CN106714264B - 物联网节点节能方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种物联网节点节能方法及系统，属于物联网技术领域，本发明的物联网节点节能方法包括以下步骤：S1：判断节点设备处于休眠状态还是工作状态；S2：若判断结果为节点设备处于工作状态，通过工作报文的容量空隙负载定期报文的数据信息，以使定期报文的数据信息利用容量空隙与工作报文一起通过网关设备发送至服务器；若判断结果为节点设备处于休眠状态，则执行步骤S3；S3：节点设备通过网关设备单独发送定期报文至服务器。本发明相较于现有技术的优点在于：本发明利用工作报文的容量空隙传输定期报文，在保证数据传输可靠性的同时减少报文的发送个数，大大节约报文发送消耗的能量。

Description

物联网节点节能方法及系统
技术领域
本发明属于物联网技术领域，尤其涉及一种物联网节点节能方法及系统。
背景技术
在无线传感器网络中，无线传感器节点往往采用电池供电，其供电容量极其有限，而频繁充电或更换电池又是不便的。因此，如何降低节点功耗、延长无线传感器网络的生存期，是值得研究的问题。
目前，无线传感器网络的节能研究中，其方法和技术按照研究对象的不同主要分为两类：单个节点的节能技术和整个无线传感器网络的节能技术。对于单个节点，其节能技术主要包括：节点硬件电路的低功耗、软件操作系统的低功耗优化处理、无线射频收发的节能设计、休眠与唤醒机制等；对于整个无线传感器网络，其节能技术主要包括：基于能量有效性的路由协议、网络拓扑管理与控制、数据融合处理等。
为了解决上述技术问题，人们进行了长期的探索，例如中国专利公开了一种无线传感器网络的节能管理方法、系统及远程管理服务器[申请号：CN201010291640.4]，该方法包括：无线传感器网络将节点剩余能量信息、和/或网络拓扑信息、和/或节点休眠信息通过网关设备发送至远程管理服务器；远程管理服务器存储所述节点剩余能量信息、和/或网络拓扑信息、和/或节点休眠信息，并根据上述信息进行节能决策，将所述节能决策通过网关设备发送至无线传感器网络。本方案通过远程管理服务器为无线传感器网络提供节能策略，能够降低无线传感网络因网络拓扑管理造成的处理量，从而降低无线传感器网络的功耗、延长无线传感器网络的生命期，实现了无线传感器网络的远程节能管理。
再如，一种基于传感节点能量获取的电力物联网路由方法[申请号：CN201610695574.4]，该方法包括如下步骤：(l)每轮开始,节点接收基站广播的上一轮节点的电池电量以及能源获取状态；(2)判断网络节点处于哪种工作状态，如果电池电量达到最大值，且此时还有能源补充，则为性能优先状态；如果电池电量大于阈值，且此时有能源补充，则处于正常工作状态；如果电池电量大于阈值，但无能源补充，则进入节能优先状态；如果电池电量低于阈值，则网络节点进入节能优先状态；(3)根据网络工作状态，确定无线传输半径，调节网络的发射功率；(4)计算组网，选择簇首阈值；确定簇首；(5)数据传输开始，簇内节点监测到数据,将数据包发送到簇首,簇首节点将接收到的数据进行融合；(6)簇首节点将融合后数据传递到基站,数据传输采用簇间多跳的方式；(7)基站接收到全网数据,根据传来数据包中的节点剩余能耗和存储能量信息计算这一轮的节点平均能耗值和储能值，本发明方法根据节点的能量以及能源获取的情况，自动判断节点自身状态，选择不同的工作模式，起到节约能量，降低功耗的效果。
上述两个技术方案分别在一定程度起到了降低功耗的目的，但是其都是从采用外部手段达到目的，还需要浪费一定量的能耗。而在正常情况下，当CPU通过无线发送报文时，消耗的电能和发送和报文个数成正比，而和报文的长度影响不大，即如果发送的报文长度变长，而报文个数不变，则消耗的电能会稍微上升，但不会是正比，影响很小，所以可以从报文本身的负载上着手以达到降低功耗的目的。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种物联网节点节能方法；
本发明的另一目的是针对上述问题，提供一种物联网节点节能系统。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本发明的物联网节点节能方法，包括以下步骤：
S1：判断节点设备处于休眠状态还是工作状态；
S2：若判断结果为节点设备处于工作状态，
通过工作报文的容量空隙负载定期报文的数据信息，以使定期报文的数据信息利用容量空隙与工作报文一起通过网关设备发送至服务器；
若判断结果为节点设备处于休眠状态，则执行步骤S3；
S3：节点设备通过网关设备单独发送定期报文至服务器。
在上述的物联网节点节能方法中，在步骤S2中，当节点设备处于工作状态时，工作报文的容量空隙负载定期报文的数据信息方法包括以下步骤：
S2.1：将每个工作报文分片成若干工作分片报文，且至少一个工作报文的至少一个工作分片报文留有一定容量的容量空隙；
S2.2：将定期报文分片成若干定期分片报文，且使每个定期分片报文信息量小于或等于对应的容量空隙的容量；
