TWI495384B - 無線感測器網路的電量調度方法及控制裝置 - Google Patents

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Description

無線感測器網路的電量調度方法及控制裝置
本發明涉及無線感測器網路的控制領域，尤其涉及一種無線感測器網路的電量調度方法及控制裝置。
在無線感測器網路中部署有全功能感測器和半功能感測器作為網路節點。全功能感測器可以進行資料的採集、轉發以及與無線感測器網路的控制裝置進行通信，半功能感測器僅能進行資料的採集和與作為中繼節點的感測器進行通信。
當前，無線感測器網路中網路節點的電量調度方法包括兩種：1.控制裝置給網路節點設置休眠週期，讓節點輪流進行休眠和工作；2.網路節點間週期性的交互各自的電量資訊，然後根據網路節點間的電量資訊重新分配無線感測器網路的資訊傳遞路徑。
上述第一種方法並未具體考量各個網路節點的實際情況，沒有根據各個網路節點的實際電量和各網路節點間的位置關係進行電量調度。第二種方法雖然考量了各個網路節點的實際電量情況，但使用節點間互換方式交換電量資訊造成的能耗較高，而且僅僅改變資訊的傳遞路徑並不能有效的降低各個節點的電量消耗。
有鑑於此，本發明的目的是提供一種無線感測器網路的控制裝置以及控制裝置進行電量調度的方法，可以根據無線感測器網路中各個網路節點的電量資訊和路徑資訊對各個網路節點的資訊路徑和工作方式作出合理的調整，在保證無線感測器網路工作效能的前提下，最大限度的降低無線感測器網路的能耗。
本發明實施方式中提供的無線感測器網路的控制裝置，包括設置單元、偵測單元及選擇單元。該無線感測器網路包括該控制裝置和多個網路節點，該等網路節點包括中繼節點和普通節點，該等網路節點包括全功能工作模式和半功能工作模式。設置單元用於將中繼節點設置為全功能工作模式，並將普通節點設置為半功能工作模式。偵測單元用於偵測該等中繼節點電量是否低於一預設閾值，並當一中繼節點電量低於該預設閾值時，確定該中繼節點為電量不足中繼節點，收集與該電量不足中繼節點臨近的普通節點的電量資訊及位址資訊。選擇單元用於根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點，並將該電量不足中繼節點設置為普通節點。其中，當選擇單元選出新的中繼節點後，設置單元將該新的中繼節點設置為全功能工作模式且將該電量不足中繼節點變為普通節點並將該電量不足中繼節點設置為半功能工作模式。
優選地，該選擇單元還用於選擇該臨近的普通節點中電量最高且電量高於該電量不足中繼節點的電量的普通節點作為該新的中繼節點。
優選地，當該臨近的普通節點的電量均低於該電量不足中繼節點 的電量時，選擇單元還用於設置該電量不足中繼節點為該新的中繼節點。
優選地，選擇單元還用於根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊，計算每個臨近的普通節點到該電量不足中繼節點的距離與該每個臨近的普通節點的電量的比值，選擇該比值最小的臨近的普通節點作為該新的中繼節點。
本發明實施方式中提供的無線感測器網路的電量調度方法，包括以下步驟：將中繼節點設置為全功能工作模式，並將普通節點設置為半功能工作模式；判斷該中繼節點電量是否低於一預設閾值；當該中繼節點電量低於該預設閾值時，確定該中繼節點為電量不足中繼節點，收集與該電量不足中繼節點臨近的普通節點的電量資訊及位址資訊並上報該控制裝置；根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點；及將該新的中繼節點設置為全功能工作模式且將該電量不足中繼節點變為普通節點並將該電量不足中繼節點設置為半功能工作模式。
優選地，根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點具體包括：選擇該臨近的普通節點中電量最高且電量高於該電量不足中繼節點的電量的普通節點作為該新的中繼節點。
優選地，根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點具體包括：當該臨近的普通節點的電量均低於該電量不足中繼節點的電量時，設置該電量不足中繼節點為該新的中繼節點。
優選地，根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的 中繼節點具體包括：根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊，計算每個臨近的普通節點到該電量不足中繼節點的距離與該每個臨近的普通節點的電量的比值，選擇該比值最小的臨近的普通節點作為該新的中繼節點。
