CN109194748B - 物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法及可读存储介质 - Google Patents

物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法及可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，依据判定规则对自组网中的节点进行分类，下级节点上报，簇节点接收数据上报，由簇节点维护下级列表，通过下级列表获得免发送节点序列，簇节点定时遍历免发送节点序列各节点，对于免发节点，估算并存储数据预测值，递减剩余免发次数，当剩余免发次数归零时，将节点从免发送节点序列中移除，下发上报命令给下级节点；当剩余免发次数不归零时，将下发免发命令给下级节点。本发明采用历史拟合算法，预测下级节点测量数据量值，可以减少下级节点数据的发送次数的通信开销；通过网络整体节点发送频次减少，有效地减低网络负荷和通信费用，改善网络传输质量。

Description

物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法及可读存储介质
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，具体地，涉及一种物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法及可读存储介质，尤其是涉及一种基于节点间协作与自组织机制实现信息缓存技术，用于减少网络开销、提高数据传输效率和网络整体感知能力的方法。
背景技术
在市政管网数据采集、工业设备物联网等泛在信息化等场景，感知节点按规则覆盖观测区域，形成传感网格。节点一般不与上级网络直连，通过节点间接力、转发等方式自组织网络，实现端到网络的信息传输。其中有的节点，具备较强的存储、计算和转义能力，可以搜集末端节点信息，根据策略，确定转发的传输通路，甚至直接完成所有数据处理，再上报上级网络。在一定范围内的相邻节点，根据相互位置、通信能力和能源支持情况，推举其中一个或者若干个节点，作为簇节点。簇节点实现信息汇聚，转发至上级网络。
物联网节点，一般采用电池供电。对于通信的激活次数和激活时间都很敏感。从统计上分析，发送工作状态的单位时间电量消耗，往往是其他工作状态的10～100倍。如果使用商业无线接入网络，通信费用一般按照节点发送的次数或流量计算。网络开销主要是由节点发送时产生。各节点位置不同，传输信道质量不同，产生信息的频次不同，时效性需求不同。节点传输的信息与其历史数据有一定的相关性，也与相邻节点传输信息有一定的关系。从信息内容看，并不是每个节点信息都需要定时上传网络。因此，可以根据场景规则，利用计算和缓存技术，对节点的传输信息进行优化，选择性地降低传输频次，提高传输有效性，并缓解拥塞。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法及可读存储介质。
根据本发明提供的一种物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，包括以下步骤：节点自组网步骤：依据判定规则对自组网中的节点进行分类，分别分类为簇节点、下级节点，其中簇节点只有一个，下级节点有多个；下级节点列表维护步骤：维护下级列表，所述下级列表存储在簇节点，由簇节点维护，簇节点通过下级列表获得免发送节点序列。
优选地，所述物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法还包括簇节点数据下发步骤；簇节点数据下发步骤：簇节点定时遍历免发送节点序列的节点，所述免发送节点序列的节点记为免发节点，对于免发节点，估算并存储数据预测值，记为节点历史数据，递减剩余免发次数，当剩余免发次数归零时，将免发节点从免发送节点序列中移除，下发上报命令给下级节点；当剩余免发次数不归零时，将下发免发命令给下级节点。
优选地，所述物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法还包括簇节点接收数据上报步骤；簇节点接收数据上报步骤：簇节点接收下级节点上报数据，存储所述上报数据，判定下级节点是否为免发节点，若是免发节点，则将下级节点从免发送节点序列中移除，将下发免发命令给下级节点；若不是免发节点，则递增预订次数，将上报数据与第一拟合值比较，若上报数据与第一拟合值的差值小于第一设定值，且预订次数等于设定次数，则将下级节点设置为免发节点，将下级节点列入免发送节点序列。
优选地，所述物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法还包括下级节点上报步骤；下级节点上报步骤：判断下级节点是否为免发节点，若不是免发节点，则发送上报数据至簇节点；若是免发节点，将上报数据和第二拟合值比较，若上报数据和第二拟合值的差值小于第二设定值，则不发送上报数据至簇节点；若上报数据和节点历史数据的拟合值的差值不小于第二设定值，则发送上报数据至簇节点。
优选地，所述下级列表中存储有下级节点数N、节点标识ID、免发标识、免发次数t、免发初始值T。
优选地，所述数据预测值Xmk采用第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure BDA0001794977400000021
