CN113810985B

CN113810985B - 一种低功耗设备组网数据上传方法及通信设备

Info

Publication number: CN113810985B
Application number: CN202111358685.3A
Authority: CN
Inventors: 潘志亮; 杨闻骏; 吴春林; 张建敏
Original assignee: Zhejiang Kryp Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Kryp Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2041-11-17
Also published as: CN113810985A

Abstract

本发明涉及一种低功耗设备组网数据上传方法，包括：获取周边节点设备发送的心跳信号；根据所述设备级数对设备类型符合的周边节点设备进行排序;根据排序结果确定上级节点设备的设备级数和数量；根据上级节点设备的设备级数确定本设备的设备级数；根据上级节点设备的数量和唤醒周期确定第一激活时间；当产生待上传数据时，进入激活模式，持续所述第一激活时间对外广播激活信号；进入数据上传模式并将数据上传至激活的上级节点设备；本发明有益效果在于通过本方法上传数据的节点设备，可有效降低设备上传数据时的平均功耗，整体上延长设备的使用寿命。

Description

一种低功耗设备组网数据上传方法及通信设备

技术领域

本发明涉及数据通信领域，具体涉及一种低功耗设备组网数据上传方法及通信设备。

背景技术

当物联网设备实时开启通信芯片功耗很高时，采用了定时唤醒的方式来降低设备功耗；当周边上传设备较多时，又采用了通过设备ID识别指定上传设备上传数据的方式来避免数据重复上传以及由此带来的电量浪费；当数据上传的路径存在多种可能时，又采用组网的方式来优化上传路径避免无用上传路径浪费电量；可以说，物联网设备的发展是伴随着设备功耗的不断降低，使用寿命不断增长的。

目前的物联网设备为了成本和功耗，普通节点的物联网设备通常仅采用单个通信芯片，同一时间只能接收信号或发送信号，接收时通常都是根据唤醒周期定时几秒唤醒然后开启芯片持续几毫秒接收数据；而上传时通常都是开启芯片持续几秒的激活时间发送激活数据，只有当激活时间大于等于唤醒周期时，上传设备才能确保激活特定的接收设备，进而下一步上传数据至特定的接收设备。

即使上传设备的功耗已经比较小了，但是能够进一步降低其功耗仍然是值得研究的问题。

发明内容

为避免背景技术的不足之处，本发明提供一种低功耗设备组网数据上传方法，可降低设备上传数据时的功耗，延长使用寿命。

本发明提出的一种低功耗设备组网数据上传方法，包括：

获取周边节点设备发送的心跳信号，心跳信号包括周边节点设备的设备类型、设备ID、设备级数在内的设备信息；

根据设备级数对设备类型符合的周边节点设备进行排序;

根据排序结果确定上级节点设备的设备级数和数量，上级节点设备为排序结果中设备级数最高的且可以作为本设备数据上发对象的节点设备；

根据上级节点设备的设备级数确定本设备的设备级数；

根据上级节点设备的数量和唤醒周期确定第一激活时间，第一激活时间为本设备在激活模式对外广播激活信号所持续的时间，唤醒周期为节点设备两次开启接收模式的间隔周期；第一激活时间小于唤醒周期，且第一激活时间根据实时确定的上级节点设备的数量的增加或减少而相应的减少或增加；

当产生待上传数据时，进入激活模式，持续第一激活时间对外广播激活信号，激活信号包括激活命令以及本设备的设备类型、设备ID、设备级数在内的激活信息；

进入数据上传模式并将数据上传至激活的上级节点设备。

优选的，第一激活时间为节点设备的单次上传平均最小总激活时间对应的最佳第一激活时间。

进一步的，进入数据上传模式的步骤前，还包括：跳频至数据上传专用的预设频段。

进一步的，激活信号还包括预设频段信息。

进一步的，将数据上传至激活的上级节点设备的步骤包括：

对外发送包括设备ID在内的上传请求；

接收已激活的上级节点设备回复的包括设备ID在内的请求应答；

确定首个回复的上级节点设备为数据上传的目标上级节点设备；

记录并保存该目标上级节点设备的设备ID；

将数据上传至该目标上级节点设备。

进一步的，在数据上传模式中若数据上传失败，则进入步骤：

获取首次进入激活模式的第一RTC时刻;

