CN106550437B - 降低ZigBee网络系统耗能的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种降低ZigBee网络系统耗能的装置及方法，本发明在Zigbee协调器中增设装置，通过终端设备唤醒周期测量单元来动态测量网络中所有接入的Zigbee设备的唤醒周期，再经协调器唤醒周期计算单元将测得的数据汇总作为协调器的唤醒周期，协调器间断地被协调器唤醒控制单元所唤醒，不断地再去唤醒其他终端设备，解决了目前Zigbee网络中协调器必须永久处于工作状态的限制，从而可以使得对电流消耗要求很高的Zigbee设备可以在Zigbee网络中充当协调器，提高了系统的灵活性，降低了投入成本。同时，本发明多周期测量计算的方式能够保证所有Zigbee终端上报的消息被接收，保证了ZigBee网络系统的工作可靠性。

Description

降低ZigBee网络系统耗能的装置及方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及ZigBee网络系统，特别是涉及一种能够降低ZigBee网络系统耗能的装置及方法。
背景技术
在短距离无线通信系统中，Zigbee系统由于其具备的一些典型的特点(灵活自组网能力、成本低等)得到了广泛的应用，如家电控制、安防系统、家政物业、智能家居等。在Zigbee无线通信系统中，不同的Zigbee设备被赋予不同的角色，主要有：协调器(Coordinator)、路由器(Router)和设备(Device)。协调器的作用是启动网络初始化、组织网络节点和存储各节点信息；路由器的作用是管理每对节点的路由信息；终端设备是网络中的叶节点，可以是任何类型的Zigbee物理设备。
在传统的Zigbee无线通信系统中，协调器由于负责网络节点的管理，需要处于永久的工作状态(即不能关机或者进入休眠状态)，否则会导致很多网络问题，比如：Zigbee终端设备接入失败、传输数据包丢失、动态网络调整失败等。这样的要求(Zigbee协调器处于永久的工作状态)导致Zigbee系统在某些场合的应用具有很大的局限性，如Zigbee协调器是对电流消耗要求很高的移动/便携设备。
基于Zigbee网络的上述要求，有人提出了一些网络待机方式，如Zigbee协调器和终端设备按同样的周期睡眠/唤醒，这样的方法尽管实现起来比较简单，但是其有很多局限性和缺点，比如：按标准化协议开发的Zigbee设备就不能永远正确接入或者传输数据信息。这种方法要求所有Zigbee设备按客户化定义睡眠/唤醒周期工作，这样就把市场上很多其他按标准化协议开发的Zigbee终端“拒之门外”。所以其实际应用具有很大的局限性。
因此，急需一种既能够降低ZigBee网络系统耗能的装置或方法，还不能够影响ZigBee网络的正常通信。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种能够降低ZigBee网络系统耗能的装置及方法，本发明解决了目前Zigbee网络中协调器必须永久处于工作状态的限制，从而可以使得对电流消耗要求很高的Zigbee设备可以在Zigbee网络中充当协调器，而且还不会影响ZigBee的正常工作。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种降低ZigBee网络系统耗能的装置，其中，ZigBee网络系统的设备包括：协调器、路由器以及终端设备，终端设备是ZigBee网络中的节点，协调器用于启动系统初始化、组织网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，所述协调器中还设置有：
终端设备唤醒周期测量单元，用于测量所有终端设备的唤醒周期；
协调器唤醒周期计算单元，根据所述终端设备唤醒周期测量单元的测量结果，计算确定所述协调器的唤醒周期，在被唤醒后所述协调器进行后续唤醒所述终端设备及消息接收的动作；
