CN115551061A - 一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法。该无线传感器组网方法基于一个无线网关和多个无线传感器组成的无线传感器通信网络，包括无线网关把预设周期划分为N个等长的时间片，设定失联时间，接收无线传感器注册消息，为无线传感器分配一个或多个连续的时间片作为时间窗口，在时间窗口内与无线传感器进行数据通信；无线传感器定时唤醒，发送注册信息，同步系统时钟，获取时间窗口，在时间窗口内与无线网关进行数据通信，通信完成后休眠；无线网关注销失联的无线传感器，开放对应的时间窗口；失联的无线传感器再次注册后获取新的时间窗口。本方法能够提高无线传感器通信网络的灵活性，降低无线传感器的功耗。

Description

一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术领域，尤其涉及一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法。

背景技术

无线通信技术在工业控制和状态监测领域中得到了广泛的应用。实际应用场景中，无线传感器多使用电池供电，为了实现无线传感器的低功耗，无线传感器需要实现待机和唤醒功能。现有方案中，第一种如中国专利号CN108462988A一种低功耗的无线射频网络组网方法，在从机接入无线网络前，从机需要持续监听主机的广播信息，等待授权后才可进入休眠状态；第二种如某无线传感器通信系统中，传感器的无线通信模块时刻保持待机，等待主机发送唤醒消息，然后通过无线通信模块唤醒传感器。

上述方式的不足之处是：第一种无线组网方法的灵活性差，主机需要事先获知无线传感器的设备信息，不能灵活的增加和移除无线传感器，且无线传感器入网前需要持续工作；第二种无线传感器通信方法的功耗较大，无线传感器中的无线通信模块需要保持待机模式，接收到主机消息后唤醒无线传感器，保持待机的无线通信模块使无线传感器整体功耗无法进一步降低。

发明内容

针对现有技术中低功耗无线传感器组网灵活性差、功耗大的缺陷，本发明提供了一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，同时实现了无线传感器的灵活组网以及超低功耗。

本发明针对以上技术的实现方案如下：一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，所述方法基于一个无线网关和多个无线传感器组成的无线传感器通信网络实现，步骤如下：无线网关将预设的周期划分为等长的N个时间片，无线网关接收到无线传感器的注册消息后，将一个或者多个连续的时间片视作一个时间窗口分配给无线传感器，并为传感器设置失联时间；无线网关实现无线传感器的注册，与无线传感器进行时钟同步，为无线传感器分配时间窗口；无线网关与无线传感器在时间窗口内进行数据传输；无线网关维护无线传感器注册信息，注销失联的无线传感器；无线传感器向无线网关请求注册，同步系统时钟，获取时间窗口，并在时间窗口内自动唤醒，与无线网关进行数据传输，完成数据传输后进入休眠；

通过上述步骤实现了无线传感器注册、注销、数据通信和休眠的组网过程。

所述无线网关将时间窗口分配给无线传感器的方法为：无线网关维护系统时钟，并以系统时钟为基准，将预设的周期划分为N个等长的时间片；无线网关在接收到未注册无线传感器的注册消息后，将一个或者多个连续的空闲时间片视作时间窗口，分配给无线传感器，时间窗口内时间片的数量根据无线传感器节点需要传输的数据量的不同决定；已注册的无线传感器在时间窗口内与无线网关进行数据通信；无线网关设定传感器的超时失联时间，无线网关超过失联时间未收到传感器数据时，判定无线传感器为失联状态，无线网关注销失联的无线传感器，释放对应的时间窗口和时间片。

所述无线网关实现无线传感器的注册方法为：无线网关监听无线网络中的无线传感器注册信息；无线传感器发送传感器节点注册信息到无线网关，注册信息中包括无线传感器设备ID、传输数据量以及需要的时间窗口大小；无线网关接收到无线传感器节点的注册信息后，为无线传感器节点分配时间窗口，标记对应的时间片为已分配状态，无线网关记录对应的无线传感器ID、分配的时间窗口和时间片信息；无线网关向无线传感器回复注册结果，其中包括时钟校准信息以及分配给无线传感器的时间窗口信息；若无线传感器接收到无线网关的注册结果，表示注册成功，无线传感器校准传感器时钟，并设置传感器的时间窗口信息；若无线传感器未接收到无线网关的注册结果，表示注册失败，无线传感器进入休眠状态，在间隔一定时间后再次注册。

所述无线网关与无线传感器在时间窗口内进行数据传输的方法为：无线传感器在无线网关分配的时间窗口到来时唤醒，并向无线网关发送注册信息，无线传感器在收到无线网关的注册结果后，根据注册结果校准时钟并保存无线传感器对应的时间窗口信息；无线传感器在无线网关分配的时间窗口内与无线网关进行数据传输；无线传感器在无线网关分配的时间窗口之外，或数据传输结束后结束数据传输过程。