根据第一RTC时刻和第一激活时间确定下次进入激活模式的第二RTC时刻；

根据唤醒周期以及第一激活时间确定第二激活时间；

在第二RTC时刻再次进入激活模式，持续第二激活时间对外广播激活信号。

进一步的，第二RTC时刻为第一RTC时刻的基础上加上第一激活时间和任意倍数唤醒周期的时间；第二激活时间大于等于唤醒周期与第一激活时间的差值。

本发明还提出的一种通信设备，包括用于存储程序的存储器和用于执行程序的处理器，程序被处理器执行时实现如上任意一项方法的步骤。

本发明有益效果在于通过本方法上传数据的节点设备，可根据上级节点设备的数量自动调节激活时间，有效降低设备上传数据时的平均功耗，整体上延长设备的使用寿命。

附图说明

图1是实施例低功耗设备组网数据上传方法的流程示意图。

图2是数据上传至激活的上级节点设备方法的流程示意图。

图3是首次激活失败后再次激活方法的流程示意图。

图4是当第二激活时间等于唤醒周期，单次上传平均最小总激活时间与第一激活时间之间的函数图像示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

为了使人更好的了解本发明，在此对说明书中一些名词作出解释：

节点设备，本发明中的节点设备特指应用了本发明低功耗设备组网数据上传方法的超低功耗物联网设备。每个节点设备都是网络传输中的一个中间节点，具有接收或上传数据功能，可以具有某种特定的检测功能，通常节点设备仅具有单个射频通信模块，在同一时间内只能开启接收数据或上传数据功能。

实施例，参照附图1-附图4，一种低功耗设备组网数据上传方法，包括：

S101获取周边节点设备发送的心跳信号，心跳信号包括设备类型、设备ID、设备级数在内的设备信息；本步骤中，由于每个节点设备会定时对外发送心跳信号表明自身的健康情况及存在信息，故而对本设备来说在一段时间内可以获取其信号覆盖范围内的所有周边节点设备的设备信息，并根据这些设备信息进行后续步骤。

S102根据设备级数对设备类型符合的周边节点设备进行排序;本步骤的目的是将周边节点设备进行分类，理论上来说，在本设备的信号覆盖范围内只能存在3类设备级数的节点设备，即分别为上级节点设备、下级节点设备以及同级节点设备；如果存在更高级或更低级的节点设备，那么信号覆盖范围内的节点设备会根据最高级的节点设备自动调整变化改变其自身的设备级数，故而更高级或更低级的节点设备只会在短时间内出现，并不会影响本实施例方法。上级节点设备就是本设备可以作为转发数据的对象的节点设备，而下级节点设备就是可以将本设备作为转发数据的对象的节点设备。

S103根据排序结果确定上级节点设备的设备级数和数量，上级节点设备为排序结果中设备级数最高的且可以作为本设备数据上发对象的节点设备；本步骤的目的就是为了确定本设备周边的上级节点设备的设备级数和数量，上级节点设备的设备级数直接关系到本设备的设备级数，而数量直接关系到本设备在激活模式对外广播激活信号所持续的时间。

S104根据上级节点设备的设备级数确定本设备的设备级数；本步骤中，根据上级节点设备的设备级数确定本设备的设备级数，那么在后续发送激活信号的过程中，上级节点设备根据接收到的激活信号中的设备级数，就可以确定本设备可以作为该上级节点设备的下级节点设备。

S105根据上级节点设备的数量和唤醒周期确定第一激活时间，第一激活时间为本设备在激活模式对外广播激活信号所持续的时间，唤醒周期为节点设备两次开启接收模式的间隔周期；第一激活时间小于唤醒周期，且第一激活时间随上级节点设备的数量的增加或减少而相应的减少或增加；本步骤为本发明的核心步骤，传统物联网设备在转发数据时，只是针对特定接收设备进行激活，那么为了保证激活，往往是将激活时间设定为大于或等于该特定接收设备的唤醒周期，举例来说，某接收设备A每2s唤醒打开芯片并持续接收功能2ms，那么某上传设备B发送激活数据时就需要至少持续2s不断发送激活信号，才能确保接收设备A接收到上传设备B的激活信号进而采取后续动作；而其他接收设备虽然也能接收到激活信号，但是因为激活信号中的设备ID不符合故而不会有后续动作；在本实施例中，在保证一定成功率的前提下，从概率上来说，如果本设备周边的上级节点设备数量越多，那么激活时间所需时间越少；激活时间越少则对于上传数据的节点设备的功耗就越小。本步骤的目的就是为了根据上级节点设备的数量确定本设备在激活模式的持续时间即第一激活时间，从而使本设备的可以减少在激活模式的持续时间从而减少功耗。

S106当产生待上传数据时，进入激活模式，持续第一激活时间对外广播激活信号，激活信号包括激活命令、预设频段信息以及本设备的设备类型、设备ID、设备级数在内的激活信息。

