一种工业物联网低功耗通信装置及系统

技术领域

本发明涉及工业物联网领域，特别涉及一种工业物联网低功耗通信装置及系统。

背景技术

随着信息化与工业化技术深度融合，实现产品全生命周期管理的智能制造技术，是下一代制造业发展的重要方向。无线传感器具有部署灵活、部署成本较低、能够较方便的感知环境和监测信息等特点，被广泛工业物联网领域接受和应用。由于存在工业环境强干扰性以及数据感知的实时性等需求，传统无线传感器网络的路由机制无法满足工业应用对于数据传输的实时性、可靠性以及节能性的要求，设计满足工业物联网要求的低功耗通信协议，已成为工业物联网领域研究的热点问题。

一般的物联网通信协议主要分为平面型协议和层次型，平面型通信协议自组织算法大多比较复杂，及对于网络拓扑结构动态变化反应比较慢等而不适合在大规模的网络中使用；层次型协议的扩展性好，适合大规模网络，但是簇首的选举方法对整个网络的寿命起关键性作用，直接影响整个网络的存活时间。

发明内容

针对工业物联网底层多采用传感器采集数据，而传感器采用电池供电，能量十分有限，以及由于常用通信协议的缺点和不足会加快节点的死亡的问题。为了解决上述问题，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，由于协议在进行簇头选举时没有考虑节点剩余能量问题，这会导致如果节点能量在很少的情况下被选举为簇头，会加快节点死亡，导致网络瘫痪。基于上述问题，设定若剩余能量少于初始能量的1/n时，就不再被选为簇首。针对该协议的通信方式采用单跳的方式进行，可能会增加节点的能量消耗，这里采用单跳和多跳相结合的方式，即采用最短距离的概念进行改进设计。有效提高了传感器节点能量的有效利用率。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种工业物联网低功耗通信装置及系统，包括：

低功耗通信装置，用于通过传感器采集生产线设备状态数据并通过选择传感器节点耗能最小的路径对生产线设备状态数据进行处理，并将处理后的生产线设备状态数据发送给数据获取与处理装置；

数据获取与处理装置，用于完成生产线设备状态数据的订阅与接收，储存并发送给信息显示装置；

信息显示装置，用于去除生产线设备状态数据中的冗余数据，并显示去冗余后的生产线设备状态数据的变化曲线，给出生产线设备的健康状态结果。

所述低功耗通信装置，包括：

能量供应子单元，用于为传感器子单元提供能量；

传感器子单元，用于生产线设备状态数据的感知和采集；

数据传输子单元，用于根据生产线设备状态数据确定传感器节点被选为簇首节点的条件，以增加传感器节点的存活时间；

数据通信子单元，用于根据生产线设备状态数据以及簇首节点确定簇首节点和基站间的通信方式即路径；

数据处理子单元，用于在数据通信子单元确定的路径下，进行簇内节点的生产线设备状态数据融合以及簇间的生产线设备状态数据融合；

数据存储子单元，用于存储数据处理子单元处理后的生产线设备状态数据并发送给数据获取与处理装置。

所述选择簇首节点的条件为：若节点剩余能量少于节点初始能量的1/n时，就不再被选为簇首节点,通过测试，找到在一定时间和周期内，传感器节点存活量最多的n值,使能量的利用率最高。

所述簇首节点和基站间的通信方式的确定方法为：

将设定的汇聚节点向网络中广播，并将自己的初始值设置为0，所有的簇首节点的初始值设为∞，簇首节点S

本发明具有以下有益效果及优点：

1.低能耗，通过对传感器簇头节点的选举策略以及簇头和基站通信方式问题进行改进，低功耗通信协议在节点的生存时间、能耗等方面都有了明显的提高。

2.低带宽，对工业物联网中传感器节点数据处理中，对数据进行融合，减小了数据冗余，降低通信带宽。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明低功耗通信装置图；

图3为簇首在网络中的分布示意图；

图4为各簇首通往汇聚节点的最小跳数示意图；

图5为数据通信子单元设计流程图；

图6为网络生存时间对比图；

图7为剩余总能量对比图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供了一种工业物联网低功耗通信装置，具体包括以下子单元：传感器子单元、数据传输子单元、数据通信子单元、数据处理子单元、能量供应子单元、数据存储子单元。其中，所述传感器子单元，用于数据的感知和数据的采集。以获得所监测区域的数据；所述数据传输子单元，用于确定节点被选为簇首的条件，以增加节点的存活时间；所述数据通信子单元，用于确定簇首节点和基站间的通信方式；所述数据处理子单元，用于簇内节点的数据融合以及簇间的信息融合；所述能量供应子单元，用于为整个系统提供能量保障，负责系统能量的供应；所述数据存储子单元，用于存储传感器采集到的数据。

