CN110177349B - 一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，包括以下步骤：步骤1，配置无线网络传感器的分时参数，将每只传感器的分时参数下发给指定的传感器，并在传感器侧固存；步骤2，通过利用SmartMeshIP网络的时间同步机制，使网络中的所有传感器必须保持统一的时间基，构建无线传感器节点，以实现定时唤醒机制；步骤3，分时传输复用，经过步骤2的处理，无线网络中所有节点在相同时刻唤醒，实现分时复用，无线传感器网络中所有传感器节点的波形采集上传唤醒时刻将均匀分布在时间轴上。

Description

一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法

技术领域

本发明属于无线数据传输技术领域，特别涉及一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展和成熟，因为避免工业现场布线、现场维修保养成本低等优势，低功耗的无线传感器网络传输技术逐渐成为行业，尤其是工业领域的应用新宠。在工业领域，无线传输的确定性、可靠性和低功耗特性尤为重要，这些要求成为工业现场信息技术改造需要考虑的核心问题。

为了达到无线传输的确定性、可靠性和低功耗特性，无论是专利申请号为CN200810070000的专利《工业无线网络的一种确定性通信调度方法》；还是专利申请号为CN201210070275的专利《一种适用于WIA-PA网络的自适应确定性调度方法》。都是根据IEEE802.15.4标准，通过修改优化数据链路层的超帧结构以避免诸如多跳网络的信标碰撞问题或者提高带宽利用率。在网络基础层面数据链路层的调整优化，将会严重影响整个无线网络的基本特性，对于修改方法的验证策略、试验环境要求、试验测试用例的多场景覆盖性上有较高的要求，因为无线网络会随着时间，空间的改变处于不断的调整优化过程中。因此常用的调度算法更适合于科研院所等基础理论研究组织，在实际工程应用方面，企业需要一种实现简单，调度确定方便分析的方式来达成网络传输的调度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，包括以下步骤：

步骤1，配置无线网络传感器的分时参数，将每只传感器的分时参数下发给指定的传感器，并在传感器侧固存；

步骤2，通过利用SmartMeshIP网络的时间同步机制，使网络中的所有传感器必须保持统一的时间基，构建无线传感器节点，以实现定时唤醒机制；

步骤3，分时传输复用，经过步骤2的处理，无线网络中所有节点在相同时刻唤醒，实现分时复用，无线传感器网络中所有传感器节点的波形采集上传唤醒时刻将均匀分布在时间轴上。

进一步的，步骤1具体包括以下步骤：

1)确定传感器分组总数N，传感器组等于传感器网络覆盖的设备的总数；

2)确定所配置传感器的分组编号N_sensor，N_sensor∈[0,N-1]；属于同一台设备上的传感器的编号相同；

3)确定温度采集间隔时间I_tmp，特征值采集间隔时间I_eigen，波形采集间隔时间I_wave，特征值采集间隔倍数n，波形采集间隔倍数m，这些参数之间的相互关系满足式(3)；

m≥n≥1m*n≥N (3)

4)将每只传感器的分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m下发给指定的传感器，并在传感器侧固存。

进一步的，无线传感器节点的硬件包括主控硬件和射频硬件；主控硬件中的RTC负责定时唤醒无线传感器主控部分，以实现定时唤醒机制，RTC的时钟由外部晶振提供。

进一步的，唤醒时刻的校准包括以下步骤：

1)主处理器被RTC定是唤醒；

2)通过发送串口命令的方式从射频模块获取网络时间t_net(n)；

3)从板载固存中获取预配置的主处理器唤醒间隔时间，即温度采集间隔时间I_tmp；

4)从板载固存中获取从网络启动后到当前已经经过的唤醒次数Cnt_wokenup，存储的Cnt_wokenup是上一次唤醒经过5)校准的唤醒次数计算值；

5)进行本次唤醒次数的校准，其中本次理想的唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}的计算公示如式(4)，计算过程会截断小数位，保留整数；

Cnt_{ideal_wakeup}＝t_net(n)/I_tmp

(4)

当Cnt_{ideal_wakeup}≠Cnt_wokenup时，计算理想唤醒次数和实际唤醒次数之间的偏差Cnt_deviation；

Cnt_deviation＝abs(Cnt_{ideal_wakeup}-Cnt_wakeup)

