TWI383301B - 網路同步方法與系統 - Google Patents

Description

網路同步方法與系統

本發明是有關於一種網路的應用，且特別是有關於一種使網路中的所有節點能同時工作與休眠的同步方法與系統。

隨著無線網路技術的蓬勃發展，許多既有的網路架構也紛紛開始以無線傳輸的方式來傳遞資訊。其中，無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)便具備感測(sensor)節點以取得感測資料，並由路由(Router)節點透過無線傳輸的方式將上述資料回傳至協調(coordinator)節點，從而讓與協調節點相連的電腦系統能取得已彙整的資料並加以應用。由於無線感測網路具備佈建方便以及維護成本低廉等諸項優點，其市場應用的普及程度也越來越高。除此之外，大部分的感測節點都具備了休眠能力以減少電力的消耗，因此較長的使用壽命也是無線感測網路漸漸受到重視的主要因素之一。

然而在無線感測網路的架構之中，唯有感測節點可以簡單地達成休眠省電的目標。這是因為路由節點肩負了傳遞資料封包的任務，因此通常必須設置永久電源來維持無線網路傳輸的順暢。但在將無線感測網路應用於戶外環境時，永久電源的取得及佈線並不十分容易，經常也得面臨在完成電源佈線不久後，就因為工程結束而必須拆除線路的困擾。正因如此，以電池供電來支援整個無線感測網路也逐漸成為趨勢。然而，在利用電池取代永久電源以供給電力的情況下，如何確保資料傳遞順暢並利用休眠機制來節省電池的耗電量便是相當重要的課題。

目前來說，讓網路中的節點同時工作與休眠以節省電力的方法係透過射頻(Radio Frequency，RF)硬體的增加來做為接收同步資訊或是喚醒節點的工具。但這樣的方式除了會增加硬體成本之外，射頻的訊號範圍及其耗電量也必須納入考量。另外，若要讓網路中的節點不必在相同的時間工作或休眠，則必須仰賴完備的底層支援。進一步來說，網路的底層，好比像實體層(physical layer)或媒體存取控制層(media access control layer)等，必須具備時分多重存取(Time Division Multiple Access，TDMA)這項分時排程技術才能支援資料封包在上層的傳送與接收。然而，要制定底層的標準通常需要花費相當長的時間，且所有網路底層的軟體也必須配合標準來開發，這將使得網路的整體架構喪失彈性，而無法廣泛地應用在各種需求之中。

本發明提供一種網路同步方法，不需要額外添加任何硬體，便能以控制節點同時工作與休眠的方式來達到節約網路總耗電量的目的。

本發明提供一種網路同步系統，根據節點的狀態以不同的方式嘗試加入網路，並使得節點與網路的運作時序同步。

為達到上述及其他目的，本發明提出一種網路同步方法，使得節點與網路的運作時序同步。其中，此網路的最上游包括用以定義同步資訊的協調節點。此方法在節點嘗試加入網路時，每隔一段時間間隔便從已加入網路的其他節點之中搜尋父節點。其中，時間間隔係對應於節點的狀態。若能搜尋到父節點，則接收父節點所傳送的同步資訊進而使節點內部的計時器與父節點同步，並且進入工作模式。而在接收到由父節點所傳送的休眠指令，或在透過計時器根據同步資訊判斷到達網路結束時間時，則從工作模式轉換為休眠模式。然而，節點在透過計時器跟據同步資訊而判斷到達網路喚醒時間時，將重新執行上述步驟以再次嘗試加入網路。

在本發明之一實施例中，其中在節點的狀態為第一次嘗試加入網路時，嘗試加入網路的步驟更包括從已加入網路的其他節點之中搜尋父節點。若無法搜尋到父節點，則每相隔第一時間間隔之後再次嘗試搜尋父節點。

在本發明之一實施例中，其中在節點的狀態為曾經加入過網路時，嘗試加入網路的步驟更包括從已加入網路的其他節點之中搜尋父節點。若無法搜尋到父節點，則判斷嘗試加入網路的時間是否小於預設時間。若小於預設時間，則每相隔第二時間間隔便再次嘗試搜尋父節點。其中，第二時間間隔小於第一時間間隔。

在本發明之一實施例中，其中在判斷節點嘗試加入網路的時間是否小於預設時間的步驟之後，更包括在時間大於或等於預設時間時，判斷節點連續無法搜尋到父節點的次數是否已大於第一預設次數。若大於第一預設次數，則每相隔第一時間間隔便去搜尋父節點。然而，若小於或等於第一預設次數，則進入休眠模式直到計時器判斷到達網路喚醒時間時，才再次地依照第二時間間隔來嘗試搜尋父節點。

在本發明之一實施例中，其中預設時間為網路工作週期的倍數。其中，網路工作週期是指已加入網路的所有節點處於工作模式之時間的最大值，且網路工作週期大於第一時間間隔。

在本發明之一實施例中，更包括由協調節點取得預設的網路工作週期與同步週期。其中，網路工作週期小於同步週期。且協調節點根據其現在時間、網路工作週期與同步週期，定義下一次的網路結束時間以及網路喚醒時間。

