
本发明提出的降低无线传感器功耗的方法，能够比普通无线传感器网络功耗降低60%~80%，极大程度延长了无线传感器的寿命，推动无线传感器网络的发展。具体如下：
1）可有效防止无线信号传输时数据空中碰撞情况的出现，有效降低了无线传感器的无效发送次数从而大大降低的功耗；
2）无线传感器不需实时监听无线信号，降低了能耗；
3）主控机可根据实际需求下达对应传感器的采集间隔、上传优先级，使方法应用更简便，范围更广；
4）无线传感器数据能够及时上传至主控机，避免紧急情况下的数据丢失。
附图说明
图1是主控机与无线传感器布置结构示意图；
图2是无线传感器调整采集及发送数据机制；
图3是主控机接收及下达指令机制。
具体实施方式
本发明是一种用于降低无线传感器功耗的通信方法，包括无线传感器调整采集和发送数据机制、主控机接收和下达指令机制、主控机与无线传感器之间的协议框架。无线传感器调整采集和发送数据机制中采集数据时间间隔、发送数据时间间隔、数据突变阈值、优先级、发送数据类型由主控机上次通信时进行设定，随机休眠时长在优先级权重上进行随机，即优先级越高，随机休眠时长越短，不实时监听无线信号，上传间隔不固定，采集间隔不固定，可接收回带协议，数据突变可及时上报主控机，防碰撞。主控机接收和下达指令机制中回带的指令和参数，根据实际控制微环境参数的要求，并结合接收到的数据的处理结果进行设置，根据实际需求下达对应无线传感器的采集间隔、数据突变阈值、上传优先级、上传数据种类，所述数据种类包括历史或实时数据。所述的主控机与无线传感器之间的协议框架帮助实现无线传感器调整采集和发送数据机制、主控机接收和下达指令机制，协议包括无线传感器上传协议及主控机下达指令的回带协议。
在果蔬冷藏运输车厢中布置有10个无线温度传感器，10个无线湿度传感器，3个无线CO2传感器，在车头驾驶室放置有一台主控机，主控机与全部共23个无线传感器的连接方式如图1所示，通过无线方式进行连接，无线传感器将监测到的数据发送给主控机，采集及发送数据机制如图2所示，三类无线传感器采集及发送数据机制相同，具体步骤如下：
（1）数据采集时间判断：主控机设定了每隔一段时间间隔无线传感器会对其所处环境的数据进行采集，无线传感器首先判断当前数据采集时间是否到了，如果数据采集时间到，则进入步骤（3），如果数据采集时间未到，则进入步骤（2）；
（2）数据发送时间判断：主控机设定了每隔一段时间间隔无线传感器会向其发送该时间间隔内采集的数据包，无线传感器首先判断当前数据发送时间是否到了，如果数据发送时间到，则进入步骤（6），如果数据发送时间未到，则无线传感器继续休眠；
（3）数据采集记录：主控机的MCU采集无线传感器的数据并记录，进入步骤（4）；
（4）数据突变阈值判断：无线传感器判断其采集到的数据是否有异常，如果超过了设定上下限值，达到突变阈值，则进入步骤（5），如果没有达到阈值，则无线传感器返回休眠状态等待下一次采集数据时间判断；
（5）调整无线传感器优先级：如果无线传感器采集到的数据异常，则其自动调整优先级至最高级，随后进入步骤（6）；
（6）网络通信发生判断：在无线传感器向主控机发送数据包之前，会自动先监听网络状态，判断网络上是否有信息传输发生，如果有通信发生，则进入步骤（7），如果没有通信发生，则进入步骤（9）；
（7）调整休眠时长：无线传感器根据其优先级权重自动调整设置休眠时间长度后进入步骤（8），休眠时间根据优先级不同而不同，优先级越高，休眠时间越短；
（8）短休眠：无线传感器根据调整后的休眠时长进行短休眠，休眠结束后再次回到步骤（6），等待网络通信发生的判断，直至网络状态符合要求进入步骤（9）；
（9）发送数据：网络状态符合要求时，无线传感器向主控机发送数据，进入步骤（10）；
（10）收到主控机回复判断：在当前某一时刻，可能同时有多个无线传感器都在向主控机发送数据，主控机在收到某个无线传感器发送过来的数据后会向该无线传感器发送指令以表示本次数据发送成功，当无线传感器接收到主控机的指令后进入步骤（11），如果无线传感器没有接收到主控机的指令或在等待指令的时长已超时，则返回步骤（7），等待下一次数据发送。
（11）调整无线传感器参数：主控机根据收到的传感器数据调整无线传感器的参数，返回步骤（1），等待下一次采集数据时间判断。
其中采集数据时间间隔、发送数据时间间隔、数据突变阈值、优先级调整、发送数据类型由主控机上次通信时进行设定，初始默认值如表1所示，发送数据协议包如表2所示。