协调器唤醒控制单元，用于根据计算确定的协调器唤醒周期将所述协调器唤醒。
优选地，所述终端设备唤醒周期测量单元，是通过间断地向终端设备发送两个消息，并在收到确认消息后分别确定时间，两确认消息的接收时间的时间差即为所述终端设备的唤醒周期；
具体地，所述协调器向终端设备发送第一个消息，该时刻记为零时刻，所述终端设备唤醒周期测量单元在收到终端设备的确认消息以后确定当前时刻t1，t1即为第一次信息传输所用的时间；所述协调器在收到第一个确认消息的t1时刻向所述终端设备发出第二个消息，将收到第二个确认消息的时刻记为t2，t2-t1即为第二次信息传输所用的时间，所述终端设备的唤醒周期T等于所述两个确认消息的时间差，即T＝t1-(t2-t1)＝2t1-t2。
优选地，所述终端设备唤醒周期测量单元测量所有终端设备的唤醒周期，所述协调器唤醒周期计算单元根据所有终端设备的唤醒周期确定所述协调器应该被唤醒的各个周期；
更进一步，对于永久开机的终端设备，所述协调器唤醒周期计算单元将所述永久开机的终端设备所发出的ZigBee帧长的整数倍时间作为所述协调器的唤醒周期。
优选地，根据所述协调器唤醒周期计算单元的计算结果，所述协调器在所述协调器唤醒控制单元的作用下间断地被唤醒，然后协调器再完成后续对相应终端设备的唤醒动作。
本发明还提供了一种降低ZigBee网络系统耗能的方法，其中，ZigBee网络系统的设备包括：协调器、路由器以及终端设备，终端设备是ZigBee网络中的节点，协调器用于启动系统初始化、组织网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，包括如下步骤：
步骤1：ZigBee协调器对接入的所有的终端设备的唤醒周期进行测量；
步骤2：根据步骤1测得的所有终端设备的唤醒周期，分别设为Ta,Tb,Tc,Td,Te…，然后确定协调器所需要被唤醒的各个唤醒周期，所述协调器的唤醒周期为所有终端设备的唤醒周期的集合，即为{Ta,Tb,Tc,Td,Te…}；
步骤3：所述协调器根据步骤2所确定的协调器的唤醒周期被唤醒，在被唤醒的同时所述协调器与所有终端设备进行信息交互。
优选地，步骤1中，所述协调器向终端设备发送第一个消息，该时刻记为零时刻，所述终端设备唤醒周期测量单元在收到终端设备的确认消息以后确定当前时刻t1，t1即为第一次信息传输所用的时间；所述协调器在收到第一个确认消息的t1时刻向所述终端设备发出第二个消息，将收到第二个确认消息的时刻记为t2，t2-t1即为第二次信息传输所用的时间，所述终端设备的唤醒周期T等于所述两个确认消息的时间差，即T＝t1-(t2-t1)＝2t1-t2。
优选地，步骤2中，对于永久开机的终端设备，所述协调器将所述永久开机的终端设备所发出的ZigBee帧长Tf的整数倍时间作为所述协调器的唤醒周期Tn，即Tn＝N*Tf，其中N为整数，此时，所述协调器的唤醒周期为所有终端设备的唤醒周期的集合，即为{Tn，Ta,Tb,Tc,Td,Te…}。
进一步，所述协调器还在一个大周期T内被唤醒，并与所有终端设备产生信息交互，所述大周期T为所述协调器的唤醒周期的最大值，即T＝max{Tn,Ta,Tb,Tc,Td,Te,…}。
本发明的用于降低ZigBee网络系统耗能的装置及方法，是在Zigbee协调器中增设装置，通过终端设备唤醒周期测量单元来动态测量网络中所有接入的Zigbee设备的唤醒周期，再经协调器唤醒周期计算单元将测得的数据汇总作为协调器的唤醒周期，协调器间断地被协调器唤醒控制单元所唤醒，不断地再去唤醒其他终端设备，解决了目前Zigbee网络中协调器必须永久处于工作状态的限制，从而可以使得对电流消耗要求很高的Zigbee设备可以在Zigbee网络中充当协调器，提高了系统的灵活性，降低了投入成本。同时，本发明多周期测量计算的方式能够保证所有Zigbee终端上报的消息被接收，保证了ZigBee网络系统的工作可靠性。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的控制协调器唤醒的装置的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的控制协调器唤醒的方法流程图。
