一种微功率无线传感器接入方法及系统

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种微功率无线传感器接入方法及系统。

背景技术

无线传感器网络正开始被广泛应用于环境监测、智能家居、交通监管以及物体追踪等应用。通常而言，传感器节点使用电池供电，而受限于电池科技的缓慢发展，无线传感器网络中的协议(包括传输、路由、介质访问控制等)都必须具有低功耗的特点。在一些应用中，通电传感器可以用于恶劣环境中，且传感器在延长的时间量内是不受限制的。然而，如果传感器是由电池供电，那么电池容量可能限制不受限制的传感器节点的部署。在更换电池不增加额外成本及复杂性的情况下，所述电池供电传感器节点应用只具备有限寿命。如果可定期收集能源，那么传感器节点可操作的时间实质上长于只进行电池供电的情况。然而，如果能量收集装置较小以减小传感器节点的大小及传感器节点部署的成本，那么其只可收集相对较少能量，这约束了装置的能量消耗。因此，本发明提出一种微功率无线传感器接入系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微功率无线传感器接入方法及系统，用于解决现有技术中微功率无线传感器接入系统通信功耗大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明具体采用以下技术方案。

一种微功率无线传感器接入方法，包括以下步骤：

步骤1：设置与无线传感器接入装置直接通信的无线传感器节点，组成无线传感器网络；并根据无线传感器节点的几何位置和通信半径，构造无线传感器网络对应的网络通信图；

步骤2：从预设目标节点出发，在所述网络通信图上搜索获取所述无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离；并依据所述跳数距离，构造半结构化的路由拓扑图；

步骤3：根据半结构化的路由拓扑图中的链路相互之间的主干扰和次干扰关系，构造链路干扰图；

步骤4：基于权重选择链路、通过时隙分配算法进行时隙调度，并在每一个时隙调度中对所述无线传感器网络中待传输的无线传感器节点按照其缓存中的数据包个数大小进行排序；

步骤5：根据所述链路干扰图，判断所述无线传感器节点的每条候选传输链路是否在当前时隙调度，若传输链路在当前时隙调度，则依次检查已排好序的待传输的无线传感器节点；

若所有候选链路均不在当前时隙调度，则等待下一个时隙调度。

可选地，在步骤1中，当两个无线传感器节点之间的距离小于或等于通信半径时，则认为该两个节点之间存在一条通信链路。

可选地，在步骤2中，在所述网络通信图中，优选采用宽度优先搜索获取所述无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离。

所述依据所述跳数距离，构造半结构化的路由拓扑图的具体过程如下：

以预设的目标节点为初始节点，根据所述跳数距离，将所述无线传感器网络中的所有无线传感器节点转换为网络拓扑；

基于所述网络拓扑生成相应的路由图；

将路由图的邻居节点作为父节点，构造半结构化的路由拓扑图。

可选地，在步骤3中，所述主干扰是指：在半双工收发器的限制下具有重合节点的两条链路不能同时调度；所述次干扰是指当一条链路的接收节点在另一条链路的发送节点的干扰范围之内时，这两条链路不能同时调度；主干扰和次干扰对节点链路的影响如下：

在主干扰中，具有重合节点的两条链路不能同时调度；

在次干扰中，当一条链路的接收节点在另一条链路的发送节点的预设干扰范围之内时，这两条链路不能同时调度。

可选地，在步骤4中，定义各链路权重干扰因子，计算当前时隙调度中链路的权重；且对每个待传输的无线传感器节点，从其候选链路中选择权重最小的链路作为实际的传输路径，合并至当前时隙进行调度。

可选地，在步骤5中，迭代进行时隙调度，直到无线传感器网络中的所有无线传感器节点都已完成传输任务；并调度没有数据收发任务的无线传感器节点进入睡眠状态；同时根据应用设备的生命周期需求，设定数据采集周期。