S2.3：将各个定期分片报文的数据信息置于对应的各个工作分片报文中的容量空隙，使工作报文携带定期报文的数据信息一起通过网关设备发送至服务器。
通过上述技术方案，由于报文最大负载有限，在将工作报文分片传送的同时利用了每个报文的末尾，即报文与报文之间的容量空隙来发送定期报文等单纯用于大数据的信息收集的额外信息，而这增加的额外信息并不会增加报文，只是将每条报文的内容更加充实，几乎不额外消耗电能，达到省电的目的。
在上述的物联网节点节能方法中，在步骤S2.1中，所述的容量空隙位于工作报文的最后一个工作分片报文中。
在上述的物联网节点节能方法中，在步骤S2.2中，所述的定期报文根据工作报文的容量空隙的容量大小进行分片以使定期分片报文的数据信息能够利用工作报文的容量空隙完整地进行传输。
在上述的物联网节点节能方法中，在步骤S3中，处于休眠状态的节点根据所设周期向网关设备发送定期报文，网关设备再通过无线网络向服务器发送定期报文。
在上述的物联网节点节能方法中，所述的节点设备与网关设备之间采用Zigbee协议进行通信连接。
在上述的物联网节点节能方法中，所述的节点设备与网关设备之间采用IEEE802.15.4协议进行通信连接。
一种采用物联网节点节能方法的物联网节点节能系统，包括节点设备、网关设备和服务器，所述的节点设备通过用于将节点设备发送的工作报文进行分片传送且能够在工作报文末尾携带定期分片报文数据信息的MAC层与网关设备进行通信连接，所述网关设备通过无线网络连接于服务器。
在上述的物联网节点节能系统中，所述的MAC层连接有用于计算每一个工作报文末尾的容量空隙容量大小的容量空隙计算单元，所述的容量空隙用于容纳定期分片报文的数据信息，所述的定期分片报文由定期报文根据容量空隙计算单元计算得到的容量空隙的容量大小进行分片而得。
在上述的物联网节点节能系统中，所述的节点设备为智能终端，所述的网关设备为路由器。
本发明物联网节点节能方法利用工作报文的容量空隙传输定期报文，在保证数据传输可靠性的同时减少报文的发送个数，大大节约了报文发送消耗的能量。
本发明物联网节点节能系统具有系统硬件架构简单、节能效果好等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一的工作流程图；
图2是本发明实施例二的系统框图。
图中，智能终端1；路由器2；服务器3。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
如图1所示，一种物联网节点节能方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：判断节点设备处于休眠状态还是工作状态；
当然，在本步骤以前，需要将节点设备通电使整个系统处于工作或休眠状态才能得到判断结果；
S2：若判断结果为节点设备处于工作状态，
通过工作报文的容量空隙负载定期报文的数据信息，以使定期报文的数据信息利用容量空隙与工作报文一起通过网关设备发送至服务器3；
在此步骤中，当节点设备处于工作状态的时候，工作报文的容量空隙负载定期报文的数据信息方法包括以下步骤：
S2.1：将每个工作报文分片成若干工作分片报文，且至少一个工作报文的至少一个工作分片报文留有一定容量的容量空隙；
其中，进一步地，容量空隙位于工作报文的最后一个工作分片报文中。
S2.2：将定期报文分片成若干定期分片报文，且使每个定期分片报文信息量小于或等于对应的容量空隙的容量；
更具体地说，定期报文根据工作报文的容量空隙的容量大小进行分片以使定期分片报文的数据信息能够利用工作报文的容量空隙完整地进行传输，因为，如果定期分片报文的数据信息若超过工作报文的容量空隙的容量，部分定期分片报文的数据信息便会被丢弃，而导致工作报文携带的定期不完整，使大数据收集结果出现偏差。
S2.3：将各个定期分片报文的数据信息置于对应的各个工作分片报文中的容量空隙，使工作报文携带定期报文的数据信息一起通过网关设备发送至服务器3。
本实施例假定每个工作报文的长度一样，且每个工作报文的容量空隙的容量空间一样大，具体做如下说明：
由于物联网网络的MAC层一般设计的最大MTU都很小，比如本实施例的802.15.4协议的报文的最大负载为102byte，而上层报文一般都很长，所以需要将工作报文进行分片，这里假设上层报文长度为1000，则我们需要分片成1000/102+1个报文，即10个报文，其中前面9个报文的负载长度为102byte，最后一个报文的负载长度为82byte。这意味着最后一个报文还能负载(102-82)＝20byte。
而且，在正常情况下，当CPU通过无线发送报文时，消耗的电能和发送的报文个数成正比，而与报文的长度影响不大，即如果发送的报文长度变长，而报文个数不变，则消耗的电能会稍微上升，但不会是正比，影响很小。
本实施例就是利用这一规律和剩余的20byte来发送额外信息以达到省电目的：具体地说，由于利用这20byte发送额外信息不会增加报文，几乎不额外消耗电能，以此达到省电的目的，因为正常情况下，这个额外的信息需要额外发送报文，这额外发送的报文明显会消耗电能。