所述对簇首的选举，具体为：设定若节点剩余能量少于节点初始能量的1/n时，就不再被选为簇首。通过几轮测试，找到最优的n值,可以使能量的利用率最高。

所述传感器节点通信方式的选择，具体为：根据簇头离基站的距离，采用Dijkstra算法进行路径选择，减少通信过程中能量损耗。在簇头节点选取路径时，主要完成以下步骤：汇聚节点向网络中广播“hi”，并将自己的初始值设置为0，其他簇首节点的初始值设为∞。簇头S

本发明提供的一种工业物联网低功耗通信系统。还包括：

数据获取与处理装置，完成生产线设备状态数据的订阅与接收，并将接收到的数据存到实时数据库中。

信息显示装置，用于去除冗余数据，并显示传感器采集并经过处理的数据的实时状态变化曲线情况并给出目标设备健康状态结果。

所述数据获取与处理装置可以通过无线网远程获得低功耗通信装置采集的数据。

所述信息显示装置可以通过从数据传输装置生成的实时数据库显示数据的变化状态。

本实施例中工业物联网低功耗通信系统用于对智能生产线设备的低功耗控制。

图1是本发明工业物联网低功耗通信系统结构图，主要由低功耗通信装置、数据获取与处理装置、信息显示装置组成。

其中低功耗通信装置主要对传感器采集数据时能耗问题进行处理，本实施例中采用的都是无线传感器，同时，采集的数据需要存放至本地数据库中。

如图2所示，工业物联网低功耗通信装置主要包括传感器子单元、数据传输子单元、数据通信子单元、数据处理子单元、能量供应子单元、数据存储子单元。

传感器子单元用于数据的感知和数据的采集。

数据传输子单元主要用于确定节点被选为簇首的条件，以增加节点的存活时间。由于运行次数的增加，节点会逐渐的死亡，这会使节点成为簇首时的概率发生改变，于是将其概率定义为：

其中，N表示总节点数，r表示周期数，Dead(r+1)表示经过r轮后死亡的节点数，p表示节点成为簇首的初始概率。

由于一般的通信协议在进行簇头选举时没有考虑节点剩余能量问题，这会导致如果节点能量在很少的情况下被选举为簇头，会加快节点死亡，导致网络瘫痪。基于上述问题，设定若剩余能量少于初始能量的1/n时，就不再被选为簇首，即

其中，E0表示节点初始能量，S(i).E表示该节点的剩余能量。

通过几轮系统测试，找到最优的n值，即为节点被选为簇首的条件。

数据通信子单元主要用于解决簇头和基站通信方式问题。本发明在簇首间采用最短路径的通信方式，即采用Dijkstra算法。传感器分布图示意图如下图3所示，一个汇聚节点(sink节点)和7个簇头节点。图中的直线表示相邻两个簇头节点之间可以相互连通，节点旁边的数字表示簇头节点到汇聚节点的最小跳数，在初始状态，汇聚节点的跳数为0，位于簇头节点的跳数都是为∞。具体方法如下所示，根据Dijkstra算法原理，求出图3中各簇首到基站的最短路径，形成的各簇首通往基站的最小跳数如图4所示，算法实现的流程图如图5所示；图5的左半部分首先初始化各变量，再计算簇头到基站的的距离，最后选出离基站最近的簇首，其中temp_B表示簇头到基站的距离，cluster表示簇头的数量，min_dis_B表示该节点离基站的最短距离，K表示离基站最近的簇头，f表示循环的次数，m表示第m个簇头节点；右半部分首先计算簇头K到其他簇首的距离，最终选出其他簇首到这个已选簇首的最短距离，其中index表示第index簇头节点，temp_D代表已选的簇头到其他簇头的距离，min_dis_D代表该簇头与其他簇头的最短距离。

如图6和图7是为本发明装置在实施例上的效果图；其中，如图6所示，原通信协议的第一个节点的死亡时间大约是在第30轮，而低功耗通信协议是发生在大约第60轮的时候，所以从这个方面可以看出改进后低功耗通信协议可以显著提高传感器节点的生存时间。

如图7所示，从图中可以明显的看出，低功耗通信协议中节点的能量消耗比原通信协议能量的消耗缓慢。当节点的剩余能量为0.3J时，从下图可以看出，原通信协议的周期数约为30轮，低功耗通信协议的周期数为45轮左右，相比之下，改进后的低功耗通信协议的优势很明显。

数据处理子单元用于簇内节点的数据融合以及簇间的信息融合，减少冗余信息，减少通信带宽。

能量供应子单元用于整个装置能量的供应，为整个系统提供能量保障。

数据存储子单元用于存储传感器采集的数据信息，放至本地数据处理，供数据获取与处理装置使用。并将经过数据获取与处理装置的数据传送到信息显示装置中。