可选地，在对无线传感器进行时隙调度时，具体包括：

5.1记录无线传感器网络中一个数据采集周期的时隙的个数，所述时隙包括活动时隙和睡眠时隙，初始化活动时隙集合为空集；

5.2计算每个睡眠时隙的效用值；

5.3将效用值最大的睡眠时隙加入活动时隙集合；

5.4判断时隙每次偏移整数个时隙时是否至少有一个活动时隙完全重叠；是则将活动时隙集合中的活动时隙作为无线传感器网络中的活动时隙，完成时隙调度；否则重新计算每个睡眠时隙的效用值。

可选地，在步骤5完成数据采集周期的设定后，还包括：

步骤6：按照预设的数据采集周期采集数据；

无线接收当前时间信息以及指定的数据发送时隙，所述数据发送时隙为预设的数据发送周期内的具体时间段；

根据所述当前时间信息更新本地时间，并在所述指定的数据发送时隙内发送所采集的数据。

可选地，在本次数据采集或发送后即本次数据采集或发送以及下一次数据采集或发送之间，触发所述无线传感器进入睡眠状态；

根据本次睡眠结束时无线接收的时间信息以及本次睡眠开始时无线接收的时间信息，生成本次睡眠的实际时隙；

根据本次睡眠的实际时隙以及本次睡眠的预设时隙来生成下一次睡眠的预设时隙。

可选地，所述根据本次睡眠的实际时隙以及本次睡眠的预设时隙来生成下一次睡眠的预设时隙，具体包括：

如果本次睡眠的实际时隙大于本次睡眠的预设时隙，则减少下一次睡眠的预设时隙来调整下一次数据采集或数据发送的时间，以满足所述数据采集周期和数据发送周期的要求；

如果本次睡眠的实际时隙小于本次睡眠的预设时隙，则增加下一次睡眠的预设时隙来调整下一次数据采集或数据发送的时间，以满足所述数据采集周期和数据发送周期的要求。

可选地，在步骤5进行时隙调度前，还包括：

根据所述无线传感器的数据发送周期以及所述无线传感器所接入的无线传感器接入系统的容量，将所述数据发送周期划分为与所述系统的容量对应的多个数据发送时隙；

将所述数据发送时隙分别分配给每个无线传感器。

本发明还提供一种利用上述任一所述微功率无线传感器接入方法的微功率无线传感器接入系统，包括无线传感器网络模块、路由拓扑图模块、链路干扰图模块、第一时隙调度模块、第二时隙调度模块；

无线传感器网络模块，用于设置与无线传感器接入装置直接通信的无线传感器节点，组成无线传感器网络；并根据无线传感器节点的几何位置和通信半径，构造无线传感器网络对应的网络通信图；

路由拓扑图模块，用于从预设目标节点出发，在所述网络通信图上搜索获取所述无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离；并依据所述跳数距离构造半结构化的路由拓扑图；

链路干扰图模块，用于根据半结构化的路由拓扑图中的链路相互之间的主干扰和次干扰关系，构造链路干扰图；

第一时隙调度模块，用于基于预设权重选择链路和时隙分配算法进行时隙调度，并在每一个时隙调度中对所述无线传感器网络中待传输的无线传感器节点，按照其缓存中的数据包个数大小进行排序；

第二时隙调度模块，根据所述链路干扰图，判断所述无线传感器节点的每条候选传输链路是否在当前时隙调度，若传输链路在当前时隙调度，则依次检查已排好序的待传输的无线传感器节点；若所有候选链路均不在当前时隙调度，则等待下一个时隙调度。

可选地，在链路干扰图模块中，所述主干扰是指在半双工收发器的限制下具有重合节点的两条链路不能同时调度；所述次干扰是指当一条链路的接收节点在另一条链路的发送节点的干扰范围之内时，这两条链路不能同时调度。

可选地，所述微功率无线传感器接入系统还包括数据采集和发送模块；所述数据采集和发送模块无线接收当前时间信息以及指定的数据发送时隙，根据所述当前时间信息更新本地时间，并在所述指定的数据发送时隙内发送所采集的数据。