在本發明之一實施例中，同步資訊包括現在時間、網路結束時間以及網路喚醒時間。而父節點在將同步資訊傳送至節點時，更包括以傳送同步資訊的時間作為現在時間。

在本發明之一實施例中，其中節點與父節點同步的步驟更包括根據同步資訊中的現在時間更新計時器。

在本發明之一實施例中，節點在進入工作模式時更包括取得資料並將資料傳送至父節點。其中，在節點為感測(sensor)節點時，係經由其感測器取得資料。而在節點為路由(router)節點時，則是接收由子節點所傳送而來的資料。所謂的子節點是指在加入網路時選擇以其作為父節點的節點。

在本發明之一實施例中，當網路中的節點接收到由父節點所傳送的休眠指令時，將休眠指令傳送至子節點。

在本發明之一實施例中，在協調節點判斷已收集到網路的所有資料時，便將休眠指令傳送至以此協調節點作為父節點的所有節點。

在本發明之一實施例中，更包括在協調節點判斷連續無法獲得某一節點所取得之資料的次數到達第二預設次數時，便將休眠指令傳送至以協調節點作為父節點的所有節點。

在本發明之一實施例中，網路包括無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)。

從另一觀點來看，本發明提出一種網路同步系統，包括加入網路模組、時間同步模組，以及工作休眠同步模組。其中，加入網路模組適於在節點嘗試加入網路時，每隔一段時間間隔從已加入網路的其他節點之中搜尋其父節點，而時間間隔係對應於節點的狀態。時間同步模組適於在節點搜尋到父節點時，接收父節點所傳送的同步資訊以使節點內部的計時器與父節點同步。工作休眠同步模組適於在節點搜尋到父節點後，使節點進入工作模式；以及在接收到由父節點所傳送的休眠指令，或在根據同步資訊判斷到達網路結束時間時，使節點由工作模式轉換為休眠模式。其中，工作休眠同步模組在跟據同步資訊判斷到達網路喚醒時間時，控制加入網路模組重新嘗試加入網路。

在本發明之一實施例中，其中加入網路模組在節點的狀態為第一次嘗試加入網路時，從已加入網路的其他節點之中搜尋父節點，以及在無法搜尋到父節點時，每相隔第一時間間隔以再次嘗試搜尋父節點。

在本發明之一實施例中，其中加入網路模組在節點的狀態為曾經加入過網路時，從已加入網路的其他節點之中搜尋父節點。並在無法搜尋到父節點時，判斷節點嘗試加入網路的時間是否小於預設時間。若小於預設時間，則每相隔第二時間間隔以再次嘗試搜尋父節點。其中，第二時間間隔小於第一時間間隔。

在本發明之一實施例中，其中加入網路模組在節點嘗試加入網路的時間大於或等於預設時間時，判斷節點連續無法搜尋到父節點的次數是否大於第一預設次數。若大於第一預設次數，則每相隔第一時間間隔以再次嘗試搜尋父節點。若小於或等於第一預設次數，工作休眠同步模組令節點進入休眠模式直到到達網路喚醒時間時，控制加入網路模組每隔第二時間間隔再次嘗試搜尋父節點。

在本發明之一實施例中，其中預設時間為網路工作週期的倍數。其中，網路工作週期是指已加入網路的所有節點處於工作模式之時間的最大值，且網路工作週期大於第一時間間隔。

在本發明之一實施例中，其中時間同步模組在屬於協調節點時，取得預設的網路工作週期與同步週期，此網路工作週期小於同步週期，以及根據協調節點的現在時間、網路工作週期與同步週期，定義下一次的網路結束時間以及網路喚醒時間。

在本發明之一實施例中，同步資訊包括現在時間、網路結束時間以及網路喚醒時間。而工作休眠同步模組在傳送同步資訊時，以傳送同步資訊的時間作為現在時間。此外，時間同步模組將根據同步資訊中的現在時間更新計時器。

在本發明之一實施例中，節點在進入工作模式後取得資料並將其傳送至父節點。在節點為感測節點時，係經由感測器取得資料，而在節點為路由節點時，是接收子節點所傳送的資料。其中，子節點在加入網路時係選擇此節點以作為其父節點。