具体实施方式
要提请注意的是，本文中所提及的唤醒周期也可以称之为睡眠周期，这两者的含义是相对应的，终端设备或协调器间隔多久被唤醒，我们亦可称之为终端设备或协调器睡眠了多久。因此，本实施例将名称进行了统一，一致为“唤醒周期”。
图1是根据本发明一个实施例的控制协调器唤醒的装置的结构示意图。一种降低ZigBee网络系统耗能的装置，其中，ZigBee网络系统的设备包括：协调器、路由器以及终端设备，终端设备是ZigBee网络中的节点，协调器用于启动系统初始化、组织网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，如图1所示，所述协调器中还设置有：
终端设备唤醒周期测量单元10，用于测量所有终端设备的唤醒周期；
协调器唤醒周期计算单元20，根据所述终端设备唤醒周期测量单元10的测量结果，计算确定所述协调器的唤醒周期，在被唤醒后所述协调器进行后续唤醒所述终端设备及消息接收的动作。
其中，终端设备唤醒周期测量单元10是通过协调器分别多次给所有终端设备发送消息，而后根据反馈的ACK消息到达时间，并且考虑传输、处理延迟，以及Zigbee的帧结构长度，得到Zigbee终端的唤醒周期，并且逐个记录下来。具体地，所述协调器向终端设备发送第一个消息，该时刻记为零时刻，所述终端设备唤醒周期测量单元在收到终端设备的确认消息以后确定当前时刻t1，t1即为第一次信息传输所用的时间；所述协调器在收到第一个确认消息的t1时刻向所述终端设备发出第二个消息，将收到第二个确认消息的时刻记为t2，t2-t1即为第二次信息传输所用的时间，所述终端设备的唤醒周期T等于所述两个确认消息的时间差，即T＝t1-(t2-t1)＝2t1-t2。例如，终端设备a,b,c,d,e的睡眠周期分别为Ta、Tb、Tc、Td、Te。当然，在测量过程中，终端设备唤醒周期的测量可以多次测量，并取多次测量结果的平均值作为所述终端设备的最终唤醒周期。
而协调器唤醒周期计算单元20根据上述测量结果确定协调器应该何时被唤醒，被唤醒后的协调器与各终端设备进行信息交互。协调器唤醒周期计算单元20是将所述终端设备唤醒周期测量单元10的测量结果集合。如上文所述，终端设备a,b,c,d,e的睡眠周期分别为Ta、Tb、Tc、Td、Te，那么协调器就应该在四个时刻被唤醒去完成与终端设备的信息交互，所述协调器唤醒周期计算单元20的计算结果是为{Ta、Tb、Tc、Td、Te}。最终，协调器是在{Ta、Tb、Tc、Td、Te}的各整数倍时刻被唤醒，确保终端设备信息交互过程的正常有序进行。
为了能够及时有效地控制协调器的唤醒动作，在本实施例所述装置中还设有协调器唤醒控制单元30，用于根据计算确定的协调器唤醒周期将所述协调器唤醒，然后协调器再完成后续对相应终端设备的唤醒动作。
上述是针对存在睡眠而后被唤醒的设备，但往往ZigBee网络中是存在不睡眠的终端设备、也就是永久开机的终端设备，对于这类终端设备就不能通过上述终端设备唤醒周期测量单元10来测得了，而是在协调器唤醒周期计算单元20考虑永久开机终端设备的ZigBee帧长，以能完成该终端设备的工作为限，也就是说只要协调器被唤醒，并能完成所述永久开机终端设备的信息传输即可。因此，对于永久开机的终端设备，所述协调器唤醒周期计算单元20将所述永久开机的终端设备所发出的ZigBee帧长的整数倍时间作为所述协调器的唤醒周期。
另外，本发明实施例还提供了一种降低ZigBee网络系统耗能的方法，其中，ZigBee网络系统的设备包括：协调器、路由器以及终端设备，终端设备是ZigBee网络中的节点，协调器用于启动系统初始化、组织网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，本方法的具体工作流程如图2所示，包括如下步骤：