其中，Xmk表示第m个免发节点在第k个时刻的数据预测值，Xmi表示第m个免发节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
优选地，第一拟合值Xk通过第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure BDA0001794977400000031
其中，Xk表示作为第一拟合值的下级节点在第k个时刻的数据预测值，Xi表示在计算第一拟合值时下级节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
优选地，所述第二拟合值Yk通过第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure BDA0001794977400000032
其中，Yk表示作为第二拟合值的下级节点在k时刻的数据预测值，Yi表示在计算第二拟合值时下级节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
优选地，所述判定规则的判定条件包括电源支持能力、数据及存储能力、传输能力、位置关系中的任一种或任多种。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用历史拟合算法，预测下级节点测量数据量值，可以减少下级节点数据的发送次数的通信开销；
2、通过网络整体节点发送频次减少，有效地减低网络负荷和通信费用，改善网络传输质量；
3、本发明的方法适应性强，可以根据节点计算能力灵活部署，可以将拟合计算放在下级节点，也可以将拟合计算放在簇节点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中簇节点的处理流程示意图；
图2为本发明中下级节点的处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明目的是结合物联网的自组织技术，充分考虑各个节点的传输能力、通信成本、能量消耗等因素，利用传输信息历史关联性的特点，以一定的算法合理缓存、预测、压缩信息，减少网络实际传输量，降低节点通信开销，提高响应时延。
根据本发明公开的一种物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，包括以下步骤：节点自组网步骤：依据判定规则对自组网中的节点进行分类，分别分类为簇节点、下级节点，其中簇节点只有一个，下级节点有多个，簇节点汇集该范围内各节点的传输数据，下级节点采用传感器等手段，根据预定的策略和方法，获得数据，存储在本地，下级节点收到上级节点设置为免发节点指令，将下级节点设置为免发节点。
具体地，所述判定规则的判定条件包括电源支持能力、数据及存储能力、传输能力、位置关系中的任一种或任多种；下级节点列表维护步骤：维护下级列表，所述下级列表存储在簇节点，由簇节点维护，簇节点通过下级列表获得免发送节点序列。
具体地，所述下级列表的数据结构如表一所示，下级列表中存储有包括下级节点数N、节点标识ID、免发标识、免发次数t、免发初始值T。簇节点管理下级节点，并根据节点历史数据变化等因素，确定下级节点是否为免发节点。簇节点在本地维护一个多维数组---列数为下级节点数N，第一行存放为节点标识ID，第二行存放免发标识，第三行存放免发次数t，第四行存放免发初始值T，下标m表示第m个免发节点,N为正整数。簇节点通过这个表格管理免发序列，包括初始化各个节点，增删免发节点等。簇节点的免发序列的节点m，设置一个免发计数器tm存放于节点属性表第三行，定长为Tm，由节点属性表对应节点列第四行取得。
表一 下级列表的数据结构
ID<sub>1</sub> ID<sub>2</sub> .... ID<sub>m</sub> .... ID<sub>N</sub>
B<sub>1</sub> B<sub>2</sub> ..... B<sub>m</sub> B<sub>N</sub>
t<sub>1</sub> t<sub>2</sub> ..... t<sub>m</sub> t<sub>N</sub>
T<sub>1</sub> T<sub>2</sub> ..... T<sub>m</sub> T<sub>N</sub>
具体地，所述物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法还包括簇节点数据下发步骤；簇节点数据下发步骤：簇节点定时遍历免发送节点序列的节点，所述免发送节点序列的节点记为免发节点，对于免发节点，估算并存储数据预测值，记为节点历史数据，递减剩余免发次数，所述剩余免发次数是指免发初始值T减去免发次数t，当剩余免发次数归零时，将免发节点从免发送节点序列中移除，下发上报命令给下级节点；当剩余免发次数不归零时，将下发免发命令给下级节点。优选地，簇节点对下面的任一节点，按照历史记录，预测该节点下次传输的数据值。根据预定规则，判断该节点是否需要下次发送。若是，簇节点将预测值、免发送通知反馈给该节点，并在自己内存的免发节点序列增加该节点标识ID。
