CN107094286A - 一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法 - Google Patents

一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法 Download PDF

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Abstract

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。本发明用于数据收集领域。

Description

一种面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法
技术领域
本发明涉及面向稀疏流量无线自组织网络的超低功耗实现方法。
背景技术
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:IPv6Routing Protocol for Low-Power and LossyNetworks》(Netze H.RPL:IPv6Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks[J].Heise Zeitschriften Verlag.)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《The ContikiMAC RadioDuty Cycling Protocol》(Dunkels A.The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol[J].Swedish Institute of Computer Science,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《Robust Mesh NetworksThrough Autonomously Scheduled TSCH》(Duquennoy S,Al Nahas B,Landsiedel O,etal.Orchestra:Robust Mesh Networks Through Autonomously Scheduled TSCH[C].ACMConference on Embedded Networked Sensor Systems.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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明的有益效果为：
本发明面向稀疏流量(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，因此本发明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，本发明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。
本发明针对稀疏流量无线自组织网络寿命较短的问题，本发明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为本发明流程图；
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：
本发明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。本发明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_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；
步骤二四：节点在调整信道检测周期之前，首先在非活跃状态转换成活跃状态时，根据第t-1个活动状态时段的信道检测周期的调整方向和第t个活动状态时段计算出的present_current判断第t-1个活动状态时段的信道检测周期调整是否有效；
若第t-1个活动状态时段的信道检测周期调整方向是INCREASE且present_current降低或信道检测周期调整方向是DECREASE且present_current升高，则有效；
若第t-1个活动状态时段的信道检测周期调整方向是INCREASE且present_current升高或信道检测周期调整方向是DECREASE且present_current降低，则无效；其中INCREASE表示信道检测周期调整方向为增加，DECREASE表示信道检测周期调整方向为减少；
若无效则需要继续执行步骤二五，若有效则返回步骤二二迭代执行；
步骤二五：节点利用当前的平均电流，通过公式(1)计算节点第t个活动状态时段的信道检测周期，其中cycle_timet为第t个活动状态时段节点的信道检测周期，WAKEUP_INTERVAL_STEP为信道检测周期的调整幅度，cycle_timet-1为第t-1个活动状态时段节点的信道检测周期；expect_currentt为第t个活动状态时段节点的期望电流，使用公式(2)计算得到，初始化时expect_current为current_budget，通过比较cycle_timet-1和cycle_timet的信道检测周期值的大小，记录此次信道检测周期调整的方向；
若cycle_timet-1小于cycle_timet则为增加，记为INCREASE；
若cycle_timet-1大于cycle_timet则为减少，记为DECREASE；
若cycle_timet-1等于cycle_timet则为保持，记为MAITAIN；
expect_currentt＝present_current*α+expect_currentt-1*(1-α) (2)
其中α为权重，取值为0～1；present_current为节点当前的平均电流；
步骤二六：节点在第t个活动状态时段使用cycle_timet作为信道检测周期，并且返回步骤二二迭代执行。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤二二中不同模式的时间包括微控制器处在工作模式的时间，微控制器处在低功耗模式的时间，射频处在发送模式的时间以及接收模式的时间(微控制器的不同模式为工作模式和低功耗模式，射频的不同模式为发送模式和接收模式)。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本发明主要包括混合网络模式，能耗均衡机制两部分。
1、混合网络模式。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。整个状态控制过程如下：
(1.1)使用时间同步技术规范和同步整个无线网络中所有节点的自然时间。
(1.2)网络管理节点向全网可靠地下发以BITMAP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/非活跃)状态。BITMAP中，0表示非活跃状态，1表示活跃状态，
(1.3)节点依据调度，结合自身的自然时间，转换自身的状态。
(1.4)如果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，以极其功耗运行，其典型值是若干微安。
(1.5)如果节点处在活跃状态，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。
2、能耗均衡机制。节点通过高精度的、在线能耗测量方式，估算自己的平均电流。节点根据网络预设的目标电流，结合自身当前平均电流，调整不同的信道检测周期，使其实际电流能耗接近目标电流值。通过将所有节点的能耗控制在目标电流值范围，达到了全网节点的能耗均衡和网络寿命的优化。
本发明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。
将本发明应用在由CC1120射频和MSP430F5418A微控制器构成的节点上进行效果验证。
使用Contiki操作系统和6LoWPAN协议栈，运用低功耗侦听MAC协议ContikiMAC作为基础技术，将ContikiMAC的信道检测周期设置为250毫秒，使用步骤一对节点和网络状态进行控制；节点维护的调度为00000000000010000000000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000000001000，与自然时间相对应表示为，节点和网络只有在0时40分至0时50分，7时20分至7时30分，15时20分至15时30分，23时20分至23时30分处于活跃状态，其余时间段都为非活跃状态。
在活跃状态进行数据的发送，在非活跃状态将contiki操作系统的事件定时器关闭，并关闭ContikiMAC的信道检测行为，网络中节点的电流值约为4uA。
在活跃状态运用步骤二，将目标电流设置为24uA，电流偏差值设置为5uA，整个网络中的节点的信道检测周期范围在250毫秒到500毫秒不等；
整个系统运行12天，最终网络中节点的电流最大为22uA，最小为19.68uA。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

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；
步骤二四：节点在调整信道检测周期之前，首先在非活跃状态转换成活跃状态时，根据第t-1个活动状态时段的信道检测周期的调整方向和第t个活动状态时段计算出的present_current判断第t-1个活动状态时段的信道检测周期调整是否有效；
若第t-1个活动状态时段的信道检测周期调整方向是INCREASE且present_current降低或信道检测周期调整方向是DECREASE且present_current升高，则有效；
若第t-1个活动状态时段的信道检测周期调整方向是INCREASE且present_current升高或信道检测周期调整方向是DECREASE且present_current降低，则无效；其中INCREASE表示信道检测周期调整方向为增加，DECREASE表示信道检测周期调整方向为减少；
若无效则需要继续执行步骤二五，若有效则返回步骤二二迭代执行；
步骤二五：节点利用当前的平均电流，通过公式(1)计算节点第t个活动状态时段的信道检测周期；
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expect_currentt＝present_current*α+expect_currentt-1*(1-α) (2)
其中cycle_timet为第t个活动状态时段节点的信道检测周期，
WAKEUP_INTERVAL_STEP为信道检测周期的调整幅度，cycle_timet-1为第t-1个活动状态时段节点的信道检测周期；expect_currentt为第t个活动状态时段节点的期望电流，使用公式(2)计算得到，初始化时expect_current为current_budget，通过比较cycle_timet-1和cycle_timet的信道检测周期值的大小，记录此次信道检测周期调整的方向；其中α为权重，取值为0～1；present_current为节点当前的平均电流；
若cycle_timet-1小于cycle_timet则为增加，记为INCREASE；
若cycle_timet-1大于cycle_timet则为减少，记为DECREASE；
若cycle_timet-1等于cycle_timet则为保持，记为MAITAIN；
步骤二六：节点在第t个活动状态时段使用cycle_timet作为信道检测周期，并且返回步骤二二迭代执行。
4.根据权利要求3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：所述步骤二二中不同模式的时间包括微控制器处在工作模式的时间，微控制器处在低功耗模式的时间，射频处在发送模式的时间以及接收模式的时间。
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