(5)

当Cnt_deviation≠1时，表示上次唤醒记录的Cnt_wokenup不精确，需要强制校准，如公式(6)；

Cnt_wokenup＝Cnt_{ideal_wakeup}-1

(6)

6)步骤6根据校准后的Cnt_wokenup计算本次唤醒的理想唤醒时刻t_ideal(n)，计算公式如式(7)所示；

t_ideal(n)＝(Cnt_wokenup+1)*I_tmp

(7)

7)对6)计算的本次理想唤醒时刻进行调整，此处的调整只针对实际唤醒时刻远早于相对于理想唤醒时刻t_ideal_(n)，目的在于降低系统功耗；

8)校准RTC，计算主处理器紧邻两次，唤醒间隔内RTC时钟的校准系数Coeff_RTC(n)，

并以此系数计算设置紧邻的下一次RTC唤醒的时刻值t_RTC(n+1)；

式(8)中，t_RTC(n)表示本次唤醒记录的RTC时刻值，t_RTC(n-1)是紧邻上一次唤醒记录的

RTC时刻值，t_net(n)是本次唤醒获取的网络时间，t_net(n-1)是上次唤醒获取的网络时间；

t_RTC(n+1)＝(Cnt_wokenup+2)*I_tmp*Coeff_RTC(n)

(9)。

进一步的，复用时传感器端具体的做法如下：

1)传感器唤醒后，获取分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m；

2)计算本次唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}，所有传感器的Cnt_{ideal_wakeup}相同，因为网络时间相同；

3)计算延迟因数F_{delay_cnt}＝((m*n)/N)*N_sensor；

4)计算调整后的采集次数Cnt_delay＝Cnt_{ideal_wakeup}+F_{delay_cnt}；

5)判断采集上传数据类型，当Cnt_delay％(m*n)＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集和波形数据，当Cnt_delay％n＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集数据，其他情况表示只采集上传温度数据；

6)按照上一步上传需要的数据，上传完成后传感器进入睡眠状态。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明网络传输调度算法实现简单，可在微控制器开发数百行的控制代码实现，易于实现且可工程化。

本发明网络传输带宽利用率评估指标ε计算简单：ε＝N/M。N表示传感器分组数量，M表示波形采集间隔是温度采集间隔的倍数；

本发明网络传输带宽利用率提升明显：在N＝M＝4的情况下网络传输带宽利用率可提升300％，且随着N和M的进一步增大，网络传输带宽利用率还会进一步提升。

附图说明

图1不同采集数据类型的采集间隔示意图；

图2传感器分组采集上传机制示意图；

图3无线传感器硬件框图；

图4唤醒时刻校准流程；

图5唤醒时刻调整过程。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图5，1、一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，配置无线网络传感器的分时参数，将每只传感器的分时参数下发给指定的传感器，并在传感器侧固存；

步骤2，通过利用SmartMeshIP网络的时间同步机制，使网络中的所有传感器必须保持统一的时间基，构建无线传感器节点，以实现定时唤醒机制；

步骤3，分时传输复用，经过步骤2的处理，无线网络中所有节点在相同时刻唤醒，实现分时复用，无线传感器网络中所有传感器节点的波形采集上传唤醒时刻将均匀分布在时间轴上。

2、根据权利要求1所述的一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，其特征在于，步骤1具体包括以下步骤：

1)确定传感器分组总数N，传感器组等于传感器网络覆盖的设备的总数；

2)确定所配置传感器的分组编号N_sensor，N_sensor∈[0,N-1]；属于同一台设备上的传感器的编号相同；

3)确定温度采集间隔时间I_tmp，特征值采集间隔时间I_eigen，波形采集间隔时间I_wave，特征值采集间隔倍数n，波形采集间隔倍数m，这些参数之间的相互关系满足式(3)；

m≥n≥1m*n≥N (3)

4)将每只传感器的分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m下发给指定的传感器，并在传感器侧固存。

3、根据权利要求1所述的一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，其特征在于，无线传感器节点的硬件包括主控硬件和射频硬件；主控硬件中的RTC负责定时唤醒无线传感器主控部分，以实现定时唤醒机制，RTC的时钟由外部晶振提供。