在本發明之一實施例中，其中工作休眠同步模組在接收到由父節點所傳送的休眠指令時，傳送休眠指令至子節點。

在本發明之一實施例中，其中工作休眠同步模組在屬於協調節點時，在判斷已收集到網路的所有資料時，傳送休眠指令至以協調節點作為父節點的所有節點。

在本發明之一實施例中，其中工作休眠同步模組在判斷無法獲得節點所取得之資料的連續次數到達第二預設次數時，傳送休眠指令至以協調節點作為父節點的所有節點。

在本發明之一實施例中，網路包括無線感測網路。

基於上述，本發明在節點嘗試加入網路時，使節點依循特定的時間間隔來搜尋父節點，並透過同步資訊的傳送使節點與父節點同步，進而讓節點知道下一次該進入休眠模式以及再次進入工作模式的時間。如此一來，所有加入網路的節點都能依照上述方式來同步工作與休眠，據此減少網路的總耗電量。在以電池供給電力的網路架構下，達到延長電池使用壽命的目的。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明之一實施例所繪示之網路同步方法的流程圖。本實施例將說明在一個例如以電池供電的網路架構下，使希望加入網路的所有節點均能與網路之運作時序同步的詳細步驟。其中，網路可以是無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)，而在網路的最上游具有一個協調(coordinator)節點，可經由乙太網路(Ethernet)或RS232介面與電腦系統連線，進而將彙整完畢的網路資料傳送至電腦系統。在這樣的網路架構中，協調節點例如是連接至永久電源，而網路中的其他節點則是倚靠電池來供應電力。

請參閱圖1，本實施例所述之網路同步方法是以協調節點的時間作為整個網路的時間基準，因此如步驟110所示，需先由協調節點定義一個讓節點遵循的同步資訊。進一步來說，協調節點首先取得預設的網路工作週期與同步週期，並根據協調節點的現在時間、網路工作週期以及同步週期，定義下一次的網路結束時間以及網路喚醒時間。其中，網路工作週期是指網路最長可以存活的時間。而同步週期(大於網路工作週期)指的則是每相隔多久就必須收集一次網路資料。換句話說，已加入網路的節點在處於網路工作週期時，將能進行資料的收集或傳送動作。然而在網路工作週期結束之後，節點則會主動進入休眠模式直到這次的同步週期結束為止。在本實施例中，協調節點在定義了網路結束時間與網路喚醒時間之後，便會以現在時間、網路結束時間以及網路喚醒時間作為同步資訊，進而讓爾後嘗試加入網路的節點作為依據。必須說明的是，在本實施例中網路工作週期與同步週期均是預先設定好的參數，在必要的時候也可以根據不同的網路需求或是經驗累積的結果來加以更動，在此並不限制其數值的範圍。

接著在步驟120中，對每個希望加入網路的節點來說，在嘗試加入網路時，每隔特定的時間間隔便從已加入網路的其他節點之中搜尋適當的父節點(例如回應訊號較強的節點)，進而建立出一個屬於樹狀結構的網路拓撲。其中，時間間隔的長短係與節點本身的狀態有關。好比說，第一次嘗試加入網路的節點會依循較長的時間間隔來搜尋父節點，而曾經加入過網路的節點則會按照較短的時間間隔來進行父節點的搜尋動作。倘若節點能順利地搜尋到父節點，表示可加入網路並會接收到由父節點所傳送而來的同步資訊。據此，節點將使其內部的計時器與父節點同步，並且進入工作模式。在本實施例中，已經加入網路的節點在將同步資訊向網路下游傳送(即傳送給子節點)時，例如會以傳送當時的時間作為同步資訊中的現在時間。因此，嘗試加入網路的節點在搜尋到父節點並且以同步資訊所提供的現在時間來更新計時器之後，節點便可與其父節點同步。

一旦網路中的節點進入工作模式，表示可以開始進行資料的收集與傳送。因此如步驟130所示，網路中的所有節點將資料回傳至協調節點。倘若節點屬於感測(sensor)節點，那麼在進入工作模式後便可利用節點上的感測器來取得資料。而當節點為路由(router)節點時，由於路由節點的主要作用就是資料轉傳，因此會接收到子節點所傳送而來的資料。節點在取得資料之後，便會將資料朝網路上游傳送。舉例來說，假設節點B為節點A的子節點，表示節點B在加入網路時係選擇節點A作為其父節點。那麼當節點B取得資料後，便會將資料回傳至節點A。而節點A也會再次將資料回傳給其父節點。由於節點在加入網路時所建構出來的網路拓撲係屬於樹狀結構，因此網路中的每個節點都可以透過其父節點，階層式的將資料回傳至協調節點。值得一提的是，在網路建構完成後，可依照原有的通訊協定運作。而網路底層也可以透過載波檢測多路存取/碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA)機制來避免碰撞問題的產生。

接著在步驟140中，由協調節點判斷是否已完成資料的收集。倘若協調節點已取得網路中每個節點所回傳的資料，那麼如步驟150所示，協調節點會將休眠指令傳送給網路中以協調節點作為父節點的所有節點。此時，當節點接受到由父節點所傳送而來的休眠指令時，亦會將休眠指令向下傳送給子節點。接著在步驟160中，網路中的各節點階層式地接收到休眠指令進而進入休眠模式。

