本發(fā)明涉及面向稀疏流量無線自組織網(wǎng)絡(luò)的超低功耗實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，給人們的生活帶來了極大的便利。但是在多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，節(jié)點多采用電池供電，因此如何降低電池電量的消耗增加整個網(wǎng)絡(luò)的壽命，成了關(guān)鍵問題。在文獻《rpl:ipv6routingprotocolforlow-powerandlossynetworks》(netzeh.rpl:ipv6routingprotocolforlow-powerandlossynetworks[j].heisezeitschriftenverlag.)中提出基于收集樹的rpl協(xié)議，達到無線網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)。但是為了維護整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，需要發(fā)送大量的網(wǎng)絡(luò)控制消息，消耗過多的能量，并且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點有負(fù)載不均衡的現(xiàn)象，影響整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。在文獻《thecontikimacradiodutycyclingprotocol》(dunkelsa.thecontikimacradiodutycyclingprotocol[j].swedishinstituteofcomputerscience,2012.)中dunkels提出節(jié)點異步的醒來進行信道檢測，如果檢測到空中的數(shù)據(jù)包進行接收。該方法能夠讓節(jié)點周期性的做信道檢測，并且持續(xù)時間很短，減少了節(jié)點處于接收狀態(tài)的時間，從而降低了能耗。同時節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時需要發(fā)送一系列相同的數(shù)據(jù)包用來喚醒鄰居節(jié)點。在文獻《robustmeshnetworksthroughautonomouslyscheduledtsch》(duquennoys,alnahasb,landsiedelo,etal.orchestra:robustmeshnetworksthroughautonomouslyscheduledtsch[c].acmconferenceonembeddednetworkedsensorsystems.337-350,2015.)中，duquennoy等人提出一種同步方案用來降低節(jié)點的能耗。整個網(wǎng)絡(luò)進行時間同步，維護統(tǒng)一的時鐘，節(jié)點之間根據(jù)接收者狀態(tài)或者發(fā)送者狀態(tài)，相互協(xié)商彼此進行發(fā)送和接收的時間。該方法需要高精度的時間同步技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)將在時間同步上消耗過多的能耗。上述兩種方法分別是異步網(wǎng)絡(luò)和同步網(wǎng)絡(luò)，但是這兩種網(wǎng)絡(luò)都無法達到極低的能耗要求。如果將其應(yīng)用在稀疏流量數(shù)據(jù)收集領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)壽命無法達到標(biāo)準(zhǔn)。因此需要設(shè)計出一種極低功耗的方法，用來增加整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用在稀疏流量的數(shù)據(jù)收集領(lǐng)域中時能耗過高以及電池壽命短的缺點，而提出一種面向稀疏流量無線自組織網(wǎng)絡(luò)的超低功耗實現(xiàn)方法。

一種面向稀疏流量無線自組織網(wǎng)絡(luò)的超低功耗實現(xiàn)方法包括以下步驟：

步驟一：采用同步網(wǎng)絡(luò)和異步網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行統(tǒng)一的控制，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度將網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點狀態(tài)劃分為活躍和非活躍狀態(tài)；

步驟二：對步驟一中活躍狀態(tài)的節(jié)點通過在線能耗測量方式，估算活躍狀態(tài)節(jié)點的平均電流，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的目標(biāo)電流，調(diào)整不同的信道檢測周期，使活躍狀態(tài)節(jié)點實際電流值接近目標(biāo)電流值。

本發(fā)明使用混合網(wǎng)絡(luò)模式和能耗均衡機制，可以有效的增加無線自組網(wǎng)中電池供電壽命不長的問題，使得網(wǎng)絡(luò)的壽命極大的增加。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明面向稀疏流量(每個節(jié)點每天有2-6個數(shù)據(jù)需要發(fā)送，每個數(shù)據(jù)的大小為100字節(jié)左右)的數(shù)據(jù)收集領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)中90％以上的時間都是無數(shù)據(jù)需要傳輸，因此本發(fā)明通過步驟一合理的管理整個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，減少節(jié)點在無數(shù)據(jù)傳輸時的能耗，將節(jié)點在無數(shù)據(jù)傳輸時的電流控制在10ua以下，這相比于異步網(wǎng)絡(luò)在無數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點的電流在100ma～500ma，本發(fā)明很大的降低了節(jié)點的電流；同時利用步驟二，降低在數(shù)據(jù)傳輸時電流過大的節(jié)點的電流，從而減少節(jié)點的整個狀態(tài)的平均電流，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。