上述無線感測器網路的電量調度方法及控制裝置可以根據無線感測器網路中各個網路節點的電量資訊和路徑資訊對各個網路節點的資訊路徑和工作方式作出合理的調整，在保證無線感測器網路工作效能的前提下，最大限度的降低無線感測器網路的能耗。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
100‧‧‧控制裝置
200a、200b、200c、200d‧‧‧網路節點
101‧‧‧處理器
102‧‧‧記憶體
103‧‧‧設置單元
104‧‧‧偵測單元
105‧‧‧選擇單元
201‧‧‧電源管理單元
202‧‧‧收發單元
203‧‧‧傳感單元
204‧‧‧微處理器
2041‧‧‧主處理單元
2042‧‧‧從處理單元
圖1是本發明無線感測器網路的控制裝置一實施方式的應用環境示意圖。
圖2是本發明無線感測器網路的控制裝置又一實施方式的應用環境示意圖。
圖3是圖1中網路節點的功能模組圖。
圖4是本發明無線感測器網路的控制裝置一實施方式的功能模組圖。
圖5是本發明無線感測器網路的電量調度方法一實施方式的流程圖。
圖1是本發明無線感測器網路的控制裝置100一實施方式的應用環境示意圖。在本實施方式中，控制裝置100與網路節點200a- 200d共同組成了無線感測器網路，其中，網路節點200a-200d均為全功能感測器。如圖1所示，網路節點200a作為中繼節點，負責收集周圍的環境資訊，並與網路節點200b-200d及控制裝置100進行資料通信；網路節點200b-200d作為普通節點，負責收集周圍的環境資訊，並與網路節點200a進行資料通信。控制裝置100通過與網路節點200a通信以控制網路節點200b-200d工作。
圖3是圖1中網路節點200a-200d的功能模組圖。下面以網路節點200a為例進行說明。網路節點200a包括電源管理單元201、收發單元202、傳感單元203和微處理器204，處理器204包括主處理單元2041和從處理單元2042。電源管理單元201負責管理網路節點200a的電源情況並根據電源查詢命令回報電源情況。收發單元202負責資料的發送與接收。傳感單元203負責周圍環境資料的採集。主處理單元2041控制資料的轉發和與控制裝置100進行資料通信，從處理單元2042控制資料的採集以及與中繼節點進行資料通信。網路節點200a具有全功能工作模式和半功能工作模式兩種工作模式。當網路節點200a作為中繼節點時，其工作在全功能工作模式下，此時主處理單元2041和從處理單元2042同時工作；當網路節點200a作為普通節點時，其工作在半功能工作模式下，此時從處理單元2042工作，主處理單元2041休眠。
在本發明一具體實施例中，控制裝置100會週期性地監控作為中繼節點的網路節點200a的電量資訊，判斷網路節點200a的電量是否低於一預設的閾值。當網路節點200a的電量不低於所述閾值時，控制裝置100將網路節點200a繼續作為中繼節點；當網路節點200a的電量低於所述閾值時，控制裝置100要求網路節點200a向 與其通信的、作為普通節點的網路節點200b-200d發送電量查詢請求，網路節點200a收集網路節點200b-200d所回報的電量資訊及位址資訊後報告控制裝置100。其中，所述電量資訊包括網路節點200b-200d的剩餘電量，位址資訊包括網路節點200b-200d到網路節點200a的距離資訊。
在本發明一具體實施例中，控制裝置100會對所收到的電量資訊和位址資訊進行分析，並從網路節點200b-200d中選擇電量大於網路節點200a電量的網路節點作為新的中繼節點，例如，選擇電量大於網路節點200a電量的網路節點200b作為新的中繼節點。此時，控制裝置100將網路節點200b設置為全功能工作模式，網路節點200b的主處理單元2041進入工作狀態；控制裝置100將網路節點200a設置為半功能工作模式，網路節點200a的處理單元2041進入休眠狀態，從而節省電量。圖2是本發明無線感測器網路的控制裝置100又一實施方式的應用環境示意圖，其中，網路節點200b作為新的中繼節點將和控制裝置100及作為普通節點的網路節點200a、200c和200d進行資料通信。
在本發明一具體實施例中，當作為中繼節點的網路節點200a的電量低於所述閾值時，且網路節點200b-200d的電量均低於所述電量不足中繼節點200a的電量，控制裝置100設置網路節點200a繼續作為中繼節點。