S107跳频至数据上传专用的预设频段；本步骤目的是为了确保数据上传不受干扰，在原频段可能存在其他节点设备也在发送信号，故而为了尽量避免信号的干扰，本设备在结束激活模式后进入数据上传模式前可以跳频至数据上传专用的预设频段。

S108进入数据上传模式并将数据上传至激活的上级节点设备；本步骤就是按现有方法使本设备与激活的上级节点设备进行数据上传。

考虑到步骤S108中最后激活的上级节点设备数量可能大于等于2个，为了避免数据重复上传，将数据上传至激活的上级节点设备的步骤包括：

S111对外发送包括设备ID在内的连接请求；本步骤中，本设备在跳频至预设频段后，会对外发送包括设备ID在内的连接请求，请求与激活的上级节点设备建立数据传输连接；

S112接收已激活的上级节点设备回复的包括设备ID在内的请求应答；本步骤中，已激活的上级节点设备接收到连接请求后，会进行一次应答；

S113确定首个回复的上级节点设备为数据上传的目标上级节点设备；

S114记录并保存该目标上级节点设备的设备ID；

S115对外发送包括设备ID在内的上传请求；

S116将数据上传至该目标上级节点设备。

从宏观角度考虑，上传的节点设备（以下简称上传设备）通过预设的激活时间去激活接收的节点设备（以下简称接收设备），当激活时间T小于接收设备的唤醒周期Tc时，即T<Tc时,激活就有可能存在一定的失败几率，如果激活失败则上传设备会再次进行激活动作,如果第二次激活失败则会第三次进行激活动作，后面以此类推。通常选择确保第二次能够激活成功来保证数据上传成功，当然也可以选择第三次甚至更多次再确保激活成功，但是太多次数的激活反而会浪费时间和电量，没什么必要。本实施例仅采取二次激活确保数据上传的机制，并定义首次激活时间为第一激活时间T1，再次激活时间为第二激活时间T2。

对于单个接收设备来说，

被激活的成功率=第一激活时间/唤醒周期，即单激活成功率=T1/Tc；

被激活的失败率=1-第一激活时间/唤醒周期，即单激活失败率=1-T1/Tc；

那么对于上传设备信号覆盖范围内的所有接收设备来说，

全部激活的失败率=(1-第一激活时间/唤醒周期)^X，X为上级节点设备的数量，即：

全激活失败率=

；

也就是说，上传设备至少激活成功一个接收设备的概率，也即

上传成功率=1-(1-第一激活时间/唤醒周期）^X，即

；

通过换算后可得出第一激活时间：

。

本实施例方法中，最核心的就是确定第一激活时间，第一激活时间的大小直接影响本设备的功耗。假设上传设备有N次上传次数，接收设备的唤醒周期Tc=2s，则N次上传的实际总激活时间为：

，换算后，

N次上传的实际总激活时间为：

；

进而可推算出，

单次上传平均总激活时间为：

为了确保上传设备在第一次激活失败后还能100%激活接收设备，同时也为了简化功耗计算，则可以设定第二激活时间等于唤醒周期，即T2=Tc，同时将上述Tc的数值代入公式，则

单次上传平均总激活时间为：

；

如图4所示（图4中的T即为T1），从该公式可以推断出，当X为大于等于2的正整数且0<T1<2时，图中各函数的曲线为下凹曲线，这意味着单次上传平均总激活时间存在最小值，同时也意味着第一激活时间存在最佳值。

总结来说，当上传设备的第一激活时间一直取最佳值时，上传设备在整个寿命周期里，上传功耗可以达到最小，也即根据函数公式、节点设备本身的唤醒周期以及上级节点设备的数量通过计算可确定单次上传平均最小总激活时间，进而确定对应的最佳第一激活时间；当节点设备采用该最佳第一激活时间可有效降低节点设备的上传功耗，进而延长设备使用寿命。需要知道的是，本实施例中的公式只是为了便于计算和理解采用的简易公式，实际还需要考虑其他相关参数。

本实施例采取二次激活确保数据上传的机制，意味着在数据上传模式中若数据上传失败，即本设备没有在第一激活时间内激活任意一个上级节点设备，则后续会进行第二次激活动作，此时为了确保激活不再失败，可使第二激活时间设定为等于或大于唤醒周期。但是将第二激活时间设定等于或大于唤醒周期，一定程度上也会增加功耗，如果在确保激活不再失败的前提下，减少第二激活时间，可以进一步降低本设备整体上上传的功耗，本实施例在数据上传失败后进入步骤：