表1
| 无线温度传感器 | 无线湿度传感器 | 无线CO2传感器 | |
| 采集数据时间间隔（min） | 1 | 1 | 5 |
| 发送数据时间间隔（min） | 3 | 5 | 5 |
| 数据突变阈值 | 2~5 ℃ | 85~95% | 3000~10000ppb |
| 初始优先级 | 3 | 2 | 1 |
| 发送数据类型 | 历史数据 | 历史数据 | 实时数据 |
表2
| 传感器发送头帧 | 数据包长度信息 | 传感器ID | 传感器类型 | 数据类型 | 采集到的有效数据 | 传感器电量 | 尾帧 | 校验 |
主控机接收和下达指令机制如图3所示，主控机监听网络，当他收到23个传感器中任何一个传感器发送的数据时，进行数据处理并同时发送相应回带指令和参数，主控机回复回带指令和参数协议包如表3所示。
表3
| 主控机发送头帧 | 数据包长度信息 | 传感器ID | 采集数据间隔 | 发送数据间隔 | 数据突变阈值 | 请求数据类型 | 优先级 | 尾帧 | 校验 |
Claims (2)
1.一种用于降低无线传感器功耗的通信方法，其特征在于，包括无线传感器调整采集和发送数据机制、主控机接收和下达指令机制、主控机与无线传感器之间的协议框架；所述的无线传感器调整采集和发送数据机制中采集数据时间间隔、发送数据时间间隔、数据突变阈值、优先级、发送数据类型由主控机上次通信时进行设定，随机休眠时长在优先级权重上进行随机，即优先级越高，随机休眠时长越短，不实时监听无线信号，上传间隔不固定，采集间隔不固定，可接收回带协议，数据突变可及时上报主控机，防碰撞；
所述的主控机接收和下达指令机制中回带的指令和参数，根据实际控制微环境参数的要求，并结合接收到的数据的处理结果进行设置，根据实际需求下达对应无线传感器的采集间隔、数据突变阈值、上传优先级、上传数据种类，所述数据种类包括历史或实时数据；
所述的主控机与无线传感器之间的协议框架帮助实现无线传感器调整采集和发送数据机制、主控机接收和下达指令机制，协议包括无线传感器上传协议及主控机下达指令的回带协议；
具体步骤如下：
（1）数据采集时间判断：主控机设定了每隔一段时间间隔无线传感器会对其所处环境的数据进行采集，无线传感器首先判断当前数据采集时间是否到了，如果数据采集时间到，则进入步骤（3），如果数据采集时间未到，则进入步骤（2）；
（2）数据发送时间判断：主控机设定了每隔一段时间间隔无线传感器会向其发送该时间间隔内采集的数据包，无线传感器首先判断当前数据发送时间是否到了，如果数据发送时间到，则进入步骤（6），如果数据发送时间未到，则无线传感器继续休眠；
（3）数据采集记录：主控机的MCU采集无线传感器的数据并记录，进入步骤（4）；
（4）数据突变阈值判断：无线传感器判断其采集到的数据是否有异常，如果超过了设定上下限值，达到突变阈值，则进入步骤（5），如果没有达到阈值，则无线传感器返回休眠状态等待下一次采集数据时间判断；
（5）调整无线传感器优先级：如果无线传感器采集到的数据异常，则其自动调整优先级至最高级，随后进入步骤（6）；
（6）网络通信发生判断：在无线传感器向主控机发送数据包之前，会自动先监听网络状态，判断网络上是否有信息传输发生，如果有通信发生，则进入步骤（7），如果没有通信发生，则进入步骤（9）；
（7）调整休眠时长：无线传感器根据其优先级权重自动调整设置休眠时间长度后进入步骤（8），休眠时间根据优先级不同而不同，优先级越高，休眠时间越短；
（8）短休眠：无线传感器根据调整后的休眠时长进行短休眠，休眠结束后再次回到步骤（6），等待网络通信发生的判断，直至网络状态符合要求进入步骤（9）；
（9）发送数据：网络状态符合要求时，无线传感器向主控机发送数据，进入步骤（10）；
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（11）调整无线传感器参数：主控机根据收到的传感器数据调整无线传感器的参数，返回步骤（1），等待下一次采集数据时间判断。
2.根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于，应用于冷链环境，或者储存和/或运输系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |