CN115175123A - 基于业务的可变监测网络及其运营方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于业务的可变监测网络及其运营方法。在所述运营方法中，控制设备开启m个终端设备中的n个，n个终端设备与收发设备组成动态的链路，经该链路向服务器提供房间的监测数据。终端设备的开启数量根据根据业务的变化而变化。本发明采用时间分片的方式区分不同的终端设备，无须在每次上传数据时上报设备的序列号，缩短通信时间。当缺失部分监测数据时，增加对应终端设备的上报次数，同时规避终端设备之间相互通信可能出现的信道冲突，提高网络通信的效率。

Description

基于业务的可变监测网络及其运营方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术，尤其涉及一种基于业务的可变监测网络及其运营方法。

背景技术

室内分布式系统可以应用于酒店通信网络，如CN2016108932272的那种酒店客房监控管理系统。这种酒店客房监控管理系统的客房控制装置包括多个分布单元，所述多个分布单元包括开关、传感器等信号收发设备，信号收发设备与控制装置通信，向控制装置发送终端数据。参照《基于物联网技术的景区酒店环境远程无线监测系统》（电脑知识与技术.吴琦.2016）等，信号收发设备例如音乐播放器、气体监测传感器、流量计等。

现有技术要求这类设备具有较长的使用寿命。为了降低功耗，现有的信号收发设备在非工作时段保持低电平状态，并在工作时段向控制装置发送数据，如CN201110047275.7的那种无线传感器网络的路由方法，这种路由方法无法根据信号收发设备的数量调整网络通信状态。现有技术需要提出一种可变监测网络及其运营方法，根据业务变化调整通信状态，进一步降低功耗。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于业务的可变监测网络及其运营方法，根据酒店客房等可变业务需求开启不同的终端设备，并根据终端设备的状态组成动态链路，实现无线网络的低功耗运营。

本申请的发明目的可通过以下技术方案实现：

一种基于业务的可变监测网络的运营方法，包括以下步骤：

步骤1：在多个客房布置多个收发设备和m个终端设备，至少一个终端设备经收发 设备连接至服务器，服务器对客房内的收发设备进行编码，客房f的收发设备的地址码为 Zf，

，其中，Y_t为该收发设备所连接的终端设备数量，

为

的取整 运算，r为小于或等于

的整数，

；

步骤2：服务器中包含有静态组网集L，静态组网集L中存储收发设备与终端设备组成的静态链路，服务器根据终端设备的位置生成信道冲突集R，该信道冲突集存储与任意终端设备信道冲突的终端设备；

步骤3：控制设备根据客房的使用状态开启n个终端设备，服务器根据与收发设备处于同一静态组网链路的终端设备生成通信序列，n≤m；

步骤4：一个通信周期开始后，终端设备在监测期获取房间的监测数据；

步骤5：收发设备基于通信序列发送的轮询帧，终端设备在侦听期接收该轮询帧，轮询帧指定任意终端设备i信号的时间片p_i，i=1,2...n，n为正整数；

步骤6：终端设备在报文期根据指定的时间片发送监测数据，收发设备确定任意时间片下通信链路质量W；

步骤7：一个通信周期结束后，收发设备将监测数据发送至服务器，若服务器缺少至少一个终端设备的监测数据，进入步骤8，否则进入步骤9；

步骤8：服务器根据信道冲突集和链路质量在下一通信序列中增加该终端设备的序列号，进入步骤9；

步骤9：控制设备开启或关闭至少一个终端设备，服务器增加或减少通信序列中该终端设备的序列号，返回至步骤4。

在本发明中，通信周期由一个监测期、侦听期以及至少一个的报文期、休眠期组成，监测期为通信周期的起始段，至少一个的休眠期为通信周期的结束段，终端设备在监测期、侦听期以及报文期保持高电平状态，在休眠期保持低电平状态。

在本发明中，在步骤6中，若终端设备具有两个指定的时间片且时间片的间隔小于阈值t_△，合并两个指定的时间片作为报文期。

在本发明中，一个收发设备对应一个静态组网集L，将任意终端设备的序列号纳入与该终端设备距离最小的收发设备对应的静态组网集中。

在本发明中，一个终端设备i对应一个信道冲突集R，将与该终端设备i存在信道干扰的终端设备的序列号纳入该终端设备的信道冲突集中。

在本发明中，通信序列为二进制编码字符串，通信序列包含了多个终端设备顺序关系。

在本发明中，反馈帧包含1个起始位、若干个数据位、1个停止位，起始位标识符包含终端设备的有效地址，数据位中包括通信链路质量W的信息分组，停止位为数据读取终止符。

在本发明中，在根据信道冲突集排除通信序列的至少一个位置后，服务器选择在通信序列中选择通信链路质量W最高的位置插入该终端设备的序列号。

一种采用所述的基于业务的可变监测网络的运营方法的可变监测网络，包括：m个终端设备、多个收发设备、服务器、控制设备，其中，控制设备根据客房的使用状态开启n个终端设备；

服务器根据与收发设备处于同一静态组网链路的终端设备生成通信序列，n≤m；

收发设备基于通信序列发送的轮询帧，轮询帧指定任意终端设备i信号的时间片p_i，i=1,2...n，n为正整数；

终端设备在报文期根据指定的时间片发送监测数据，其中，收发设备将监测数据发送至服务器，若服务器缺少至少一个终端设备的监测数据，服务器在下一通信序列中增加该终端设备的序列号。

实施本发明的基于业务的可变监测网络及其运营方法，终端设备的通信链路可以根据业务的变化进行动态化调节，采用时间分片的方式区分不同的终端设备，无须在每次上传数据时上报设备的序列号，缩短通信时间。当缺失部分监测数据时，增加对应终端设备的上报次数，同时规避终端设备之间相互通信可能出现的信道冲突，提高网络通信的效率。终端设备在执行每一轮的通信过程中会通过反馈帧获取通信链路质量，服务器根据反馈的通信链路质量调整无线通信链路，保证终端设备能够选择合适的通信链路，获得较高的通信质量。

进一步的，终端设备将通信周期分割为监测期、侦听期以及报文期，设备在部分期间保持高电平状态，可以降低功耗。针对部分时间片间隔较小导致部分前导码重复的问题，终端设备动态地合并多个小间隔的报文期。

附图说明

图1为本发明的基于业务的可变监测网络的运营方法流程图；

图2为本发明的终端设备与收发设备的安装位置示意图；

图3为本发明的一个通信周期的优选通信序列一和通信序列二的示意图；

图4为本发明的另一个通信周期的优选通信序列一和通信序列二的示意图；

图5为终端设备正常工作状态下在一个通信周期上的报文期示意图；

图6为终端设备休眠状态下另一个通信周期上的报文期示意图；

图7为终端设备正常工作状态下在一个通信周期上合并两个时间片的报文期示意图；

图8为本发明的一个通信周期的信号收发示意图；

图9为本发明的另一个通信周期的信号收发示意图；

图10为本发明的基于业务的可变监测网络的框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

酒店内的环境监测是保障客人入住舒适度的重要方法。在酒店客房内搭建无线传感器网络可以实现多指标、实时化的空气质量监测。在本实施例中，酒店客房需要监测Pm2.5浓度(μm/m³)、温度(℃)、湿度（%Rh）、CO浓度（mg/m³）、SO₂浓度（mg/ m³）等多个指标，布置室内无线传感器网络可以有效对上述指标进行监测，但是多个终端设备之间可能存在的信道冲突、通信链路质量差等问题不利于实际应用的场景。此外，无线传感器网络属于一次性电量供应，能耗问题也是实际应用场景下亟待解决的公共问题。收发设备可以通过轮询帧控制终端设备的数据传输顺序，减少终端设备传输数据等待所不必要的能量损耗。并且本发明可以根据数据收发时间片判断数据来源，避免监测数据中包含标识数据，降低数据包容量的大小。

实施例一

本发明所述的基于业务的可变监测网络的运营方法实施的流程图参照图1，包括以下步骤。

步骤1：在多个客房布置多个收发设备和m个终端设备，至少一个终端设备经收发 设备连接至服务器。由于设备较多，服务器对客房内的收发设备进行编码。客房f的收发设 备的地址码为Zf，

。地址码Zf与静态链路的数量和终端设备的数量有关。 其中，Y_t为该收发设备所连接的终端设备数量，

为

的取整运算，r通常为随机数， 本实施例中，r为小于或等于

的整数，

。

为该收发设备静 态链路的数量。

步骤2：服务器中包含有静态组网集L，静态组网集L中存储收发设备与终端设备组成的静态链路，服务器根据终端设备的位置生成信道冲突集R，该信道冲突集存储与任意终端设备信道冲突的终端设备。在本实施例中，一个收发设备对应一个静态组网集L，将任意终端设备的序列号纳入与该终端设备距离最小的收发设备对应的静态组网集中。静态组网集L是任意收发设备和终端设备的组网关系，在本实施例中，将任意终端设备的序列号纳入与该终端设备距离最小的收发设备对应的静态组网集中。与距离最小的收发设备通信可以获得较佳的通信质量。

由于本发明中终端设备的监测数据不包含身份标识，如果信号强度相近，收发设备难以区分信号来源。为了避免其他终端设备二、终端设备三的干扰，在系统初始化前，根据设备安装的位置，将干扰任意终端设备的其他终端设备标识信息存储至相应信道冲突集R。参照图2，由于部分同类型的终端设备位置相近，收发设备A在接收终端设备T_b的信号的同时，可能收到终端设备T_a、终端设备T_c的干扰信号，如图2的虚线。本发明将终端设备T_a、终端设备T_c的序列号纳入终端设备T_b的信道冲突集。

步骤3：控制设备根据客房的使用状态开启n个终端设备，服务器根据与收发设备处于同一静态组网链路的终端设备生成通信序列，n≤m。所述通信序列为一串0-1的二进制编码字符串，其中包含了各个终端设备之间的关系，终端设备的路径编码初始为收发设备定义的伪随机种子，编码过程为唯一迭代的逆向路径。

步骤4：一个通信周期开始后，终端设备在监测期获取房间的监测数据。终端设备内置Flash寄存器，用以存储环境的监测数据。设备接收到的数据信息通过A/D转换成监测数据进行存储，监测数据成功发送至收发设备后自动擦除数据。

步骤5：收发设备基于通信序列发送的轮询帧，终端设备在侦听期接收该轮询帧，轮询帧指定任意终端设备i信号的时间片p_i，i=1,2...n，n为正整数。轮询帧是通信帧的一种特殊形式，在通信信道上发送的数据结构主要以串行流的形式传输。所述时间片为一组集合序列，时间片集合序列的值与轮询帧串行流中所包含的数据有关。本实施例中，轮询帧包含时间片数量与辅助参数常量，时间片序列为轮询帧集合序列的双重映射。

步骤6：终端设备在指定的时间片发送监测数据，收发设备确定任意时间片下的通信链路质量W。收发设备中的无线发射层在反向通道基带接收滤波器之后确定RSSI强度，RSSI强度指示无线信号的强弱。在本实施例中，其强度大小为判断通信链路质量W的标准。

步骤7：一个通信周期结束后，收发设备将监测数据发送至服务器。若服务器收到全部处于开启状态的终端设备的监测数据，本周期的监测工作不影响下一周期，直接进入步骤9。若服务器缺少至少一个的终端设备的监测数据，表明终端设备按照轮询帧的排序要求发送监测数据时，由于信道冲突或者链路质量不佳，导致收发设备未正常接收数据。此时进入步骤8，服务器需要在下一通信周期调整通信序列。

步骤8：服务器根据信道冲突集和链路质量在下一通信序列中增加该终端设备的序列号，进入步骤9。具体的，首先根据信道冲突集排除已经被附近终端设备（产生干扰）占用的位置，再从可选择的时间片中选择链路质量最好的位置。

步骤9：控制设备开启或关闭至少一个终端设备，服务器增加或减少通信序列中该终端设备的序列号，返回至步骤4。由于酒店业务的频繁变化，本步骤根据业务需要启用或者关闭客房，控制设备开启该客房的终端设备或停用该客房的终端设备，终端设备增减变化时修改通信序列，并以该通信序列为基础开启下一周期的数据发送。

实施例二

本实施例详述终端设备与收发设备序列号的优选通信编码。每一间客房内包含有 多个终端设备与一个收发设备，收发设备为终端设备提供链路分配，控制终端设备通信的 质量，降低终端设备通信的干扰，承担与服务器的物理链路层通信的功能。每一间客房有且 仅有唯一的标识序列号M。在本实施例中，按照客房内终端设备类型的不同，包含多类型、多 收发设备的网络环境中，客房的唯一标识采用Zigbee技术进行网络地址分配，通过二进制 编码的方式对客房内的所有网络中的终端设备进行标识，让客房、收发设备、终端设备都包 含多个唯一定义的二进制数对应，服务器与控制设备读取网络中存在且深度最低的路由终 端设备包含的二进制编码作为父路由唯一标识，例如，房间代号为f的房间中布置有d个终 端设备，该房间内终端设备编码K_s(d)，其编码公式为

，其中，s为收发设备的数量，Zf表示代码为Z的房 间中对应f收发设备的有效地址编码，

为终端设备父节点对应的二进制编码。

实施例三

本实施例详述一种优选的根据信道冲突集和链路质量在通信序列中增加终端设备的序列号的方法。终端设备对应的信道冲突为信道冲突集R的子集，将与该终端设备信道干扰的终端设备序列号纳入与该终端设备的信道冲突集中。在本实施例中，对于信道冲突的通信链路，即其终端设备的序列号更优先的插入到通信序列，避免链路中信道冲突而导致终端设备缺乏信道资源。

参照图3所示的通信序列一和通信序列二，若通信序列一的第二个终端设备未成功发送数据，在确定下周期的通信序列前，首先插入终端设备的序列号001。排除与终端设备001产生信道干扰的终端设备101所在的位置，再从剩余位置中选择信道质量最佳的位置。该终端设备001插入完成后，再排列原周期中的终端设备的序列号。由于终端设备001需要发送两次数据，排列终端设备时，终端设备001仍应参与通信序列的生成。下一周期的通信序列一与通信序列二如图4所示，终端设备001两次数据发送均避开终端设备101。需要说明的是，上一周期已经完成全部数据发送的终端设备，下一周期仅发送一次数据，不重复参与下一通信序列的生成。

对链路质量的预测可以采用现有技术的基于上行链路中Qos服务质量的预测方 法，也可以采用本实施例的效益函数。效益函数

。e为静 态组网L集中通信链路的总数量，

为当前拓扑模型链路的权值，E为网络带宽容量，

为可 调参数，g_e为链路k中信干噪比，通信链路质量为优化目标效益函数的倒数，即

。

实施例四

本发明通过动态的调整终端设备的工作时间，实现无线网络的低功耗运营。本实施例进一步的提供了终端设备优选的通信周期。通信周期由一个监测期、侦听期以及至少一个的报文期、休眠期组成。监测期为通信周期的起始段，至少一个的休眠期为通信周期的结束段。终端设备在监测期、侦听期以及报文期保持高电平状态，在休眠期保持低电平状态。通信周期越长，设备功耗越低。但是过长的周期影响监测数据的实时性和准确性。本实施例为保证通信周期满足所有终端设备二次报文的要求，提供了一种设置通信周期的方法。确定客房中每一收发设备对应的静态链路中终端设备数量，服务器以终端设备数量最大的静态链路为基准设置通信周期T。T=max(A_k)×2t₀，A_k为收发设备k对应的静态链路的终端设备数量，max(A_k)为收发设备k对应静态链路的终端设备数量取最大值的因变量，t₀为时间片的长度。

部分终端设备在上一通信周期完成了数据报文，收发设备在本通信周期向终端设备提供一个时间片，终端设备在该通信周期具有一个报文期，报文期的时长等于时间片的时长与前导码时隙之和，参照图5。部分终端设备在上一通信周期未完成了数据报文，收发设备在本通信周期向终端设备提供二个时间片。终端设备在报文期保持高电平状态，为了降低功耗，报文期的长度与时间片对应。在在前导码时隙与时间片之外，终端设备保持低电平（即休眠期）。终端设备在该通信周期具有二个报文期，每一报文期的时长等于时间片的时长与前导码时隙之和，参照图6。

在包含多个时间片的终端设备中，前导码时隙的多次数据握手会增加额外的功率 消耗，本实施例优选的根据时间片间隙调整报文期，以降低前导码时隙的功耗。若终端设备 具有两个指定的时间片且时间片的间隔小于阈值t_△，合并两个指定的时间片作为报文期， 参照图7。t_△可以采用预设值（例如3.5秒），也可以根据实际工况测量，

。t_剩余 为第一个时间片至通信周期结束的时间，P_r为终端设备的接收功率，P_x为终端设备的休眠功 率。

进一步的，终端设备监测数据发送失败与信号功率有关，为了优化报文期的长度， 可以根据终端设备数据发送失败的次数调整阈值t_△，

。u为终端设备 在控制设备上一业务周期监测数据发送失败的次数。v为所有终端设备在控制设备上一业 务周期监测数据发送失败的平均次数。控制周期是指酒店的一个业务周期，通常为一天。概 率函数f(u)、f(v)满足期望值为v的泊松分布，

，

。

实施例五

本实施例公开一种优选的轮询帧的收发方法。如图8所示，收发设备为每个终端设备发送轮询帧，轮询帧中包含时间片的数量q以及辅助参数常量C，轮询帧的数据包形式为包含多个时间片的RSVP窗口，收发设备为每个终端设备发送轮询帧，如果终端设备获取到任意ACK，则按照时间片数量进入通信序列，反之，则进入睡眠状态。优选的，如果收发设备发送轮询帧之后在等待时间内未收到终端设备的反馈数据，此时收发设备不会持续等待，而是将本通信周期的操作执行完毕。发送失败的终端设备会进入下一通信周期获得优先的队列资格。在图9中，终端设备4在下一通信周期执行两次数据发送操作。

本实施例通过轮询帧中包含的时间片数量q与辅助参数常量C计算时间片的序列。通信序列编码得到有效地址ID映射到集合[1,q]中获取中间数值，中间数值在轮询帧中包含的辅助参数常量C构成的集合[1,C]中所产生的映射得到时间片的序列。

进一步的，终端设备读取轮询帧中时间片序列速度越快，网络通信质量能够得到显著提高，时间片数量q的取值具有趋小性。并且应该避免与更小的时间片序列产生冲突，在时间片数量q确定的情况下，尽可能让生成的辅助参数常量C取极小值。在本实施例中，连续ACK按照轮询帧要求执行通信过程，一般情况下，终端设备先后的ACK通信时间间隔设置为5-6ms，时间片大小满足0.2ms-0.6ms，本实施例中，规定时间片数量的最小值q_min=4。

收发设备发送的反馈帧中，包含1个起始位、若干个数据位、1个停止位，其中起始位标识符包含终端设备的有效地址，数据位中包括通信链路质量W的信息分组，停止位为数据读取终止符，终端设备获取通信链路质量W之后，根据通信链路质量W的质量，调节该终端设备后续通信的链路目标。进一步的，终端设备会将信道冲突集R与各个终端设备通信链路质量W打包发送到服务器，服务器接收到数据包后，更新信道冲突集R与静态组网集L，读取终端设备的监测数据。