如上所述，本申请提供一种微功率无线传感器接入方法及系统，具有以下有益效果：

本发明针对无线传感器业务特点，研究出一种微功率和低功耗无线传感器接入方式；通过设置与无线传感器接入装置直接通信的无线传感器节点；并根据无线传感器节点的几何位置和通信半径，构造无线传感器网络对应的通信图；从预设目标节点出发，在网络通信图上执行宽度优先搜索，获取无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离；并依据跳数距离，构造半结构化的路由拓扑图；根据半结构化路由拓扑图中的链路相互之间的主干扰和次干扰关系，构造链路干扰图；基于预设权重选择链路和对隙分配算法，并在每一个时隙调度中对无线传感器网络中待传输的无线传感器节点，按照其缓存中的数据包个数大小进行排序；依次检查已排好序的待传输的无线传感器节点；并根据链路干扰图，判断无线传感器节点的每条候选传输链路是否在当前时隙调度；若所有候选链路均不在当前时隙调度，则等待下一个时隙调度。而且本发明基于时隙调度机制设计无线传感器接入系统，可以实现无线传感器通信功耗峰值不大于10mW。

附图说明

图1为一实施例提供的微功率无线传感器接入方法的工作流程示意图；

图2为一实施例提供的无线传感器网络对应的通信图；

图3由图2所示的通信图构造而得的半结构化路由拓扑图；

图4由图3所示的半结构路由拓扑图构造而得的链路干扰图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种微功率无线传感器接入系统，包括有：

步骤S1：设置与无线传感器接入装置直接通信的无线传感器节点，组成无线传感器网络；并根据无线传感器节点的几何位置和通信半径，构造无线传感器网络对应的网络通信图；

步骤S2：从预设目标节点出发，在所述网络通信图上搜索获取所述无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离；并依据所述跳数距离构造半结构化的路由拓扑图；

步骤S3：根据半结构化的路由拓扑图中的链路相互之间的主干扰和次干扰关系，构造链路干扰图；其中，所述主干扰是指在半双工收发器的限制下具有重合节点的两条链路不能同时调度；所述次干扰是指当一条链路的接收节点在另一条链路的发送节点的干扰范围之内时，这两条链路不能同时调度；

步骤S4：基于预设权重选择链路和时隙分配算法进行时隙调度，并在每一个时隙调度中对所述无线传感器网络中待传输的无线传感器节点，按照其缓存中的数据包个数大小进行排序；

步骤S5：根据所述链路干扰图，判断所述无线传感器节点的每条候选传输链路是否在当前时隙调度，若传输链路在当前时隙调度，则依次检查已排好序的待传输的无线传感器节点；若所有候选链路均不在当前时隙调度，则等待下一个时隙调度。

本发明基于跨层设计思想对路由和调度进行联合设计，通过充分利用路径的冗余性来增强调度的时隙利用率，从而降低数据收集的时延，提高网络的吞吐量。本发明适用于对实时性有要求较高的无线传感器网络应用。而且本发明基于时隙调度机制设计无线传感器接入系统，可以实现无线传感器通信功耗峰值不大于10mW。

根据上述记载，在步骤S1中，当两个无线传感器节点之间的距离小于或等于通信半径时，该两个节点之间存在一条通信链路；在步骤S2中，在所述网络通信图中，采用宽度优先搜索获取所述无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离。

在一示例性实施例中，还包括：定义链路权重干扰因子；计算当前时隙调度中链路的权重，并作为预设权重；且对每个待传输的无线传感器节点，从其候选链路中选择权重最小的链路作为实际的传输路径，合并至当前时隙调度；

迭代进行时隙调度，直到无线传感器网络中的所有无线传感器节点都已完成传输任务；并调度没有数据收发任务的节点进入睡眠状态；同时根据应用设备的生命周期需求，设定数据采集周期。