本發(fā)明針對稀疏流量無線自組織網(wǎng)絡(luò)壽命較短的問題，本發(fā)明提出了一種面向稀疏流量無線自組織網(wǎng)絡(luò)的超低功耗(3600毫安時的電池，實際可用電量為2160毫安時，需要達到8-10年的電池壽命)實現(xiàn)方法，該方法的主要優(yōu)點是在保存無線自組織網(wǎng)絡(luò)，自組網(wǎng)的特征前提下，達到高可靠性，超低功耗的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明流程圖；

圖2為混合網(wǎng)絡(luò)模式流程圖；

圖3為能耗均衡機制流程圖；

具體實施方式

具體實施方式一：如圖1所示，一種面向稀疏流量無線自組織網(wǎng)絡(luò)的超低功耗實現(xiàn)方法包括以下步驟：

本發(fā)明方法能夠在保持無線自組網(wǎng)的特性，網(wǎng)絡(luò)高可靠性的前提下，達到極低的能耗。本發(fā)明主要包括混合網(wǎng)絡(luò)模式(如圖2所示)，能耗均衡機制(如圖3所示)兩部分。

步驟一：采用同步網(wǎng)絡(luò)和異步網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行統(tǒng)一的控制，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度將網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點狀態(tài)劃分為活躍和非活躍狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)絕大部分時間處于非活躍狀態(tài)下，以極低功耗休眠。網(wǎng)絡(luò)在少數(shù)時間內(nèi)處于活躍狀態(tài)，基于異步通信方式實現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸。

步驟二：對步驟一中活躍狀態(tài)的節(jié)點通過高精度的、在線能耗測量方式，估算活躍狀態(tài)節(jié)點的平均電流，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的目標(biāo)電流，調(diào)整不同的信道檢測周期，使活躍狀態(tài)節(jié)點實際電流值接近目標(biāo)電流值。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟一中采用同步網(wǎng)絡(luò)和異步網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行統(tǒng)一的控制，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度將網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點狀態(tài)劃分為活躍和非活躍狀態(tài)的具體過程為：

步驟一一：使用時間同步技術(shù)同步整個無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的自然時間；

步驟一二：網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點向全網(wǎng)可靠地下發(fā)以位圖(bitmap)表示的、統(tǒng)一的調(diào)度信息(sche_map)，指示網(wǎng)絡(luò)在各個時間段應(yīng)處的活躍或非活躍狀態(tài)；bitmap中，0bit位表示非活躍狀態(tài)，1bit位表示活躍狀態(tài)。

步驟一三：節(jié)點依據(jù)調(diào)度信息，結(jié)合節(jié)點的自然時間，轉(zhuǎn)換節(jié)點的狀態(tài)；

步驟一四：若節(jié)點處在非活躍狀態(tài)，節(jié)點關(guān)閉操作系統(tǒng)的事件定時器，停止進程的輪詢和響應(yīng)，停止對信道的檢測，關(guān)閉節(jié)點的射頻，以極低功耗運行，所述極低功耗的典型值是1～10微安；

步驟一五：若節(jié)點處在活躍狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點處于異步低功耗偵聽模式，節(jié)點周期性的(根據(jù)應(yīng)用場景人為設(shè)置)進行信道檢測，支持?jǐn)?shù)據(jù)的無線收發(fā)；同時，節(jié)點開啟操作系統(tǒng)的事件定時器，進行進程輪詢和事件響應(yīng)，支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用功能的執(zhí)行。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟二中對步驟一中活躍狀態(tài)的節(jié)點通過在線能耗測量方式，估算活躍狀態(tài)節(jié)點的平均電流，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的目標(biāo)電流，調(diào)整不同的信道檢測周期，使活躍狀態(tài)節(jié)點實際電流值接近目標(biāo)電流值的具體過程為：