在本發明一具體實施例中，當作為中繼節點的網路節點200a的電量低於所述閾值時，控制裝置100根據網路節點200b-200d的電量資訊和位址資訊，分別計算網路節點200b-200d到網路節點200a的距離與網路節點200b-200d的電量的比值，選擇所述比值 最小的網路節點作為所述新的中繼節點。
請參閱圖4，所示為本發明控制裝置100一實施方式的功能模組圖。控制裝置100包括處理器101、記憶體102、設置單元103、偵測單元104和選擇單元105。單元103~105為存儲於記憶體102中的可執行程式，處理器101執行這些可執行程式，以實現其各自功能。
設置單元103在控制裝置100開始工作後將作為中繼節點的網路節點200a設置為全功能工作模式，並將作為普通節點的網路節點200b-200d設置為半功能工作模式。
偵測單元104向網路節點200a發送電量查詢命令，通過接收網路節點200a回報的電量資訊判斷網路節點200a的電量是否低於一預設閾值，並當網路節點200a電量低於所述預設閾值時，確定網路節點200a為電量不足中繼節點。此時，偵測單元104通知網路節點200a收集臨近的網路節點200b-200d的電量資訊及位址資訊。
選擇單元105用於根據網路節點200b-200d的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點，並在選擇出新的中繼節點後將網路節點200a設置為普通節點。
其中，當選擇單元105選出新的中繼節點後，設置單元103將所述新的中繼節點設置為全功能工作模式且將網路節點200a變為普通節點並將網路節點200a設置為半功能工作模式。
在本實施方式中，當作為中繼節點的網路節點200a電量低於所述預設閾值時，選擇單元105還用於選擇網路節點200b-200d中電量最高且電量高於網路節點200a的電量的網路節點作為所述新的 中繼節點。
在本實施方式中，當作為中繼節點的網路節點200a電量低於所述預設閾值時，且網路節點200b-200d的電量均低於網路節點200a的電量時，選擇單元105設置所述網路節點200a繼續作為中繼節點。
在本實施方式中，當作為中繼節點的網路節點200a的電量低於所述閾值時，選擇單元105根據網路節點200b-200d的電量資訊和位址資訊，分別計算網路節點200b-200d到網路節點200a的距離與網路節點200b-200d的電量的比值，選擇所述比值最小的網路節點作為所述新的中繼節點。
圖5示出了本發明無線感測器網路的電量調度方法一實施方式的流程圖。本方法應用於圖1所示的實施環境中，並通過圖4所示的功能模組實現所述方法。
在步驟S500，設置單元103將作為中繼節點的網路節點200a設置為全功能工作模式，並將作為普通節點的網路節點200b-200d設置為半功能工作模式。
在步驟S502，偵測單元104判斷網路節點200a的電量是否低於一預設閾值。
在步驟S504，當網路節點200a低於所述預設閾值時，偵測單元104確定所述網路節點200a為電量不足中繼節點，偵測單元104收集與網路節點200a臨近的網路節點200b-200d的電量資訊及位址資訊並上報至所述控制裝置100。
在步驟S506，選擇單元105根據網路節點200b-200d的電量資訊 和位址資訊選擇新的中繼節點。
在步驟S508，當網路節點200a不是新的中繼節點時，設置單元103將所述新的中繼節點設置為全功能工作模式且將網路節點200a設置為半功能工作模式。
作為圖5所示本發明實施方式的進一步改進，在步驟S506，選擇單元105選擇網路節點200b-200d中電量最高且電量高於網路節點200a的電量的網路節點作為所述新的中繼節點。
作為圖5所示本發明實施方式的進一步改進，在步驟S506，當作為中繼節點的網路節點200a電量低於所述預設閾值時，且網路節點200b-200d的電量均低於網路節點200a的電量時，選擇單元105設置所述網路節點200a繼續作為中繼節點。
作為圖5所示本發明實施方式的進一步改進，在步驟S506，當作為中繼節點的網路節點200a的電量低於所述閾值時，選擇單元105根據網路節點200b-200d的電量資訊和位址資訊，分別計算網路節點200b-200d到網路節點200a的距離與網路節點200b-200d的電量的比值，選擇所述比值最小的網路節點作為所述新的中繼節點。
綜上所述，通過本實施方式公開的無線感測器網路的電量調度方法及控制裝置，可以根據無線感測器網路中各個網路節點的電量資訊和路徑資訊對各個網路節點的資訊路徑和工作方式作出合理的調整，在保證無線感測器網路工作效能的前提下，最大限度的降低無線感測器網路的能耗。