所述无线网关维护无线传感器注册信息的方法为：无线网关收到无线传感器的注册信息后，核对无线传感器ID、时间窗口和时间片信息，刷新无线传感器的注册时间；无线网关在每个预设周期内查询已经注册传感器的注册时间，并同当前时间进行比对，超过失联时间后，注销对应无线传感器注册信息，释放该传感器ID以及对应的时间窗口和时间片，把对应的时间片标记为空闲状态。

所述的无线传感器在无线网关分配的时间窗口之外或传输数据完成后，无线传感器关闭无线通信功能，进入休眠状态，降低功耗。

与现有的低功耗无线传感器组网方法相比，本发明的有益效果是：采用时间窗口机制，实现了无线传感器的注册、接入、数据传输以及注销，可以灵活的增加和删除无线传感器；无线传感器可以进入深度休眠状态，无需无线通信模块持续侦听或使用无线通信模块唤醒无线传感器，实现了更低的功耗。

使用本方法能够提高无线传感器通信网络的灵活性和稳定性，降低无线传感器的功耗。

附图说明

图1是本发明实施例的无线网关工作流程图；

图2是本发明实施例的无线传感器的工作流程图；

图3是本发明实施例的无线网关维护无线传感器注册信息的工作流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明的具体实施方案进行进一步的详细说明。

实施例1，某减速机状态监测系统无线传感器组网实施方案。

如图1所示，无线网关的工作流程：

步骤S101，无线网关启动后对系统时钟进行初始化，将预设的周期T划分为等长的N个时间片，并设置传感器的失联时间t，具体的：将预设周期T划分为N个时间片，在本实施例中，根据系统需要，将预设周期T设置为60分钟，时间片总数N为180，每个时间片的时长为20秒，失联时间为t=5T，即300分钟，本实施例中周期T、时间片总数N以及失联时间t可以根据无线传感器数量和实际需要进行选择。

步骤S102，无线网关监听无线网络中无线传感器的注册消息，若无线网关收到注册消息，则根据注册消息中的无线传感器设备ID查看对应的无线传感器是否未分配时间窗口，若无线网关未收到注册消息，则继续监听无线网络中无线传感器的注册消息，若无线网关收到注册消息，继续执行下一步。

步骤S103，无线网关比对注册消息中的无线传感器设备ID，若注册消息来自未分配时间窗口的无线传感器，则根据设备ID注册无线传感器，分配时间窗口；若注册消息来自已分配时间窗口的无线传感器，则校准系统时钟并发送时间窗口信息。

步骤S104，注册无线传感器，分配时间窗口，无线网关根据无线传感器的实际需求，为传感器分配一个空余的时间窗口，本实施例中无线传感器需要约50秒的数据传输时间，无线网关分配3个连续的空闲时间片作为时间窗口，总计60秒时间，无线网关标记对应的3个时间片为已分配状态，记录无线传感器ID和分配的时间窗口及时间片的对应关系。

步骤S105，校准系统时钟，发送时间窗口信息，无线网关向无线传感器发送系统时钟信息及时间窗口信息，无线传感器根据系统时钟信息进行时间校准。

步骤S106，判断当前是否在传感器的时间窗口内，对于处于时间窗口期内的无线传感器设备，可以进行数据传输，若不在时间窗口期内或数据传输结束后，无线网关继续监听无线网络中的无线传感器注册信息。

如图2所示，无线传感器的工作流程：步骤201，无线传感器在定时唤醒后，发送注册消息到无线网关，请求注册，注册消息中包含传感器设备ID以及传感器设备需要的数据传输时间，本实施例中，无线传感器需要约50秒的数据传输时间。

步骤202，传感器等待无线网关的注册回复消息，若收到注册回复消息，无线传感器校准传感器时钟并设置时间窗口信息；若未收到注册回复消息，注册失败，无线传感器随机设置唤醒时间，并进入休眠状态，等待下次唤醒后再次注册。

步骤203，无线传感器根据时间窗口判断是否进行数据传输，若此时处于时间窗口内，无线传感器和无线网关进行数据传输，若此时处于时间窗口之外，无线传感器根据时间窗口设置唤醒时间，并进入休眠状态。

步骤204，无线传感器和无线网关之间完成数据传输后，结束传输过程，根据时间窗口和周期T=60分钟设置唤醒时间，并进入休眠状态。进入休眠的无线传感器关闭无线通信功能，降低传感器功耗。

如图3所示，无线网关维护无线传感器注册信息的流程：

步骤301，无线网关在每个预设周期内，查询所有已接入无线传感器的注册时间。

步骤302，比对当前时间和注册时间的时间差，若超过失联时间t=300分钟，则判定无线传感器失联，注销失联的无线传感器，若未超过失联时间t=300分钟，无线传感器未失联，继续执行步骤301，查询所有已接入无线传感器的注册时间。