請回到步驟140，倘若協調節點尚未完成資料的收集，則如步驟170所示，網路中的每個節點會利用本身的計時器以及先前接收到的同步資訊來判斷是否到達網路結束時間。若尚未到達網路結束時間，節點將維持在可收集與傳送資料的工作模式，而網路同步方法的流程將再次回到步驟140，由協調節點判斷是否已經完成資料的收集。然而在節點中的計時器判斷已到達網路結束時間時，則如步驟160所示，節點停止取得或傳送資料，並由工作模式轉換為休眠模式。

當網路中的所有節點進入休眠模式，也就是說目前已不屬於網路工作週期時，整個網路將處於停止工作的休眠狀態。接著如步驟180所示，各節點中的計時器繼續計數時間，並反覆地判斷是否到達網路喚醒時間。在到達網路喚醒時間(亦即展開新的同步週期)時，重複執行圖1的各步驟使得節點依照當時的情況選擇適當的父節點以加入網路，從而建立適當的網路拓撲並使得整個網路再次地進入網路工作週期。

透過圖1的各步驟可以發現，網路中的節點是階層式的進入工作模式，同時也是階層式的由工作模式轉換為休眠模式。更詳細地說，本實施例所述之網路同步方法是由網路最上游的協調節點負責整個網路的時間基準，而每個節點在希望加入網路時，都必須將時間與其父節點同步。接著，透過節點本身的計時器來計數時間，進而在跟據同步資訊判斷到達網路結束時間自動進入休眠模式，以及在計數到網路喚醒時間時重新嘗試加入網路。據此，網路中的所有節點便可以在相同的時間工作，並且在相同的時間休眠。在處於網路工作週期(亦即節點進入工作模式)時完成資料的擷取於傳輸，便不再需要因為某些節點是處於工作模式而有些節點卻在休眠而必須額外處理資料封包的延遲與暫存等問題，網路底層的資料傳輸方式也不需做任何改變，更可以節省網路的總耗電量，延長每個節點的電池生命週期。

只要網路屬於網路工作週期，那麼節點在啟動電源之後便能偵測到父節點進而加入網路。在以下的實施例中，將更進一步地說明節點在各種情況下嘗試加入網路的詳細流程。圖2是依照本發明之一實施例所繪示之節點嘗試加入網路的流程圖。請參閱圖2，首先如步驟210所示，啟動節點的電源已準備嘗試加入網路。在本實施例中，節點的電源例如是由電池來供應之。

接著在步驟215中，判斷節點的狀態是否曾經加入過網路。倘若節點從未加入過這個網路，則如步驟220所示，首先從已加入網路的其他節點之中，搜尋適當的節點作為其父節點。接著在步驟225中，判斷節點是否成功地加入網路，也就是判斷節點能否順利找到其父節點。若是，則結束節點嘗試加入網路的流程。然而，若節點無法搜尋到父節點，則如步驟230所示，由節點內部的計時器計數第一時間間隔，之後再次回到步驟220來搜尋適當的父節點進而嘗試加入網路。換句話說，對於第一次上電的節點來說，在啟動電源後每隔第一時間間隔便會去嘗試加入網路。

接著請回到步驟215，倘若判斷結果顯示這個節點曾經加入過網路，那麼首先如步驟235所示，在已經入網路的其他節點之中，搜尋適當的節點作為其父節點。接著在步驟240中，判斷能否成功地加入網路。若已成功加入網路，則結束節點嘗試加入網路的流程。倘若節點無法搜尋到父節點，則在步驟245中，判斷這個節點嘗試加入網路的時間是否小於預設時間。若小於預設時間，則在步驟250中，由節點的計時器計數第二時間間隔，接著回到步驟235再次地搜尋其父節點進而嘗試加入網路。其中，第二時間間隔比第一時間間隔來的短，而第一時間間隔則小於網路工作週期，且預設時間是網路工作週期的倍數。

接著請回到步驟245，倘若節點嘗試加入網路的時間大於或等於預設時間，那麼如步驟255所示，判斷節點連續無法加入網路的次數是否大於第一預設次數。若連續無法加入網路的次數小於或等於第一預設次數，則如步驟260所示，節點進入休眠模式並結束本次嘗試加入網路的流程。直到節點中的計時器判斷到達網路喚醒時間之後，將再次重新執行圖2所述之嘗試加入網路的流程，並以相隔第二時間間隔的方式來搜尋父節點以嘗試加入網路。然而，倘若節點連續無法加入網路的次數已大於第一預設次數，那麼如步驟230所示，節點將在計時器記數第一時間間隔之後，在步驟220中搜尋父節點以嘗試加入網路。換句話說，在節點嘗試加入網路且連續失敗的次數大於第一預設次數之後，節點將被視為從未加入過網路的狀態，並以相隔第一時間間隔的方式來搜尋父節點以嘗試加入網路。

為了使本發明更為明瞭，以下的實施例會根據圖2的各種狀況來做進一步的說明。圖3A是依照本發明之一實施例所繪示之網路運作時序的情境示意圖。如圖3A所示，從時間點A1到時間點A2的這段時間是網路工作週期T_L ，而時間點A1到時間點A3的這段期間則是同步週期T_S 。其中，網路工作週期T_L 與同步週期T_S 的長短是預設值。在網路處於網路工作週期T_L 的期間，網路中各個節點係處於工作模式，而在網路工作週期T_L 以外的時間，節點則是屬於休眠模式。

圖3B是屬於不同狀態之節點嘗試加入這個網路時的示意圖。請參閱圖3B，假設從未加入過網路的節點在時間點B1啟動電源並嘗試加入網路，這個節點在正式加入網路之前，每隔第一時間間隔T_CB 便會去嘗試加入網路，進而尋找與網路工作週期T_L 重疊的時段。假設曾經加入過網路的節點在時間點B3嘗試加入網路，那麼節點在加入網路之前，每相隔第二時間間隔T_SS 便會去嘗試加入網路。

如圖3B可以很清楚地發現，對新加入網路的節點來說，將以較為寬鬆的間隔去嘗試搜尋父節點以加入網路，但對曾經加入過網路的節點來說，則會較密集的去嘗試搜尋父節點。這樣的方式是因為未曾加入過網路的節點自然不曾接收到任何的同步資訊，因此也不知道網路工作週期T_L 開始的時間點，因此以較寬鬆的間隔嘗試加入網路較能節省電力。然而，曾加入過網路的節點基本上已與網路運作的時序同步，因此節點由休眠模式再次進入工作模式的時間點應該與網路進入網路工作週期T_L 的時間點十分相近。但由於節點中的計時器可能會因為電力或溫度等因素而產生些許誤差，因此以較短的時間間隔來密集地搜尋父節點便是為了讓節點能以較快的速度再次加入網路。

圖3C是依照本發明之另一實施例所繪示之網路運作時序的情境示意圖。在本實施例中，假設圖2之步驟245所述之預設時間為網路工作週期T_L 的兩倍(例如時間點C1到時間點C2之間)。倘若曾經加入過網路的節點從時間點C1開始，每隔第二時間間隔T_SS 便去搜尋父節點以嘗試加入網路，但因為訊號受到遮蔽而無法順利搜尋到父節點，那麼節點將在嘗試加入網路的時間到達預設時間(即時間點C2)時，判斷連續無法搜尋到父節點的次數是否大於第一預設次數。若不超過第一預設次數，則節點進入休眠模式(即時間點C2到時間點C3的期間)。直到計時器判斷到達網路喚醒時間(即時間點C3)時，節點會再次嘗試加入網路。在本實施例中，節點雖然因為訊號不良而無法順利加入網路，但本身的計時器仍會繼續計時，使得節點反覆地在到達網路結束時間時進入休眠模式，以及在到達網路喚醒時間時再次嘗試加入網路。換句話說，節點雖未能順利加入網路，但仍會假設與外界同步而在適當的時間點休眠以節省電力的消耗。

請參閱圖3D，假設一個曾經加入過網路的節點在時間點D1到時間點D2的期間，不斷地以第二時間間隔T_SS 去嘗試加入網路但都無法搜尋到父節點，而節點在時間點D3去嘗試加入網路時，連續無法加入網路的次數已大於第一預設次數，那麼節點接下來則會以第一時間間隔T_CB 的間距去重新嘗試加入網路。如此一來，即便是曾經加入過網路但在運作過程中因為發生問題而無法再次準確地在網路工作週期進入工作模式的節點，也能依據較為寬鬆的時間間隔，以較省電的方式再次嘗試加入網路。

圖4是依照本發明之一實施例所繪示之網路拓撲的示意圖。請參閱圖4，網路400是路由節點N2、路由節點N3、感測節點N1、感測節點N4與感測節點N5加入網路後所建立的樹狀結構網路。在進入工作模式後，感測節點N1、感測節點N4與感測節點N5可透過內部的感測器來取得資料，而路由節點N2與路由節點N3則是負責資料的轉傳動作。在本實施例中，協調節點C可以在每一次的網路工作週期內取得網路400中各節點(即路由節點N2、路由節點N3、感測節點N1、感測節點N4與感測節點N5)是否有將資料回傳的資訊。在網路400中的所有節點都已將資料回傳至協調節點C時，協調節點C便會將休眠指令傳送給其子節點(即感測節點N1與路由節點N2)以使其進入休眠模式。而路由節點N2在休眠之前亦會將休眠指令向下傳送給路由節點N3與感測節點N4這兩個子節點。以此類推，網路400中的所有路由節點在接收休眠指令後，會先將休眠指令向下傳送，接著才進入休眠模式。然而，假設路由節點N3因訊號不良而無法接收到路由節點N2所傳送的休眠指令，那麼路由節點N3也會依據內建之計時器的運作，在到達網路結束時間時自動進入休眠模式。

在一實施例中，假設所有的感測節點在將資料回傳後便隨即進入休眠模式。那麼在協調節點C已收集到所有資料後，只要透過階層式向下傳送休眠指令的方式，網路400中的所有路由節點便不需要等待網路工作週期的結束而能提早進入休眠模式，如此一來可以更進一步的節省電力消耗。

在另一實施例中，若網路400中尚有節點(例如感測節點N4)並未將資料回傳至協調節點C，協調節點C將不會向下傳送休眠指令，而所有的節點會在本身的計時器判斷到達網路結束時間之後才進入休眠模式。然而，倘若協調節點C連續無法獲得感測節點N4所回傳之資料的次數已到達第二預設次數(例如20次)，協調節點C將忽略感測節點N4，並將休眠指令向下傳送給其子節點，進而命令網路400中的其他節點提早進入休眠模式。

圖5是依照本發明之一實施例所繪示之網路同步系統及節點架構的示意圖。請參閱圖5，在網路同步系統500中包括加入網路模組510、時間同步模組520，以及工作休眠同步模組530。透過網路同步系統500的運作，在不需新增任何硬體的情況下，便能利用節點本身的計時器525與硬體元件540，透過原有的網路底層模組550達到同步傳送資料、同步休眠，進而節省電力的目的。

其中，加入網路模組510在節點嘗試加入網路時，會根據節點是否是第一次嘗試加入網路的節點狀態，每隔一段特定的時間間隔從已加入網路的其他節點之中搜尋適當的父節點。由於加入網路模組510是以動態搜尋適當父節點的方式將節點加入至網路，因此所產生的網路拓撲能即時反映網路當時的環境。

時間同步模組520在節點搜尋到父節點時，接收由父節點傳送而來的同步資訊，並使節點內部的計時器525與父節點同步。換句話說，時間同步模組520將根據同步資訊以及計時器525來模擬真實時間的計數動作，並且依據所接收到的同步資訊模擬整體網路的時間軸。

工作休眠同步模組530在節點搜尋到父節點後，使節點進入一工作模式。而在接收到由父節點所傳送的休眠指令，或在根據同步資訊判斷到達網路結束時間時，使節點由工作模式轉換為休眠模式。其中，工作休眠同步模組530在跟據同步資訊判斷到達網路喚醒時間時，將控制加入網路模組510重新嘗試將節點加入至網路。

必需說明的是，工作休眠同步模組530在節點處於工作模式後，也會負責將同步資訊傳送給其子節點，以及將取得的資料傳送給其父節點。而在接收到由父節點所傳送的休眠指令時，會將休眠指令向下傳送給其子節點。由於加入網路模組510、時間同步模組520，以及工作休眠同步模組530的詳細運作流程與先前實施例所述相同或相似，故在此不再贅述。

在另一實施例中，建置在協調節點內的時間同步模組將取得預設的網路工作週期與同步週期，並根據協調節點的現在時間、網路工作週期與同步週期，定義出下一次的網路結束時間以及網路喚醒時間。而建置在協調節點內的工作休眠同步模組則會在判斷已收集到網路的所有資料時，將休眠指令傳送至以協調節點作為父節點的所有節點，以及在判斷無法獲得某個節點所取得之資料的連續次數到達第二預設次數時，直接將休眠指令傳送至以協調節點作為父節點的所有節點。也就是說，協調節點透過內部各模組的運作，可定義出網路的同步資訊以供希望加入網路的所有節點作為時間同步上的參考，並在適當時機透過傳送休眠指令的方式令網路中的節點進入休眠模式。

綜上所述，本發明所述之網路同步方法與系統是由協調節點規劃網路休眠及工作的時間週期，並且在每個節點嘗試加入網路時，透過同步資訊的傳送使節點與其父節點同步，從而得知下次進入休眠及工作模式時間。此網路同步方法與系統並不需要任何額外的硬體支援，而只要利用節點本身的計時器計數時間，便能使得網路中所有節點同時工作與休眠，進而達到延長電池使用壽命的目的。除此之外，在實作此方法與系統時僅需在網路的應用層(Application Support Layer)開發，便能取得計時器所提供的時間資訊。本發明不需變更網路底層的軟體，也不需要底層軟體的特殊支援，因而具備了極高的可移植性，能快速地套用在其他的平台上。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110～180．．．本發明之一實施例所述之網路同步方法的各步驟

210～260．．．本發明之一實施例所述之節點嘗試加入網路的各步驟

T_L ．．．網路工作週期

T_S ．．．同步週期

A1、A2、A3、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4、C5、C6、D1、D2、D3．．．時間點