具体地，所述物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法还包括簇节点接收数据上报步骤；簇节点接收数据上报步骤：簇节点接收下级节点上报数据，存储所述上报数据，判定下级节点是否为免发节点，若是免发节点，则将下级节点从免发送节点序列中移除，将下发免发命令给下级节点；若不是免发节点，则递增预订次数，将上报数据与第一拟合值比较，若上报数据与第一拟合值的差值小于第一设定值，且预订次数等于设定次数，则将下级节点设置为免发节点，将下级节点列入免发送节点序列。优选地，预订次数是指下级节点对簇节点有发送数据请求的次数，对预定次数设置最大允许值，当预定次数达到设置的最大允许值时，则将免发送期内累计的实际测量与预测值的差值序列，一次性发送给簇节点。优选地，簇节点在收到一个节点的上报数据后，首先确定该节点标识ID是否在免发送序列。如是，则将该节点标识ID，从免发送节点序列中删除。如否，则计算该节点是否符合免发送条件，按照判断结果，进行相应的处理。
具体地，所述物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法还包括下级节点上报步骤；下级节点上报步骤：判断下级节点是否为免发节点，若不是免发节点，则发送上报数据至簇节点；若是免发节点，将上报数据和第二拟合值比较，若上报数据和第二拟合值的差值小于第二设定值，则不发送上报数据至簇节点；若上报数据和节点历史数据的拟合值的差值不小于第二设定值，则发送上报数据至簇节点；优选地，下级节点存储一定时段的测量信息，收到免发送通知后，每次获得测量值，先计算出预测值，两者比较如差值在预定范围，则暂缓发送。对于免发送节点，按生存期法则，即在设定时长有效。超过有效期，该节点从免发送状态退出，将免发送期内积累的实际测量与预测值的差值序列，一次性发送给簇节点。簇节点更新历史数据库。由于将多次变成单次传输，系统传输开销减少。并且还可选择压缩发送，进一步减少发送信息量。
具体地，所述数据预测值Xmk采用第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure BDA0001794977400000061
其中，Xmk表示第m个免发节点在k个时刻的数据预测值，Xmi表示第m个免发节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
具体地，第一拟合值Xk通过第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure BDA0001794977400000062
其中，Xk表示作为第一拟合值的下级节点在k时刻的数据预测值，Xi表示在计算第一拟合值时下级节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
具体地，所述第二拟合值Yk通过第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure BDA0001794977400000063
其中，Yk表示作为第二拟合值的下级节点在k时刻的数据预测值，Yi表示在计算第二拟合值时下级节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
本发明还公开了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
簇节点维护下级节点列表，该列表包括各个节点标识ID，免发送标识，免发送计数器等信息。簇节点由此列表获得免发送节点序列；簇节点定时遍历免发送序列各节点，对各节点，拟合出节点数据，并存放于历史数据库中。该节点的免发计数器减1。当免发计数器归零时，该节点从免发序列中移除，并下发通知给下级节点；簇节点下发指令，要求该节点上报历史数据。节点上报免发时间窗口内的历史数据序列或者历史数据与历史拟合值的差值序列，并将恢复到历史数据库中；对应于下级节点，每次产生数据后，判断自身是否为免发节点，如否，则发送数据至簇节点。如是，将数据和基于历史数据的拟合值比较，差值与数据比例若小于设定的门限，不发送，否则发送；簇节点收到下级节点上报数据，对该数据进行存储，并判断该节点是否在免发序列中。如果在，则转到簇节点下发指令，要求该节点上报历史数据。如果不在，将数据与节点基于历史数据的拟合值比较，如果差值与数据比例小于设定的门限，并已经累计持续预定次数，则该节点标识ID进入免发序列，并设定免发计数器值。簇节点下发免发通知给下级节点。
下面结合图1、图2，对本发明做进一步的阐述。
如图1所示，簇节点的工作流程阐述如下：
1.定时采用遍历法访问每个节点
2.节点是否是在免发序列中，如果否，转至步骤9。
3.如果是，免发节点m，时刻k，判读是否tmk≤Tm。如果否，转至步骤8。
4.如果是，则节点m的数值通过可根据历史数据和位置关系等信息估计，例如采用k-j到k-1时刻窗口数据的平均值取得，即
Figure BDA0001794977400000071
5.计算出的数Xmk记录进入簇节点数据库。
6.属性表中tmk加1。
7.返回步骤1。
8.将节点m的免发标识置0，即从免发序列中删除。
9.簇节点向该节点下发上报历史数据命令。等待该节点上报数据，收到数据后，簇节点更新存储的该节点历史数据。
10.簇节点收到节点p上报的数据，判断该节点是否在免发序列。如果是，则转至步骤8。
11.如果否，则该值与预测值Xk比较。Xk可根据历史数据和位置关系等信息估计，例如通过k-j到k-1时刻窗口数据的平均值取得，即
Figure BDA0001794977400000072
12.若差值比例小于δ，且已经连续r次，则将该节点设置为免发节点，并设置相应属性值。
13.用收到数据更新存储。转至步骤1。