4、根据权利要求3所述的一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，其特征在于，唤醒时刻的校准包括以下步骤：

1)主处理器被RTC定是唤醒；

2)通过发送串口命令的方式从射频模块获取网络时间t_net(n)；

3)从板载固存中获取预配置的主处理器唤醒间隔时间，即温度采集间隔时间I_tmp；

4)从板载固存中获取从网络启动后到当前已经经过的唤醒次数Cnt_wokenup，存储的Cnt_wokenup是上一次唤醒经过5)校准的唤醒次数计算值；

5)进行本次唤醒次数的校准，其中本次理想的唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}的计算公示如式(4)，计算过程会截断小数位，保留整数；

Cnt_{ideal_wakeup}＝t_net(n)/I_tmp

(4)

当Cnt_{ideal_wakeup}≠Cnt_wokenup时，计算理想唤醒次数和实际唤醒次数之间的偏差Cnt_deviation；

Cnt_deviation＝abs(Cnt_{ideal_wakeup}-Cnt_wakeup)

(5)

当Cnt_deviation≠1时，表示上次唤醒记录的Cnt_wokenup不精确，需要强制校准，如公式(6)；

Cnt_wokenup＝Cnt_{ideal_wakeup}-1

(6)

6)步骤6根据校准后的Cnt_wokenup计算本次唤醒的理想唤醒时刻t_ideal(n)，计算公式如式(7)所示；

t_ideal(n)＝(Cnt_wokenup+1)*I_tmp

(7)

7)对6)计算的本次理想唤醒时刻进行调整，此处的调整只针对实际唤醒时刻远早于相对于理想唤醒时刻t_ideal(n)，目的在于降低系统功耗；

8)校准RTC，计算主处理器紧邻两次，唤醒间隔内RTC时钟的校准系数Coeff_RTC(n)，并以此系数计算设置紧邻的下一次RTC唤醒的时刻值t_RTC(n+1)；

式(8)中，t_RTC(n)表示本次唤醒记录的RTC时刻值，t_RTC(n-1)是紧邻上一次唤醒记录的

RTC时刻值，t_net(n)是本次唤醒获取的网络时间，t_net(n-1)是上次唤醒获取的网络时间；

t_RTC(n+1)＝(Cnt_wokenup+2)*I_tmp*Coeff_RTC(n)

(9)。

5、根据权利要求1所述的一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，其特征在于，复用时传感器端具体的做法如下：

1)传感器唤醒后，获取分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m；

2)计算本次唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}，所有传感器的Cnt_{ideal_wakeup}相同，因为网络时间相同；

3)计算延迟因数F_{delay_cnt}＝((m*n)/N)*N_sensor；

4)计算调整后的采集次数Cnt_delay＝Cnt_{ideal_wakeup}+F_{delay_cnt}；

5)判断采集上传数据类型，当Cnt_delay％(m*n)＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集和波形数据，当Cnt_delay％n＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集数据，其他情况表示只采集上传温度数据；

6)按照上一步上传需要的数据，上传完成后传感器进入睡眠状态。

实施例：

以传感器分组总数N等于4为例。

阶段一：分时参数配置阶段

步骤1，确定传感器分组总数N，如图2所示N＝4。传感器组等于传感器网络覆盖的设备的总数；

步骤2，确定所配置传感器的分组编号N_sensor，N_sensor∈[0,N-1]；属于同一台设备上的传感器的编号相同；

步骤3，确定温度采集间隔时间I_tmp，特征值采集间隔时间I_eigen，波形采集间隔时间I_wave，特征值采集间隔倍数n，波形采集间隔倍数m，这些参数之间的相互关系满足式(3)；m≥n≥1，m*n≥N(3)

步骤4，将每只传感器的分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m下发给指定的传感器，并在传感器侧固存。

阶段二：精确分时校时阶段

为了实现网络带宽的分时复用机制，网络中的所有传感器必须保持统一的时间基，这一特性是通过利用SmartMeshIP网络的时间同步机制达成。无线传感器节点的硬件构成由主控硬件和射频硬件构成，如图3所示。

图3中主控硬件中的RTC负责定时唤醒无线传感器主控部分，以实现定时唤醒机制，RTC的时钟由外部晶振提供。考虑到环境温度对晶振精度的影响，每次主控硬件唤醒后都需要通过射频模块获取无线网络时间，根据此时间对主控硬件的定时唤醒周期精度进行控制。过程如下：