S121获取首次进入激活模式的第一RTC时刻;

S122根据第一RTC时刻和第一激活时间确定下次进入激活模式的第二RTC时刻，第二RTC时刻为第一RTC时刻的基础上加上第一激活时间和任意倍数唤醒周期的时间；

S123根据唤醒周期以及第一激活时间确定第二激活时间，第二激活时间大于等于唤醒周期与第一激活时间的差值；

S124在第二RTC时刻重新进入激活模式，持续第二激活时间对外广播激活信号。

假设时间为一个个连续的唤醒周期Tc组成，比如[Tc1，Tc2，…，TcN]，本实施例中，第一激活时间T1小于唤醒周期Tc，假设上传设备在第一RTC时刻（可以假设该第一RTC时刻为Tc1）开始进入激活模式并持续第一激活时间T1发送激活信号；如果上传设备在Tc1至Tc1+T1期间未能激活一个接收设备时，则表明一个事实，即所有的接收设备都在Tc1+T1至Tc2期间内可被激活；由于两次激活动作的间隔时间很短，各接收设备即使存在时钟偏差，在这么短的时间内各接收设备的RTC时刻差异基本不变，各接收设备的唤醒时刻差异也是基本不变的，故而上传设备在选个合适的时刻就可以在第二次激活动作时仅持续Tc-T1的激活时间就可以确保不再失败，该第二RTC时刻可以是Tc2+T1或Tc3+T1或TcN+T1。

虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了描述，但是，本领域普通技术人员应当了解，可以不限于上述实施例的描述，在权利要求书的范围内，可作出形式和细节上的各种变化。

Claims

1.一种低功耗设备组网数据上传方法，其特征在于，包括：

获取周边节点设备发送的心跳信号，所述心跳信号包括周边节点设备的设备类型、设备ID、设备级数在内的设备信息；

根据所述设备级数对设备类型符合的周边节点设备进行排序;

根据排序结果确定上级节点设备的设备级数和数量，所述上级节点设备为排序结果中设备级数最高的且可以作为本设备数据上发对象的节点设备；

根据上级节点设备的设备级数确定本设备的设备级数；

根据上级节点设备的数量和唤醒周期确定第一激活时间，所述第一激活时间为本设备在激活模式对外广播激活信号所持续的时间，所述唤醒周期为节点设备两次开启接收模式的间隔周期；所述第一激活时间小于唤醒周期，且第一激活时间根据实时确定的上级节点设备的数量的增加或减少而相应的减少或增加；

当产生待上传数据时，进入激活模式，持续所述第一激活时间对外广播激活信号，所述激活信号包括激活命令以及本设备的设备类型、设备ID、设备级数在内的激活信息；

进入数据上传模式并将数据上传至激活的上级节点设备。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗设备组网数据上传方法，其特征在于，其中，所述第一激活时间为节点设备的单次上传平均最小总激活时间对应的最佳第一激活时间；所述单次上传平均总激活时间与第一激活时间之间具有函数关系，该函数的曲线呈下凹曲线；单次上传平均最小总激活时间可根据函数公式、节点设备本身的唤醒周期以及上级节点设备的数量通过计算确定。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗设备组网数据上传方法，其特征在于，其中，所述进入数据上传模式的步骤前，还包括：跳频至数据上传专用的预设频段。

4.根据权利要求3所述的一种低功耗设备组网数据上传方法，其特征在于，其中，所述激活信号还包括预设频段信息。

5.根据权利要求1所述的一种低功耗设备组网数据上传方法，其特征在于，其中，所述将数据上传至激活的上级节点设备的步骤包括：

对外发送包括设备ID在内的上传请求；

记录并保存该目标上级节点设备的设备ID；

将数据上传至该目标上级节点设备。

6.根据权利要求1所述的一种低功耗设备组网数据上传方法，其特征在于，其中，在数据上传模式中若数据上传失败，则进入步骤：

获取首次进入激活模式的第一RTC时刻;

根据唤醒周期以及第一激活时间确定第二激活时间；

7.根据权利要求6所述的一种低功耗设备组网数据上传方法，其特征在于，其中，第二RTC时刻为第一RTC时刻的基础上加上第一激活时间和任意倍数唤醒周期的时间；第二激活时间大于等于唤醒周期与第一激活时间的差值。

8.一种通信设备，包括用于存储程序的存储器和用于执行所述程序的处理器，其特征在于：所述程序被处理器执行时实现权利要求1-7任意一项所述方法的步骤。