根据上述记载，网络通信图由节点间的几何位置和通信半径决定，两个节点之间的距离小于或等于通信半径时，意味着这两个节点间存在一条通信链路。图2已经给出该无线传感器网络的通信图，现在以图2为输入，构造半结构化的路由拓扑图。具体来说，从sink节点s出发，在图2所示的网络通信图(用符号G表示)上执行一次宽度优先搜索(BFS)，得到以s为中心的网络跳数半径RG＝3，和每个节点到s的跳数距离，即节点的层数。例如，可以得到1号节点的层数l1＝3，8号节点的层数l8＝1。然后，删除G中层数相同的节点之间的链路，并设定每个节点到s的传输路径为最短路径(shortest path)，即得到如图3所示的半结构化路由拓扑图。可以观察到，在图3中，每个节点可能拥有多个候选的中继节点。例如，1号节点有2号、3号这两个可能的下一跳中继节点，7号节点有4号、6号这两个可能的下一跳转发节点。

为了更好地对实际环境中的无线干扰进行建模，本发明既考虑主干扰，又考虑次干扰。在主干扰中，由于半双工收发器的限制，具有重合节点的两条链路不能同时调度。例如，链路(1，2)和(2，5)不能同时调度。在次干扰中，当一条链路的接收节点在另一条链路的发送节点的干扰范围之内时，这两条链路不能同时调度。例如，链路(1，2)和(3，5)不能同时调度。在本实施例中，考虑当干扰半径等于通信半径的情形。此时，图3对应的链路干扰图如图4所示。图3中的每条链路对应着图4中的每个顶点；图4中的两个顶点之间若存在边，则代表图3中对应的两条链路相互冲突，不能在同一时隙调度。具体来说，图4中顶点(1，2)和顶点(2，5)之间存在边，意味着节点1和节点2之间的链路与节点2和节点5之间的链路相互冲突。而冲突的原因在于，节点2不能同时与节点1和节点5进行通信，否则相应的传输会产生碰撞。因此，这两条链路必须在不同时隙调度。

在一示例性实施例中，在进行时隙调度时，还包括：记录无线传感器网络中一个数据采集周期的时隙的个数，所述时隙包括活动时隙和睡眠时隙，初始化活动时隙集合为空集；计算每个睡眠时隙的效用值；将效用值最大的睡眠时隙加入活动时隙集合；判断时隙每次偏移整数个时隙时是否至少有一个活动时隙完全重叠；是则将活动时隙集合中的时隙作为无线传感器网络中的活动时隙，完成时隙调度；否则重新计算每个睡眠时隙的效用值。本申请实施例基于贪心算法原理，通过定义每个睡眠时隙的效用，每次添加效用最大的时隙作为活动时隙。若已选的所有活动时隙满足对任意的时间偏移都存在活动时隙的重叠，该过程终止，此时已选的所有活动时隙即是该方法调度的活动时隙；否则重复计算效用的过程。本发明提供了在异步及给定时间(n个时隙)情况下，使用尽可能少的活动时隙来保证邻居发现的调度方法和装置，同时实现了异步、确定性和低功耗，从而实现无线传感器通信功耗峰值不大于10mW。

在一示例性实施例中，在完成数据采集周期的设定后，还包括：按照预设的数据采集周期采集数据；无线接收当前时间信息以及指定的数据发送时隙，所述数据发送时隙为预设的数据发送周期内的具体时间段；根据所述当前时间信息更新本地时间，并在所述指定的数据发送时隙内发送所采集的数据。具体地，在本次数据采集或发送以及下一次数据采集或发送之间，触发所述无线传感器进入睡眠状态；根据本次睡眠结束时无线接收的时间信息以及本次睡眠开始时无线接收的时间信息，生成本次睡眠的实际时隙；根据本次睡眠的实际时隙以及本次睡眠的预设时隙来生成下一次睡眠的预设时隙。其中，所述根据本次睡眠的实际时隙以及本次睡眠的预设时隙来生成下一次睡眠的预设时隙，具体包括：如果本次睡眠的实际时隙大于本次睡眠的预设时隙，则减少下一次睡眠的预设时隙来调整下一次数据采集或数据发送的时间，以满足所述数据采集周期和数据发送周期的要求；如果本次睡眠的实际时隙小于本次睡眠的预设时隙，则增加下一次睡眠的预设时隙来调整下一次数据采集或数据发送的时间，以满足所述数据采集周期和数据发送周期的要求。