具体地，此处针对本实施例做进一步的解释说明；
当前在物理网中的节点设备在不管处于休眠状态还是非休眠状态下，一般会定期向服务器3发送信息(A报文)，这种信息大多是用于大数据的信息收集。
当节点处于工作状态，本身就有很多工作报文需要发送，采用本实施例的方案，可以在工作报文的最后一个分片中发送定期报文的数据信息；当然分片中留下的空间，即容量空隙的容量可能不够容纳整个完整的定期报文的数据信息，所以我们可以把A报文再进行分片，在多个工作报文的最后一个分片中传送。
比如A报文共100byte，每个工作报文最后一个分片可平均支持发送20byte，则A报文5个工作报文就能顺带发送完，这个做法对于紧急事件无法应对，但对于数据收集这种实时性不强的事件则可以省电。
若判断结果为节点设备处于休眠状态，则执行步骤S3；
S3：节点设备通过网关设备单独发送定期报文至服务器3。
在步骤S3中，处于休眠状态的节点根据所设周期向网关设备发送定期报文，网关设备再通过无线网络向服务器3发送定期报文。
进一步地，节点设备与网关设备之间直接采用IEEE 802.15.4协议进行通信连接，802.15.4,即IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范，该协议能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间(10m直径或更小)工作的简单器件，支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑，但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义，LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址，一个802.15.4网可以容纳最多216个器件，足够用于智能家居环境中，而且802.15.4协议数据报文长度短(137byte，远小于WIFI的1500byte)，报文个数多，极易产生尾部间隙，整个尾部间隙累计很可观。
实施例二
如图2所示，本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例为一种采用物联网节点节能方法的物联网节点节能系统，本实施例以智能家居网络为例进行具体说明，本实施例的物联网节点节能系统包括节点设备、网关设备和服务器3，所述的节点设备通过用于将节点设备发送的工作报文进行分片传送且能够在工作报文末尾携带定期分片报文数据信息的MAC层与网关设备进行通信连接，所述网关设备通过无线网络连接于服务器3。
进一步地，MAC层连接有用于计算每一个工作报文末尾的容量空隙容量大小的容量空隙计算单元，所述的容量空隙用于容纳定期分片报文的数据信息，所述的定期分片报文由定期报文根据容量空隙计算单元计算得到的容量空隙的容量大小进行分片而得。具体地说，容量空隙单元通过监测计算得到每一个工作报文末尾的容量空隙的容量大小，假设5个工作报文末尾的容量空隙的容量大小的监测计算结果分别为20byte，30byte，40byte，50byte和60byte，则100byte大小的定期报文的数据就根据前述各个容量空隙的容量大小被分片为20byte、30byte、和50byte，将被分片后的数据分别置于20byte，30byte和50byte的容量空隙进行传送，当然，只要满足定期分片报文的数据信息的大小小于或等于容量空隙的容量大小即可被该容量空隙携带传送，即20byte大小的定期分片报文的数据信息可以由容量为20byte，30byte，40byte，50byte和60byte的任意一个容量空隙携带，但是50byte大小的定期分片报文的数据信息只能由容量为50byte或60byte大小的容量空隙携带。
进一步地，所述的节点设备为智能终端1，所述的网关设备为路由器2。
实施例三
本实施例与实施例一类似，不同之处在于，本实施例的节点设备与网关设备之间采用Zigbee协议进行通信连接。
ZigBee协议适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，Zigbee的基础是IEEE 802.15.4，但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化；Zigbee是一种短距离、低速率的无线网络技术，主要用于近距离无线连接，由于它有自己的协议标准，可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，具有更好的兼容性，以及满足更多设备之间的通讯要求。
本发明物联网节点节能方法利用工作报文的容量空隙传输定期报文，在保证数据传输可靠性的同时减少报文的发送个数，大大节约了报文发送消耗的能量，同时，本发明的物联网节点节能系统具有系统硬件架构简单、节能效果好等优点。