步骤101：Zigbee协调器开始进行设备唤醒周期的测量；
在本步骤中，Zigbee协调器按设定的测量周期进入测量模式，在实际应用中，协调器可以在每次开机或者在加入新的Zigbee设备的时候启动测量模式。
步骤102：Zigbee协调器进行睡眠设备唤醒周期的测量；
在本步骤中，Zigbee协调器需要对网内所有的有睡眠模式的设备的唤醒周期进行测量，测量的方法是：所述协调器向终端设备发送第一个消息，该时刻记为零时刻，所述终端设备唤醒周期测量单元在收到终端设备的确认消息以后确定当前时刻t1，t1即为第一次信息传输所用的时间；所述协调器在收到第一个确认消息的t1时刻向所述终端设备发出第二个消息，将收到第二个确认消息的时刻记为t2，t2-t1即为第二次信息传输所用的时间，所述终端设备的唤醒周期T等于所述两个确认消息的时间差，即T＝t1-(t2-t1)＝2t1-t2，即为设备的睡眠周期。由于T取的是一个差值，这样传输延迟、处理延迟都基本消除；
为了测量的准确性，协调器可以进行多次这样的测试，而后计算平均值作为最后的设备的唤醒周期。
该步骤中测得的所有终端设备的唤醒周期，分别设为Ta,Tb,Tc,Td,Te…，然后确定协调器所需要被唤醒的各个唤醒周期，所述协调器的唤醒周期为所有终端设备的唤醒周期的集合，即为{Ta,Tb,Tc,Td,Te…}。
步骤103：Zigbee协调器识别永久开机的设备，并且确定针对这些设备的唤醒周期；
在实际的Zigbee网络中，有的设备是不睡眠的，处于永久的开机状态。Zigbee协调器需要综合考虑步骤102得到的各个睡眠设备的睡眠周期，设定一个针对不睡眠设备的唤醒周期Tn，Tn通常是Zigbee物理层帧长度的整数倍。即：Tn＝N*Tf(Tf为Zigbee帧实际长度)。
步骤104：Zigbee协调器按上述步骤确定的唤醒周期唤醒进行消息的接收；
在确定了针对睡眠/永久开机的设备的协调器的唤醒周期以后，协调器按照主要的周期时刻唤醒，所述协调器的唤醒周期为所有终端设备的唤醒周期的集合，即为{Tn，Ta,Tb,Tc,Td,Te…}，进行消息交互。
步骤105：Zigbee协调器读取保存在路由器上的来自于设备的消息；
由于在Zigbee网络中，会有部分设备处于永久开机状态，而这些设备上传消息可能不在上述的周期序列里面，这样Zigbee协调器可能会漏掉一些消息(比如一些报警的突发消息)，但是，通常这些消息会保存在路由器(父节点)上，这样，协调器可以通过读取这些保存的消息来获取可能漏掉的来自于设备的消息；
协调器在一个大周期T内被唤醒，与所有终端设备产生信息交互，读取路由器消息的周期可以为上述的“大周期”T＝max{Tn,Ta,Tb,Tc,Td,Te,…}，所述大周期T为所述协调器的唤醒周期的最大值，即T＝max{Tn,Ta,Tb,Tc,Td,Te,…}。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (11)

1.一种降低ZigBee网络系统耗能的装置，其中，ZigBee网络系统的设备包括：协调器、路由器以及终端设备，终端设备是ZigBee网络中的节点，协调器用于启动系统初始化、组织网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，其特征在于，所述协调器中还设置有：
终端设备唤醒周期测量单元，用于测量所有终端设备的唤醒周期；
协调器唤醒周期计算单元，根据所述终端设备唤醒周期测量单元的测量结果，计算确定所述协调器的唤醒周期，在被唤醒后所述协调器进行后续唤醒所述终端设备及消息接收的动作；
协调器唤醒控制单元，用于根据计算确定的协调器唤醒周期将所述协调器唤醒。
2.根据权利要求1所述的降低ZigBee网络系统耗能的装置，其特征在于，所述终端设备唤醒周期测量单元，是通过间断地向终端设备发送两个消息，并在收到确认消息后分别确定时间，两确认消息的接收时间的时间差即为所述终端设备的唤醒周期。