步驟二一：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有統(tǒng)一的目標(biāo)電流值(current_budget)和電流偏差值(current_guard)；

步驟二二：節(jié)點測量并統(tǒng)計微控制器(mcu)和射頻處在不同模式的時間，進行節(jié)點平均電流的估算；節(jié)點在從非活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)成活躍狀態(tài)時，根據(jù)不同模式下的電流計算出節(jié)點當(dāng)前的平均電流(present_current)；

步驟二三：節(jié)點從非活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換成活躍狀態(tài)時，計算節(jié)點當(dāng)前的平均電流(present_current)，判斷節(jié)點當(dāng)前的平均電流是否在[current_budget-current_guard,current_budget+current_guard]范圍內(nèi)；其中current_budget為節(jié)點的目標(biāo)電流值，current_guard為節(jié)點的電流偏差值；

若節(jié)點當(dāng)前的平均電流不在[current_budget-current_guard,current_budget+current_guard]范圍內(nèi)，則節(jié)點繼續(xù)執(zhí)行步驟二四；若節(jié)點當(dāng)前的平均電流在[current_budget-current_guard,current_budget+current_guard]范圍內(nèi)，則返回步驟二二迭代執(zhí)行；

步驟二四：節(jié)點在調(diào)整信道檢測周期之前，首先在非活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換成活躍狀態(tài)時，根據(jù)第t-1個活動狀態(tài)時段的信道檢測周期的調(diào)整方向和第t個活動狀態(tài)時段計算出的present_current判斷第t-1個活動狀態(tài)時段的信道檢測周期調(diào)整是否有效；

若第t-1個活動狀態(tài)時段的信道檢測周期調(diào)整方向是increase且present_current降低或信道檢測周期調(diào)整方向是decrease且present_current升高，則有效；

若第t-1個活動狀態(tài)時段的信道檢測周期調(diào)整方向是increase且present_current升高或信道檢測周期調(diào)整方向是decrease且present_current降低，則無效；其中increase表示信道檢測周期調(diào)整方向為增加，decrease表示信道檢測周期調(diào)整方向為減少；

若無效則需要繼續(xù)執(zhí)行步驟二五，若有效則返回步驟二二迭代執(zhí)行；

步驟二五：節(jié)點利用當(dāng)前的平均電流，通過公式(1)計算節(jié)點第t個活動狀態(tài)時段的信道檢測周期，其中cycle_timet為第t個活動狀態(tài)時段節(jié)點的信道檢測周期，wakeup_interval_step為信道檢測周期的調(diào)整幅度，cycle_timet-1為第t-1個活動狀態(tài)時段節(jié)點的信道檢測周期；expect_currentt為第t個活動狀態(tài)時段節(jié)點的期望電流，使用公式(2)計算得到，初始化時expect_current為current_budget，通過比較cycle_timet-1和cycle_timet的信道檢測周期值的大小，記錄此次信道檢測周期調(diào)整的方向；

若cycle_timet-1小于cycle_timet則為增加，記為increase；

若cycle_timet-1大于cycle_timet則為減少，記為decrease；

若cycle_timet-1等于cycle_timet則為保持，記為maitain；

expect_currentt＝present_current*α+expect_currentt-1*(1-α)(2)

其中α為權(quán)重，取值為0～1；present_current為節(jié)點當(dāng)前的平均電流；

步驟二六：節(jié)點在第t個活動狀態(tài)時段使用cycle_timet作為信道檢測周期，并且返回步驟二二迭代執(zhí)行。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述步驟二二中不同模式的時間包括微控制器處在工作模式的時間，微控制器處在低功耗模式的時間，射頻處在發(fā)送模式的時間以及接收模式的時間(微控制器的不同模式為工作模式和低功耗模式，射頻的不同模式為發(fā)送模式和接收模式)。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：