无线网络一旦启动，网络中所有无线射频模块的本地时间都会定期进行同步，并最终同步至无线网络管理器节点。某个无线节点的掉线到重新上线都会重新与网络时间进行同步，即网络时间的推进保持唯一性。本发明利用无线网络时间的这一特点实现了主处理器唤醒时刻的理论时刻值；

在图4所示流程图中，步骤2通过发送串口命令的方式从射频模块获取网络时间t_net(n)；

步骤3从板载固存中获取预配置的主处理器唤醒间隔时间，即温度采集间隔时间I_tmp；

步骤4从板载固存中获取从网络启动后到当前已经经过的唤醒次数Cnt_wokenup，存储的Cnt_wokenup是上一次唤醒经过步骤5校准的唤醒次数计算值；

步骤5进行本次唤醒次数的校准，其中本次理想的唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}的计算公示如式(4)，计算过程会截断小数位，保留整数；

Cnt_{ideal_wakeup}＝t_net(n)/I_tmp

(4)

当Cnt_{ideal_wakeup}≠Cnt_wokenup时，计算理想唤醒次数和实际唤醒次数之间的偏差Cnt_deviation；

Cnt_deviation＝abs(Cnt_{ideal_wakeup}-Cnt_wakeup)

(5)

当Cnt_deviation≠1时，表示上次唤醒记录的Cnt_wokenup不精确，需要强制校准，如公式(6)；

Cnt_wokenup＝Cnt_{ideal_wakeup}-1

(6)

步骤6根据校准后的Cnt_wokenup计算本次唤醒的理想唤醒时刻t_ideal(n)，计算公式如式(7)

所示；

t_ideal(n)＝(Cnt_wokenup+1)*I_tmp

(7)

步骤7，对步骤6计算的本次理想唤醒时刻进行调整，此处的调整只针对实际唤醒时刻大大早于相对于理想唤醒时刻t_ideal(n)，目的在于降低系统功耗，具体流程图如图5所示；

步骤8校准RTC，计算主处理器紧邻两次(本次和上一次)唤醒间隔内RTC时钟的校准系数Coeff_RTC(n)，并以此系数计算设置紧邻的下一次RTC唤醒的时刻值t_RTC(n+1)。

式(8)中，t_RTC(n)表示本次唤醒记录的RTC时刻值，t_RTC(n-1)是紧邻上一次唤醒记录的

RTC时刻值，t_net(n)是本次唤醒获取的网络时间，t_net(n-1)是上次唤醒获取的网络时间。

t_RTC(n+1)＝(Cnt_wokenup+2)*I_tmp*Coeff_RTC(n)

(9)

阶段三，分时传输复用阶段

经过阶段二的处理，无线网络中所有节点都会在相同时刻唤醒，这是实现分时复用的基础。复用主要是为了提升网络带宽利用率。本质是将高带宽占用的工作状态(如波形批量上传过程)均匀分摊至网络的全生命周期内，传感器端具体的做法如下：

步骤1，传感器唤醒后，获取分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m；

步骤2，计算本次唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}，所有传感器的Cnt_{ideal_wakeup}相同，因为网络时间相同；

步骤3，计算延迟因数F_{delay_cnt}＝((m*n)/N)*N_sensor；

步骤4，计算调整后的采集次数Cnt_delay＝Cnt_{ideal_wakeup}+F_{delay_cnt}；

步骤5，判断采集上传数据类型，当Cnt_delay％(m*n)＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集和波形数据，当Cnt_delay％n＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集数据，其他情况表示只采集上传温度数据；

步骤6，按照步骤5上传需要的数据，上传完成后传感器进入睡眠状态。

经过以上步骤，无线传感器网络中所有传感器节点的波形采集上传唤醒时刻将均匀分布在时间轴上，达到图2所示的效果，有效提升了网络带宽的利用率。

Claims (1)

1.一种基于分时复用的无线传感器网络传输调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，配置无线网络传感器的分时参数，将每只传感器的分时参数下发给指定的传感器，并在传感器侧固存；