3.根据权利要求2所述的降低ZigBee网络系统耗能的装置，其特征在于，所述协调器向终端设备发送第一个消息，所述协调器发送所述第一个消息的时刻记为零时刻，所述终端设备唤醒周期测量单元在收到终端设备的确认消息以后确定当前时刻t1，t1即为第一次信息传输所用的时间；所述协调器在收到第一个确认消息的t1时刻向所述终端设备发出第二个消息，将收到第二个确认消息的时刻记为t2，t2-t1即为第二次信息传输所用的时间，所述终端设备的唤醒周期T等于两个确认消息的时间差，即T＝t1-(t2-t1)＝2t1-t2。
4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的降低ZigBee网络系统耗能的装置，其特征在于，所述终端设备唤醒周期测量单元测量所有终端设备的唤醒周期，所述协调器唤醒周期计算单元根据所有终端设备的唤醒周期确定所述协调器应该被唤醒的各个周期。
5.根据权利要求4所述的降低ZigBee网络系统耗能的装置，其特征在于，对于永久开机的终端设备，所述协调器唤醒周期计算单元将所述永久开机的终端设备所发出的ZigBee帧长的整数倍时间作为所述协调器的唤醒周期。
6.根据权利要求4所述的降低ZigBee网络系统耗能的装置，其特征在于，根据所述协调器唤醒周期计算单元的计算结果，所述协调器在所述协调器唤醒控制单元的作用下间断地被唤醒，然后协调器再完成后续对相应终端设备的唤醒动作。
7.根据权利要求5所述的降低ZigBee网络系统耗能的装置，其特征在于，根据所述协调器唤醒周期计算单元的计算结果，所述协调器在所述协调器唤醒控制单元的作用下间断地被唤醒，然后协调器再完成后续对相应终端设备的唤醒动作。
8.一种降低ZigBee网络系统耗能的方法，其中，ZigBee网络系统的设备包括：协调器、路由器以及终端设备，终端设备是ZigBee网络中的节点，协调器用于启动系统初始化、组织网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，包括如下步骤：
步骤1：ZigBee协调器对接入的所有的终端设备的唤醒周期进行测量；
步骤2：根据步骤1测得的所有终端设备的唤醒周期，分别设为Ta,Tb,Tc,Td,Te…，然后确定协调器所需要被唤醒的各个唤醒周期，所述协调器的唤醒周期为所有终端设备的唤醒周期的集合，即为{Ta,Tb,Tc,Td,Te…}；
步骤3：所述协调器根据步骤2所确定的协调器的唤醒周期被唤醒，在被唤醒的同时所述协调器与所有终端设备进行信息交互。
9.根据权利要求8所述的降低ZigBee网络系统耗能的方法，其特征在于，步骤1中，
所述协调器向终端设备发送第一个消息，所述协调器发送所述第一个消息的时刻记为零时刻，所述终端设备唤醒周期测量单元在收到终端设备的确认消息以后确定当前时刻t1，t1即为第一次信息传输所用的时间；所述协调器在收到第一个确认消息的t1时刻向所述终端设备发出第二个消息，将收到第二个确认消息的时刻记为t2，t2-t1即为第二次信息传输所用的时间，所述终端设备的唤醒周期T等于两个确认消息的时间差，即T＝t1-(t2-t1)＝2t1-t2。
10.根据权利要求8或9所述的降低ZigBee网络系统耗能的方法，其特征在于，步骤2中，对于永久开机的终端设备，所述协调器将所述永久开机的终端设备所发出的ZigBee帧长Tf的整数倍时间作为所述协调器的唤醒周期Tn，即Tn＝N*Tf，其中N为整数，此时，所述协调器的唤醒周期为所有终端设备的唤醒周期的集合，即为{Tn，Ta,Tb,Tc,Td,Te…}。
11.根据权利要求10所述的降低ZigBee网络系统耗能的方法，其特征在于，所述协调器还在一个大周期T内被唤醒，并与所有终端设备产生信息交互，所述大周期T为所述协调器的唤醒周期的最大值，即T＝max{Tn,Ta,Tb,Tc,Td,Te,…}。
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