實施例一：

本發(fā)明主要包括混合網(wǎng)絡(luò)模式，能耗均衡機制兩部分。

1、混合網(wǎng)絡(luò)模式。采用同步網(wǎng)絡(luò)和異步網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行統(tǒng)一的控制。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度將網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點狀態(tài)劃分為活躍和非活躍狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)絕大部分時間處于非活躍狀態(tài)下，以極低功耗休眠。網(wǎng)絡(luò)在少數(shù)時間內(nèi)處于活躍狀態(tài)，基于異步通信方式實現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)傳輸。整個狀態(tài)控制過程如下：

(1.1)使用時間同步技術(shù)規(guī)范和同步整個無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的自然時間。

(1.2)網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點向全網(wǎng)可靠地下發(fā)以bitmap表示的、統(tǒng)一的調(diào)度信息，指示網(wǎng)絡(luò)在各個時間段應(yīng)處的(活躍/非活躍)狀態(tài)。bitmap中，0表示非活躍狀態(tài)，1表示活躍狀態(tài)，

(1.3)節(jié)點依據(jù)調(diào)度，結(jié)合自身的自然時間，轉(zhuǎn)換自身的狀態(tài)。

(1.4)如果節(jié)點處在非活躍狀態(tài)，節(jié)點關(guān)閉操作系統(tǒng)的事件定時器，停止進程的輪詢和響應(yīng)，停止對信道的檢測，關(guān)閉節(jié)點的射頻，以極其功耗運行，其典型值是若干微安。

(1.5)如果節(jié)點處在活躍狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點處于異步低功耗偵聽模式，節(jié)點周期性的進行信道檢測，支持?jǐn)?shù)據(jù)的無線收發(fā)。同時，節(jié)點開啟操作系統(tǒng)的事件定時器，進行進程輪詢和事件響應(yīng)，支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用功能的執(zhí)行。

2、能耗均衡機制。節(jié)點通過高精度的、在線能耗測量方式，估算自己的平均電流。節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)預(yù)設(shè)的目標(biāo)電流，結(jié)合自身當(dāng)前平均電流，調(diào)整不同的信道檢測周期，使其實際電流能耗接近目標(biāo)電流值。通過將所有節(jié)點的能耗控制在目標(biāo)電流值范圍，達到了全網(wǎng)節(jié)點的能耗均衡和網(wǎng)絡(luò)壽命的優(yōu)化。

本發(fā)明使用混合網(wǎng)絡(luò)模式和能耗均衡機制，可以有效的增加無線自組網(wǎng)中電池供電壽命不長的問題，使得網(wǎng)絡(luò)的壽命極大的增加。

將本發(fā)明應(yīng)用在由cc1120射頻和msp430f5418a微控制器構(gòu)成的節(jié)點上進行效果驗證。

使用contiki操作系統(tǒng)和6lowpan協(xié)議棧，運用低功耗偵聽mac協(xié)議contikimac作為基礎(chǔ)技術(shù)，將contikimac的信道檢測周期設(shè)置為250毫秒，使用步驟一對節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行控制；節(jié)點維護的調(diào)度為00000000000010000000000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000000001000，與自然時間相對應(yīng)表示為，節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)只有在0時40分至0時50分，7時20分至7時30分，15時20分至15時30分，23時20分至23時30分處于活躍狀態(tài)，其余時間段都為非活躍狀態(tài)。

在活躍狀態(tài)進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，在非活躍狀態(tài)將contiki操作系統(tǒng)的事件定時器關(guān)閉，并關(guān)閉contikimac的信道檢測行為，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的電流值約為4ua。

在活躍狀態(tài)運用步驟二，將目標(biāo)電流設(shè)置為24ua，電流偏差值設(shè)置為5ua，整個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的信道檢測周期范圍在250毫秒到500毫秒不等；

整個系統(tǒng)運行12天，最終網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的電流最大為22ua，最小為19.68ua。

本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。