100‧‧‧控制裝置
101‧‧‧處理器
102‧‧‧記憶體
103‧‧‧設置單元
104‧‧‧偵測單元
105‧‧‧選擇單元

Claims (8)

  1. 一種無線感測器網路的電量調度方法，應用於控制裝置中，該無線感測器網路包括多個網路節點，該多個網路節點包括至少一個中繼節點和多個普通節點，該多個網路節點包括全功能工作模式和半功能工作模式，該無線感測器網路的電量調度方法包括：將該至少一個中繼節點設置為全功能工作模式，並將該等普通節點設置為半功能工作模式；判斷該至少一個中繼節點電量是否低於預設閾值；當一個中繼節點電量低於該預設閾值時，確定該中繼節點之電量不足，收集與該電量不足中繼節點臨近的普通節點的電量資訊及位址資訊；根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點；及將該新的中繼節點設置為全功能工作模式，並將該電量不足中繼節點設置為半功能工作模式而成為普通節點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路的電量調度方法，其中，根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點之步驟具體包括：選擇該臨近的普通節點中電量最高且電量高於該電量不足中繼節點的電量的普通節點作為該新的中繼節點。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路的電量調度方法，其中，根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點之步驟具體包括：當該臨近的普通節點的電量均低於該電量不足中繼節點的電量時，維持該電量不足中繼節點為中繼節點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之無線感測器網路的電量調度方法，其中，根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點之步驟具體包括：根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊，計算每個臨近的普通節點到該電量不足中繼節點的距離與該每個臨近的普通節點的電量的比值，選擇該比值最小的臨近的普通節點作為該新的中繼節點。
  5. 一種無線感測器網路的控制裝置，用於控制該無線感測器網路中的多個網路節點，該多個網路節點包括至少一個中繼節點和多個普通節點，該多個網路節點的工作模式包括全功能工作模式和半功能工作模式，該無線感測器網路的控制裝置包括：設置單元，用於將該至少一個中繼節點設置為該全功能工作模式，並將該等普通節點設置為該半功能工作模式；偵測單元，偵測該至少一個中繼節點電量是否低於預設閾值，並當一個中繼節點電量低於該預設閾值時，確定該中繼節點之電量不足，收集與該電量不足中繼節點臨近的普通節點的電量資訊及位址資訊；及選擇單元，用於根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊選擇新的中繼節點；其中，當該選擇單元選出新的中繼節點後，該設置單元將該新的中繼節點設置為全功能工作模式，並將該電量不足中繼節點設置為半功能工作模式而成為普通節點。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之無線感測器網路的控制裝置，其中，該選擇單元還用於選擇該臨近的普通節點中電量最高且電量高於該電量不足中繼節點的電量的普通節點作為該新的中繼節點。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之無線感測器網路的控制裝置，其中，當該臨近的普通節點的電量均低於該電量不足中繼節點的電量時，該選擇單元 還用於維持該電量不足中繼節點為中繼節點。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之無線感測器網路的控制裝置，其中，該選擇單元還用於根據該臨近的普通節點的電量資訊和位址資訊，計算每個臨近的普通節點到該電量不足中繼節點的距離與該每個臨近的普通節點的電量的比值，並選擇該比值最小的臨近的普通節點作為該新的中繼節點。
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