实施例六

如图10所示，本发明的基于业务的可变监测网络，采用所述基于业务的可变监测网络的运营方法。该可变监测网络包括多个终端设备、多个收发设备、服务器、控制设备。终端设备例如是有毒气体传感器、烟雾传感器、室内湿度传感器等。收发设备例如是信号接收器。服务器例如是统计全部监测数据的远程数据库，控制设备例如是直接开闭终端设备的计算机。终端设备获取环境的监测数据，收发设备通过发送轮询帧的方式确定与任意终端设备的通信时间片，终端设备按照轮询帧的要求依次与收发设备传输监测数据。收发设备接收监测数据并确定终端设备的通信链路质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在多个客房布置多个收发设备和m个终端设备，至少一个终端设备经收发设备 连接至服务器，服务器对客房内的收发设备进行编码，客房f的收发设备的地址码为Zf，

，其中，Y_t为该收发设备所连接的终端设备数量，

为

的取整运 算，r为小于或等于

的整数，

；

步骤2：服务器中包含有静态组网集L，静态组网集L中存储收发设备与终端设备组成的静态链路，服务器根据终端设备的位置生成信道冲突集R，该信道冲突集存储与任意终端设备信道冲突的终端设备；

步骤3：控制设备根据客房的使用状态开启n个终端设备，服务器根据与收发设备处于同一静态组网链路的终端设备生成通信序列，n≤m；

步骤4：一个通信周期开始后，终端设备在监测期获取房间的监测数据；

步骤5：收发设备基于通信序列发送的轮询帧，终端设备在侦听期接收该轮询帧，轮询帧指定任意终端设备i信号的时间片p_i，i=1,2...n，n为正整数；

步骤6：终端设备在报文期根据指定的时间片发送监测数据，收发设备确定任意时间片下通信链路质量W；

步骤7：一个通信周期结束后，收发设备将监测数据发送至服务器，若服务器缺少至少一个终端设备的监测数据，进入步骤8，否则进入步骤9；

步骤8：服务器根据信道冲突集和链路质量在下一通信序列中增加该终端设备的序列号，进入步骤9；

步骤9：控制设备开启或关闭至少一个终端设备，服务器增加或减少通信序列中该终端设备的序列号，返回至步骤4。

2.根据权利要求1所述的基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，通信周期由一个监测期、侦听期以及至少一个的报文期、休眠期组成，监测期为通信周期的起始段，至少一个的休眠期为通信周期的结束段，终端设备在监测期、侦听期以及报文期保持高电平状态，在休眠期保持低电平状态。

3.根据权利要求2所述的基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，在步骤6中，若终端设备具有两个指定的时间片且时间片的间隔小于阈值t_△，合并两个指定的时间片作为报文期。

4.根据权利要求1所述的基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，一个收发设备对应一个静态组网集L，将任意终端设备的序列号纳入与该终端设备距离最小的收发设备对应的静态组网集中。

5.根据权利要求4所述的基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，一个终端设备i对应一个信道冲突集R，将与该终端设备i存在信道干扰的终端设备的序列号纳入该终端设备的信道冲突集中。

6.根据权利要求1所述的基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，通信序列为二进制编码字符串，通信序列包含了多个终端设备顺序关系。

7.根据权利要求1所述的基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，反馈帧包含1个起始位、若干个数据位、1个停止位，起始位标识符包含终端设备的有效地址，数据位中包括通信链路质量W的信息分组，停止位为数据读取终止符。

8.根据权利要求1所述的基于业务的可变监测网络的运营方法，其特征在于，在根据信道冲突集排除通信序列的至少一个位置后，服务器选择在通信序列中选择通信链路质量W最高的位置插入该终端设备的序列号。

9.一种采用权利要求1所述的基于业务的可变监测网络的运营方法的可变监测网络，其特征在于，包括：m个终端设备、多个收发设备、服务器、控制设备，其中，控制设备根据客房的使用状态开启n个终端设备；

服务器根据与收发设备处于同一静态组网链路的终端设备生成通信序列，n≤m；

收发设备基于通信序列发送的轮询帧，轮询帧指定任意终端设备i信号的时间片p_i，i=1,2...n，n为正整数；

终端设备在报文期根据指定的时间片发送监测数据，其中，收发设备将监测数据发送至服务器，若服务器缺少至少一个终端设备的监测数据，服务器在下一通信序列中增加该终端设备的序列号。

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