在一示例性实施例中，所述依据所述跳数距离，构造半结构化的路由拓扑图的具体过程如下：以预设的目标节点为初始节点，根据所述跳数距离，将所述无线传感器网络中的所有无线传感器节点转换为网络拓扑；基于所述网络拓扑生成相应的路由图；将路由图的邻居节点作为父节点，构造半结构化的路由拓扑图。

在一示例性实施例中，在进行时隙调度前，还包括：根据所述无线传感器的数据发送周期以及所述无线传感器所接入的无线传感器系统的容量，将所述数据发送周期划分为与所述系统的容量对应的多个数据发送时隙；将所述数据发送时隙分别分配给每个无线传感器。

综上所述，本发明提供一种微功率无线传感器接入方法，针对无线传感器业务特点，研究出一种微功率和低功耗无线传感器接入方式；通过设置与无线传感器接入装置直接通信的无线传感器节点；并根据无线传感器节点的几何位置和通信半径，构造无线传感器网络对应的通信图；从预设目标节点出发，在网络通信图上执行宽度优先搜索，获取无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离；并依据跳数距离，构造半结构化的路由拓扑图；根据半结构化路由拓扑图中的链路相互之间的主干扰和次干扰关系，构造链路干扰图；基于预设权重选择链路和对隙分配算法，并在每一个时隙调度中对无线传感器网络中待传输的无线传感器节点，按照其缓存中的数据包个数大小进行排序；依次检查已排好序的待传输的无线传感器节点；并根据链路干扰图，判断无线传感器节点的每条候选传输链路是否在当前时隙调度；若所有候选链路均不在当前时隙调度，则等待下一个时隙调度。而且本发明基于时隙调度机制设计无线传感器接入系统，可以实现无线传感器通信功耗峰值不大于10mW。

本发明还提供一种微功率无线传感器接入系统，包括有：

无线传感器网络模块，用于设置与无线传感器接入装置直接通信的无线传感器节点，组成无线传感器网络；并根据无线传感器节点的几何位置和通信半径，构造无线传感器网络对应的网络通信图；

路由拓扑图模块，用于从预设目标节点出发，在所述网络通信图上搜索获取所述无线传感器网络中每个传感器节点到预设目标节点的跳数距离；并依据所述跳数距离构造半结构化的路由拓扑图；

链路干扰图模块，用于根据半结构化的路由拓扑图中的链路相互之间的主干扰和次干扰关系，构造链路干扰图；其中，所述主干扰是指在半双工收发器的限制下具有重合节点的两条链路不能同时调度；所述次干扰是指当一条链路的接收节点在另一条链路的发送节点的干扰范围之内时，这两条链路不能同时调度；

第一时隙调度模块，用于基于预设权重选择链路和时隙分配算法进行时隙调度，并在每一个时隙调度中对所述无线传感器网络中待传输的无线传感器节点，按照其缓存中的数据包个数大小进行排序；

第二时隙调度模块，根据所述链路干扰图，判断所述无线传感器节点的每条候选传输链路是否在当前时隙调度，若传输链路在当前时隙调度，则依次检查已排好序的待传输的无线传感器节点；若所有候选链路均不在当前时隙调度，则等待下一个时隙调度；

数据采集和发送模块；所述数据采集和发送模块无线接收当前时间信息以及指定的数据发送时隙，根据所述当前时间信息更新本地时间，并在所述指定的数据发送时隙内发送所采集的数据。

无线传感器接入系统执行上述无线传感器接入方法，其具体功能和技术效果参见上述方法，此处不再进行赘述。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。