如图2所示，下级节点的工作流程阐述如下：
1.发送数据由定时触发或接收命令触发两种方式，如果是接收命令方式转至步骤6。
2.如果是是定时触发，判断是否为免发节点，如果否，则转至步骤5
3.如果为免发节点，计算估计值Y，并将本次实际收到数据与Y比较，若差值比例大于δ，且已经累计w次，则发送该本次数据。转至步骤7。
其中，Y可根据历史数据和位置关系等信息估计，例如通过k-j到k-1时刻窗口数据的平均值取得，即
Figure BDA0001794977400000073
4.否则，不发送。返回步骤1。
5.发送数据。返回步骤1。
6.节点收到簇节点上报命令，将未上报过的历史数据上报。
7.将本节点设置为非免发节点，返回步骤1。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，其特征在于，包括以下步骤：
节点自组网步骤：依据判定规则对自组网中的节点进行分类，分别分类为簇节点、下级节点，其中簇节点只有一个，下级节点有多个；
下级节点列表维护步骤：维护下级列表，所述下级列表存储在簇节点，由簇节点维护，簇节点通过下级列表获得免发送节点序列；
所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，还包括簇节点数据下发步骤；
簇节点数据下发步骤：簇节点定时遍历免发送节点序列的节点，所述免发送节点序列的节点记为免发节点，对于免发节点，估算并存储数据预测值，记为节点历史数据，递减剩余免发次数，当剩余免发次数归零时，将免发节点从免发送节点序列中移除，下发上报命令给下级节点；当剩余免发次数不归零时，将下发免发命令给下级节点；
所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，还包括簇节点接收数据上报步骤；
簇节点接收数据上报步骤：簇节点接收下级节点上报数据，存储所述上报数据，判定下级节点是否为免发节点，若是免发节点，则将下级节点从免发送节点序列中移除，向该节点下发上报命令；若不是免发节点，则递增预订次数，将上报数据与第一拟合值比较，若上报数据与第一拟合值的差值小于第一设定值，且预订次数等于设定次数，则将下级节点设置为免发节点，将下级节点列入免发送节点序列；
所述簇节点对下面的任一节点，按照历史记录，预测该节点下次传输的数据值；根据预定规则，判断该节点是否需要下次发送；若是，簇节点将预测值、免发送通知反馈给该节点，并在自己内存的免发节点序列增加该节点标识ID。
2.根据权利要求1所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，其特征在于，还包括下级节点上报步骤；
下级节点上报步骤：判断下级节点是否为免发节点，若不是免发节点，则发送上报数据至簇节点；若是免发节点，将上报数据和第二拟合值比较，若上报数据和第二拟合值的差值小于第二设定值，则不发送上报数据至簇节点；若上报数据和节点历史数据的拟合值的差值不小于第二设定值，则发送上报数据至簇节点。
3.根据权利要求1所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，其特征在于，所述下级列表中存储有下级节点数N、节点标识ID、免发标识、免发次数t、免发初始值T。
4.根据权利要求1所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，其特征在于，所述数据预测值Xmk采用第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure FDA0002840834450000021
其中，Xmk表示第m个免发节点在第k个时刻的数据预测值，Xmi表示第m个免发节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
5.根据权利要求1所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，其特征在于，第一拟合值Xk通过第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure FDA0002840834450000022
其中，Xk表示作为第一拟合值的下级节点在第k个时刻的数据预测值，Xi表示在计算第一拟合值时下级节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
6.根据权利要求2所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，其特征在于，所述第二拟合值Yk通过第k-j到k-1个时刻节点历史数据的平均值取得，计算公式如下：
Figure FDA0002840834450000023
其中，Yk表示作为第二拟合值的下级节点在第k个时刻的数据预测值，Yi表示在计算第二拟合值时下级节点的第i个节点历史数据，j表示时间点个数，j取正整数且j不等于1。
7.根据权利要求1所述的物联网通讯信息缓存减少网络开销的方法，其特征在于，所述判定规则的判定条件包括电源支持能力、数据及存储能力、传输能力、位置关系中的任一种或任多种。
8.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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