步骤303，无线网关注销失联的无线传感器，注销对应无线传感器注册信息，释放失联的无线传感器设备ID所对应的时间窗口，并把对应时间片标记为空闲状态，空闲的时间片可以被其它无线传感器再次注册使用，提高了无线网络组网的灵活性。

该实施例中，减速机状态检测系统通过无线传感器采集减速机的振动、电流、温度以及转速等各种参数，通过这些参数可以判断减速机是否存在故障隐患，帮助设备维护人员定位故障点，排除隐患，减少损失。本实施例通过该无线传感器组网方法实现了无线传感器的灵活组网，以及无线传感器的休眠状态下无线通信模块的关闭，降低了无线传感器超过90%的待机功耗，提高了无线传感器电池的使用寿命，减少了无线传感器电池的更换次数。

以上是结合本发明的一种具体实施例，不能以此来限定本发明的权利范围。对于本发明所涉技术领域的技术人员，依据上述实施例的全部或者部分流程，以及本发明的权利要求做出的等同变化，都应视作本发明的权利保护范围。

Claims (6)

1.一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，所述方法基于一个无线网关和多个无线传感器组成的无线传感器通信网络实现，其特征在于，步骤如下：无线网关将预设的周期划分为等长的N个时间片，无线网关接收到无线传感器的注册消息后，将一个或者多个连续的时间片视作一个时间窗口分配给无线传感器，并为传感器设置失联时间；无线网关实现无线传感器的注册，与无线传感器进行时钟同步，为无线传感器分配时间窗口；无线网关与无线传感器在时间窗口内进行数据传输；无线网关维护无线传感器注册信息，注销失联的无线传感器；无线传感器向无线网关请求注册，同步系统时钟，获取时间窗口，并在时间窗口内自动唤醒，与无线网关进行数据传输，完成数据传输后进入休眠；

通过上述步骤实现了无线传感器注册、注销、数据通信和休眠的组网过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，其特征在于：所述无线网关将时间窗口分配给无线传感器的方法为：

无线网关维护系统时钟，并以系统时钟为基准，将预设的周期划分为N个等长的时间片；无线网关在接收到未注册无线传感器的注册消息后，将一个或者多个连续的空闲时间片视作时间窗口，分配给无线传感器，时间窗口内时间片的数量根据无线传感器节点需要传输的数据量的不同决定；已注册的无线传感器在时间窗口内与无线网关进行数据通信；无线网关设定传感器的超时失联时间，无线网关超过失联时间未收到传感器数据时，判定无线传感器为失联状态，无线网关注销失联的无线传感器，释放对应的时间窗口和时间片。

3.根据权利要求1所述的一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，其特征在于：所述无线网关实现无线传感器的注册方法为：无线网关监听无线网络中的无线传感器注册信息；无线传感器发送传感器节点注册信息到无线网关，注册信息中包括无线传感器设备ID、传输数据量以及需要的时间窗口大小；无线网关接收到无线传感器节点的注册信息后，为无线传感器节点分配时间窗口，标记对应的时间片为已分配状态，无线网关记录对应的无线传感器ID、分配的时间窗口和时间片信息；无线网关向无线传感器回复注册结果，其中包括时钟校准信息以及分配给无线传感器的时间窗口信息；若无线传感器接收到无线网关的注册结果，表示注册成功，无线传感器校准传感器时钟，并设置传感器的时间窗口信息；若无线传感器未接收到无线网关的注册结果，表示注册失败，无线传感器进入休眠状态，在间隔一定时间后再次注册。

4.根据权利要求1所述一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，其特征在于，所述一种无线网关与无线传感器在时间窗口内进行数据传输的方法为：无线传感器在无线网关分配的时间窗口到来时唤醒，并向无线网关发送注册信息，无线传感器在收到无线网关的注册结果后，根据注册结果校准时钟并保存无线传感器对应的时间窗口信息；无线传感器在无线网关分配的时间窗口内与无线网关进行数据传输；无线传感器在无线网关分配的时间窗口之外，或数据传输结束后结束数据传输过程。

5.根据权利要求1所述一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，其特征在于，所述无线网关维护无线传感器注册信息的方法为：无线网关收到无线传感器的注册信息后，核对无线传感器ID、时间窗口和时间片信息，刷新无线传感器的注册时间；无线网关在每个预设周期内查询已经注册传感器的注册时间，并同当前时间进行比对，超过失联时间后，注销对应无线传感器注册信息，释放该传感器ID以及对应的时间窗口和时间片，把对应的时间片标记为空闲状态。

6.根据权利要求4所述一种基于时间窗口的低功耗无线传感器组网方法，其特征在于：所述的无线传感器在无线网关分配的时间窗口之外或传输数据完成后，无线传感器关闭无线通信功能，进入休眠状态，降低功耗。

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