下面利用具体场景进一步地对本发明的工作原理和方案优点进行具体的分析说明：
当前在物理网中的节点设备在不管处于休眠状态还是非休眠即工作状态下，一般会定期向服务器3发送信息(A报文)，这种信息大多是用于大数据的信息收集；
现有技术的步骤：
1. 10分钟定时触发；
2.终端从待机中唤醒，发送独立报文给服务器3；
3.在终端由于其他业务需要网络通信时，会被单独唤醒。
假设统计一个小时的报文数量，终端处理业务需发送100个工作报文，发送采集的数据6个定期报文(10分钟一个，1个小时共6个)。所以一个小时内共发送100+6＝106个报文。
本发明的步骤：
1. 10分钟定时触发，当节点处于工作状态时，不单独发送定期报文，等着其他业务即工作报文发送的时候一起发送；
2.在终端由于其他业务需要网络通信时，会被单独唤醒，在发送报文的同时，利用尾部空隙，发送采集的报文，这样采集数据就不需要单独发送报文。
假设统计一个小时的报文数量，终端处理业务需发送100个报文，发送采集的数据需6个报文(10分钟一个，1个小时共6个)。但这6个报文的内容通过100个报文的尾部空隙发送。所以一个小时内共发送100个报文。
和现有技术的步骤相比，减少了6个报文的发送，由于报文发送会消耗电能，且消耗的电能和报文个数成正比，所以本发明通过减少报文发送数量的方式起到节点节能的效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了智能终端1；路由器2；服务器3；节点设备；网关设备；定期报文；定期分片报文；工作报文；工作分片报文；容量空隙；容量空隙计算单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，例如本发明中的“工作分片报文”也可以写成“工作报文分片”，但是，为了避免与“将每个工作报文分片成若干……”中的动词“分片”造成混淆，使读者清晰了解技术方案，本发明而采用了“工作分片报文”这个术语。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种物联网节点节能方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：判断节点设备处于休眠状态还是工作状态；
S2：若判断结果为节点设备处于工作状态，
通过工作报文的容量空隙负载定期报文的数据信息，以使定期报文的数据信息利用容量空隙与工作报文一起通过网关设备发送至服务器(3)；
若判断结果为节点设备处于休眠状态，则执行步骤S3；
S3：节点设备通过网关设备单独发送定期报文至服务器(3)；
在步骤S2中，当节点设备处于工作状态时，工作报文的容量空隙负载定期报文的数据信息方法包括以下步骤：
S2.1：将每个工作报文分片成若干工作分片报文，且至少一个工作报文的至少一个工作分片报文留有一定容量的容量空隙；
S2.2：将定期报文分片成若干定期分片报文，且使每个定期分片报文信息量小于或等于对应的容量空隙的容量；
S2.3：将各个定期分片报文的数据信息置于对应的各个工作分片报文中的容量空隙，使工作报文携带定期报文的数据信息一起通过网关设备发送至服务器(3)。
2.根据权利要求1所述的物联网节点节能方法，其特征在于，在步骤S2.1中，所述的容量空隙位于工作报文的最后一个工作分片报文中。
3.根据权利要求1所述的物联网节点节能方法，其特征在于，在步骤S2.2中，所述的定期报文根据工作报文的容量空隙的容量大小进行分片以使定期分片报文的数据信息能够利用工作报文的容量空隙完整地进行传输。
4.根据权利要求1所述的物联网节点节能方法，其特征在于，在步骤S3中，处于休眠状态的节点根据所设周期向网关设备发送定期报文，网关设备再通过无线网络向服务器(3)发送定期报文。
5.根据权利要求1所述的物联网节点节能方法，其特征在于，所述的节点设备与网关设备之间采用Zigbee协议进行通信连接。
6.根据权利要求1所述的物联网节点节能方法，其特征在于，所述的节点设备与网关设备之间采用IEEE 802.15.4协议进行通信连接。
7.一种采用权利要求1-6中任意一项所述的物联网节点节能方法的物联网节点节能系统，包括节点设备、网关设备和服务器(3)，所述的节点设备通过用于将节点设备发送的工作报文进行分片传送且能够在工作报文末尾携带定期分片报文数据信息的MAC层与网关设备进行通信连接，所述网关设备通过无线网络连接于服务器(3)。
8.根据权利要求7所述的物联网节点节能系统，其特征在于，所述的MAC层连接有用于计算每一个工作报文末尾的容量空隙容量大小的容量空隙计算单元，所述的容量空隙用于容纳定期分片报文的数据信息，所述的定期分片报文由定期报文根据容量空隙计算单元计算得到的容量空隙的容量大小进行分片而得。
9.根据权利要求7所述的物联网节点节能系统，其特征在于，所述的节点设备为智能终端(1)，所述的网关设备为路由器(2)。
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