步骤2，通过利用SmartMeshIP网络的时间同步机制，使网络中的所有传感器必须保持统一的时间基，构建无线传感器节点，以实现定时唤醒机制；

步骤3，分时传输复用，经过步骤2的处理，无线网络中所有节点在相同时刻唤醒，实现分时复用，无线传感器网络中所有传感器节点的波形采集上传唤醒时刻将均匀分布在时间轴上；

步骤1具体包括以下步骤：

1)确定传感器分组总数N，传感器组等于传感器网络覆盖的设备的总数；

2)确定所配置传感器的分组编号N_sensor，N_sensor∈[0,N-1]；属于同一台设备上的传感器的编号相同；

3)确定温度采集间隔时间I_tmp，特征值采集间隔时间I_eigen，波形采集间隔时间I_wave，特征值采集间隔倍数n，波形采集间隔倍数m，这些参数之间的相互关系满足式(3)；

m≥n≥1 m*n≥N (3)

4)将每只传感器的分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m下发给指定的传感器，并在传感器侧固存；

无线传感器节点的硬件包括主控硬件和射频硬件；主控硬件中的RTC负责定时唤醒无线传感器主控部分，以实现定时唤醒机制，RTC的时钟由外部晶振提供；

唤醒时刻的校准包括以下步骤：

1)主处理器被RTC定时唤醒；

2)通过发送串口命令的方式从射频模块获取网络时间t_net(n)；

3)从板载固存中获取预配置的主处理器唤醒间隔时间，即温度采集间隔时间I_tmp；

4)从板载固存中获取从网络启动后到当前已经经过的唤醒次数Cnt_wokenup，存储的Cnt_wokenup是上一次唤醒经过5)校准的唤醒次数计算值；

5)进行本次唤醒次数的校准，其中本次理想的唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}的计算公示如式(4)，计算过程会截断小数位，保留整数；

Cnt_{ideal_wakeup}＝t_net(n)/I_tmp

(4)

当Cnt_{ideal_wakeup}≠Cnt_wokenup时，计算理想唤醒次数和实际唤醒次数之间的偏差Cnt_deviation；

Cnt_deviation＝abs(Cnt_{ideal_wakeup}-Cnt_wakeup)

(5)

当Cnt_deviation≠1时，表示上次唤醒记录的Cnt_wokenup不精确，需要强制校准，如公式(6)；

Cnt_wokenup＝Cnt_{ideal_wakeup}-1

(6)

6)步骤6根据校准后的Cnt_wokenup计算本次唤醒的理想唤醒时刻t_ideal(n)，计算公式如式(7)所示；

t_ideal(n)＝(Cnt_wokenup+1)*I_tmp

(7)

7)对6)计算的本次理想唤醒时刻进行调整，此处的调整只针对实际唤醒时刻早于相对于理想唤醒时刻t_ideal(n)，目的在于降低系统功耗；

8)校准RTC，计算主处理器紧邻两次，唤醒间隔内RTC时钟的校准系数Coeff_RTC(n)，

并以此系数计算设置紧邻的下一次RTC唤醒的时刻值t_RTC(n+1)；

式(8)中，t_RTC(n)表示本次唤醒记录的RTC时刻值，t_RTC(n-1)是紧邻上一次唤醒记录的RTC时刻值，t_net(n)是本次唤醒获取的网络时间，t_net(n-1)是上次唤醒获取的网络时间；

t_RTC(n+1)＝(Cnt_wokenup+2)*I_tmp*Coeff_RTC(n)

(9)；

复用时传感器端具体的做法如下：

1)传感器唤醒后，获取分时参数N_sensor、N、I_tmp、n、m；

2)计算本次唤醒次数Cnt_{ideal_wakeup}，所有传感器的Cnt_{ideal_wakeup}相同，因为网络时间相同；

3)计算延迟因数F_{delay_cnt}＝((m*n)/N)*N_sensor；

4)计算调整后的采集次数Cnt_delay＝Cnt_{ideal_wakeup}+F_{delay_cnt}；

5)判断采集上传数据类型，当Cnt_delay％(m*n)＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集和波形数据，当Cnt_delay％n＝＝0时，当前传感器本次采集上传温度、特征集数据，其他情况表示只采集上传温度数据；

6)按照上一步上传需要的数据，上传完成后传感器进入睡眠状态。

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