T_CB ．．．第一時間間隔

T_SS ．．．第二時間間隔

400．．．網路

C．．．協調節點

N2、N3．．．路由節點

N1、N4、N5．．．感測節點

500．．．網路同步系統

510．．．加入網路模組

520．．．時間同步模組

525．．．計時器

530．．．工作休眠同步模組

540．．．硬體元件

550．．．網路底層模組

圖1是依照本發明之一實施例所繪示之網路同步方法的流程圖。

圖2是依照本發明之一實施例所繪示之節點嘗試加入網路的流程圖。

圖3A、3B、3C、3D是依照本發明之一實施例所繪示之網路運作時序的情境示意圖。

圖4是依照本發明之一實施例所繪示之網路拓撲的示意圖。

圖5是依照本發明之一實施例所繪示之網路同步系統及節點架構的示意圖。

110～180．．．本發明之一實施例所述之網路同步方法的各步驟

Claims (32)

1. 一種網路同步方法，使得一節點與一網路的運作時序同步，其中該網路的最上游包括一協調節點，用以定義一同步資訊，該方法包括：a.在該節點嘗試加入該網路時，每隔一時間間隔從已加入該網路的其他節點之中搜尋一父節點，其中當該節點為第一次嘗試加入該網路時，該時間間隔為一第一時間間隔，而當該節點曾經加入過該網路時，該時間間隔為一第二時間間隔，並且該第二時間間隔小於該第一時間間隔；b.若能搜尋到該父節點，則接收該父節點所傳送的該同步資訊使該節點內部的一計時器與該父節點同步，並進入一工作模式；c.在接收到由該父節點所傳送的一休眠指令，或在透過該計時器根據該同步資訊判斷到達一網路結束時間時，由該工作模式轉換為一休眠模式；以及d.在透過該計時器跟據該同步資訊判斷到達一網路喚醒時間時，回到步驟a.以重新嘗試加入該網路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之網路同步方法，其中在該節點為第一次嘗試加入該網路時，步驟a.更包括：a1.從已加入該網路的其他節點之中搜尋該父節點；以及a2.若無法搜尋到該父節點，則在相隔該第一時間間隔之後，回到步驟a1.以再次嘗試搜尋該父節點。
3. 如申請專利範圍第2項所述之網路同步方法，其中 在該節點為曾經加入過該網路時，步驟a.更包括：a3.從已加入該網路的其他節點之中搜尋該父節點；a4.若無法搜尋到該父節點，則判斷該節點嘗試加入該網路的時間是否小於一預設時間；以及a5.若小於該預設時間，則在相隔該第二時間間隔之後，回到步驟a3.以再次嘗試搜尋該父節點。
4. 如申請專利範圍第3項所述之網路同步方法，其中在步驟a4.之後更包括：a6.若該節點嘗試加入該網路的時間大於或等於該預設時間，則判斷該節點連續無法搜尋到該父節點的次數是否大於一第一預設次數；a7.若大於該第一預設次數，則在相隔該第一時間間隔之後，回到步驟a1.以再次嘗試搜尋該父節點；以及a8.若小於或等於該第一預設次數，則進入該休眠模式直到該計時器判斷到達該網路喚醒時間時，回到步驟a3.以再次嘗試搜尋該父節點。
5. 如申請專利範圍第3項所述之網路同步方法，其中該預設時間為一網路工作週期的倍數，其中該網路工作週期係已加入該網路的所有節點處於該工作模式之時間的最大值，且該網路工作週期大於該第一時間間隔。
6. 如申請專利範圍第5項所述之網路同步方法，更包括：由該協調節點取得預設的該網路工作週期與一同步週期，其中該網路工作週期小於該同步週期；以及 根據該協調節點的一現在時間、該網路工作週期與該同步週期，定義下一次的該網路結束時間以及該網路喚醒時間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之網路同步方法，其中該同步資訊包括一現在時間、該網路結束時間以及該網路喚醒時間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之網路同步方法，其中該父節點在將該同步資訊傳送至該節點時，更包括：以傳送該同步資訊的時間作為該現在時間。
9. 如申請專利範圍第7項所述之網路同步方法，其中步驟b.更包括：該節點根據該同步資訊中的該現在時間更新該計時器。
10. 如申請專利範圍第1項所述之網路同步方法，其中步驟b.更包括：取得一資料並傳送該資料至該父節點。
11. 如申請專利範圍第10項所述之網路同步方法，其中在該節點為一感測(sensor)節點時，取得該資料的步驟包括：經由一感測器取得該資料。
12. 如申請專利範圍第10項所述之網路同步方法，其中在該節點為一路由(router)節點時，取得該資料的步驟包括：接收一子節點所傳送的該資料，其中該子節點在加入 該網路時係選擇該節點以作為該父節點。
13. 如申請專利範圍第12項所述之網路同步方法，其中步驟c.更包括：該節點在接收到由該父節點所傳送的該休眠指令時，傳送該休眠指令至該子節點。
14. 如申請專利範圍第10項所述之網路同步方法，更包括：在該協調節點判斷已收集到該網路的所有資料時，傳送該休眠指令至以該協調節點作為該父節點的所有節點。
15. 如申請專利範圍第14項所述之網路同步方法，更包括：在該協調節點判斷無法獲得該節點所取得之該資料的連續次數到達一第二預設次數時，傳送該休眠指令至以該協調節點作為該父節點的所有節點。
16. 如申請專利範圍第1項所述之網路同步方法，其中該網路包括一無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)。
17. 一種網路同步系統，包括：一加入網路模組，適於在一節點嘗試加入一網路時，每隔一時間間隔從已加入該網路的其他節點之中搜尋一父節點，其中當該節點為第一次嘗試加入該網路時，該時間間隔為一第一時間間隔，而當該節點曾經加入過該網路時，該時間間隔為一第二時間間隔，並且該第二時間間隔小於該第一時間間隔； 一時間同步模組，適於在該節點搜尋到該父節點時，接收該父節點所傳送的一同步資訊使該節點內部的一計時器與該父節點同步；以及一工作休眠同步模組，適於在該節點搜尋到該父節點後，使該節點進入一工作模式，以及在接收到由該父節點所傳送的一休眠指令，或在根據該同步資訊判斷到達一網路結束時間時，使該節點由該工作模式轉換為一休眠模式，其中該工作休眠同步模組在跟據該同步資訊判斷到達一網路喚醒時間時，控制該加入網路模組重新嘗試加入該網路。
18. 如申請專利範圍第17項所述之網路同步系統，其中該加入網路模組在該節點為第一次嘗試加入該網路時，從已加入該網路的其他節點之中搜尋該父節點，以及在無法搜尋到該父節點時，每相隔該第一時間間隔以再次嘗試搜尋該父節點。
19. 如申請專利範圍第18項所述之網路同步系統，其中該加入網路模組在該節點為曾經加入過該網路時，從已加入該網路的其他節點之中搜尋該父節點，並在無法搜尋到該父節點時，判斷該節點嘗試加入該網路的時間是否小於一預設時間，若小於該預設時間，則每相隔該第二時間間隔以再次嘗試搜尋該父節點。
20. 如申請專利範圍第19項所述之網路同步系統，其中該加入網路模組在該節點嘗試加入該網路的時間大於或等於該預設時間時，判斷該節點連續無法搜尋到該父節點 的次數是否大於一第一預設次數，若大於該第一預設次數，則每相隔該第一時間間隔以再次嘗試搜尋該父節點；若小於或等於該第一預設次數，該工作休眠同步模組令該節點進入該休眠模式直到到達該網路喚醒時間時，控制該加入網路模組每隔該第二時間間隔再次嘗試搜尋該父節點。
21. 如申請專利範圍第19項所述之網路同步系統，其中該預設時間為一網路工作週期的倍數，其中該網路工作週期係已加入該網路的所有節點處於該工作模式之時間的最大值，且該網路工作週期大於該第一時間間隔。
22. 如申請專利範圍第21項所述之網路同步系統，其中該時間同步模組在屬於一協調節點時，取得預設的該網路工作週期與一同步週期，其中該網路工作週期小於該同步週期，以及根據該協調節點的一現在時間、該網路工作週期與該同步週期，定義下一次的該網路結束時間以及該網路喚醒時間。
23. 如申請專利範圍第17項所述之網路同步系統，其中該同步資訊包括一現在時間、該網路結束時間以及該網路喚醒時間。
24. 如申請專利範圍第23項所述之網路同步系統，其中該工作休眠同步模組在傳送該同步資訊時，以傳送該同步資訊的時間作為該現在時間。
25. 如申請專利範圍第23項所述之網路同步系統，其中該時間同步模組根據該同步資訊中的該現在時間更新該 計時器。
26. 如申請專利範圍第17項所述之網路同步系統，其中該工作休眠同步模組在該節點進入該工作模式後，取得一資料並傳送該資料至該父節點。
27. 如申請專利範圍第26項所述之網路同步系統，其中在該節點為一感測節點時，經由一感測器取得該資料。
28. 如申請專利範圍第26項所述之網路同步系統，其中在該節點為一路由節點時，接收一子節點所傳送的該資料，其中該子節點在加入該網路時係選擇該節點以作為該父節點。
29. 如申請專利範圍第28項所述之網路同步系統，其中該工作休眠同步模組在接收到由該父節點所傳送的該休眠指令時，傳送該休眠指令至該子節點。
30. 如申請專利範圍第26項所述之網路同步系統，其中該工作休眠同步模組在屬於一協調節點時，在判斷已收集到該網路的所有資料時，傳送該休眠指令至以該協調節點作為該父節點的所有節點。
31. 如申請專利範圍第30項所述之網路同步系統，其中該工作休眠同步模組在判斷無法獲得該節點所取得之該資料的連續次數到達一第二預設次數時，傳送該休眠指令至以該協調節點作為該父節點的所有節點。
32. 如申請專利範圍第17項所述之網路同步系統，其中該網路包括一無線感測網路。