本發(fā)明屬于冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于情景感知的冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載節(jié)點的能量管理方法。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通過無線網(wǎng)絡(luò)提供實時的物流信息變得日益強烈。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為目前國內(nèi)外研究的主要熱點之一，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著監(jiān)測環(huán)境的日益復雜多變，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個重要方面就是如何在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下解決能量受限節(jié)點的損耗問題。在冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，由于特殊條件的限制，冷藏車廂內(nèi)部的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點一般采用電池供電，且在使用過程中難以更換電池或者補充能量，這種能量受限的節(jié)點嚴重影響了整個監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命。因此，無線傳感器環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的低功耗設(shè)計尤為重要。

目前，在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量管理研究方面，大多數(shù)還停留在局部硬件電路設(shè)計和單一的路由等算法優(yōu)化上，如Prabu等人使用等級擴散算法和LZW壓縮技術(shù)增加了整個網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。中繼節(jié)點一般選擇可獲得較多能量的節(jié)點，通過壓縮原始數(shù)據(jù)來降低收發(fā)功率，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。這些方法中很少有從整個系統(tǒng)的角度來進行能量管理的設(shè)計優(yōu)化研究，雖然在一定程度上降低了節(jié)點的能耗，但這些工作仍然沒有找到一個更為合理有效的機制來進行能量優(yōu)化，且在一定程度上降低了服務(wù)質(zhì)量。

而對于情景感知的概念，最早是由Schilit 和Theimer于1994年提出。近年來，情景感知在家庭電力管理方面已經(jīng)有了較多的應(yīng)用研究，如Harris等人基于貝葉斯網(wǎng)路和多模態(tài)傳感器進行用戶行為預測，提出基于用戶行為的情景感知電力管理系統(tǒng)。此外，情景感知還應(yīng)用于移動設(shè)備，如Herrmann等人提出使用情景知識動態(tài)適應(yīng)智能手機的傳感應(yīng)用行為，系統(tǒng)中的情景感知應(yīng)用管理可根據(jù)當前用戶情景開始、暫停和改變傳感器應(yīng)用的采樣率，改善智能手機上的感知應(yīng)用的能源效率。但目前在冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載節(jié)點的能量管理方面還未有應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量受限節(jié)點生存周期短的問題，提供基于情景感知的冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載節(jié)點的能量管理方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：基于情景感知的冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載節(jié)點的能量管理方法，包括以下步驟：

(1)冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載監(jiān)控終端將采集到的各種情景信息，包括物理情景信息、終端用戶操作信息和后臺管理操作信息，經(jīng)過預處理之后發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)對上述相關(guān)信息進行處理，判斷用戶當前的業(yè)務(wù)情景，根據(jù)已建立的情景能量管理模型，輸出具體的應(yīng)用策略，如表1所示；

表1 情景感知能量管理策略

表中，t_i為節(jié)點溫度傳感器采樣時間間隔，n_i是節(jié)點采樣數(shù)據(jù)的次數(shù)。

(3)冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載監(jiān)控終端收到來自無聯(lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)的指令后，通過更改t_i、n_i等相關(guān)參數(shù)，智能地改變節(jié)點活動狀態(tài)、采樣間隔、射頻通信時間間隔等，再通過無線方式發(fā)送指令到車載節(jié)點。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明公開的基于情景感知的能量管理方法，用于冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載系統(tǒng)中，根據(jù)不同的情境模式，采取不同的環(huán)境采集和通信策略，在保證服務(wù)質(zhì)量的同時，能合理分配物聯(lián)網(wǎng)車載節(jié)點的工作時間，有效降低車載節(jié)點的能耗，很好的解決了車載節(jié)點使用周期短的缺陷，延長了整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于情景感知的冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載節(jié)點的能量管理方法的工作流程圖。

圖2為本發(fā)明基于情景感知的冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載系統(tǒng)組成圖。

具體實施方法

下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。

基于情景感知的冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載系統(tǒng)組成圖，如圖2所示，冷鏈物流車載節(jié)點1、2、3、4用于采集車廂內(nèi)部的溫度等環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ艆R聚節(jié)點。匯聚節(jié)點匯總采集到的數(shù)據(jù)，通過射頻通信發(fā)送到車載監(jiān)控終端。車載監(jiān)控終端對數(shù)據(jù)進行初步處理，然后連同車載監(jiān)控終端本身采集的時間、速度等信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)。用戶通過操作，確認貨物的發(fā)送、接收等，這些終端用戶操作信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳至物聯(lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)。

基于情景感知的冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載節(jié)點的能量管理方法的工作流程圖，如圖1所示，物聯(lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)對上述相關(guān)信息，即采集到的物理情景信息、終端用戶操作信息和后臺管理操作信息，進行分類處理后，判斷用戶當前的業(yè)務(wù)情景，根據(jù)已建立的情景能量管理模型，輸出具體的應(yīng)用策略，即能量管理策略。如表1所示。通過物聯(lián)網(wǎng)后臺系統(tǒng)自動更改t_i、n_i等相關(guān)參數(shù)，智能地改變節(jié)點活動狀態(tài)、采樣間隔、射頻通信時間間隔等。然后通過無線方式發(fā)送相關(guān)參數(shù)信息到車載節(jié)點。車載節(jié)點根據(jù)所設(shè)定的采樣間隔t_i，在每次采集數(shù)據(jù)之后進入休眠狀態(tài)，直到下一次采集時間到，車載節(jié)點自動被喚醒，進行新一輪的數(shù)據(jù)采集。在n_i次數(shù)據(jù)采集完成后，對數(shù)據(jù)進行簡單處理，再通過射頻通信發(fā)送數(shù)據(jù)。若采集數(shù)據(jù)未到n_i次，則無需射頻通信，進入休眠狀態(tài)。周而復始，直到判定的情景為空車返回或閑置時，車載節(jié)點不再工作。從而能夠使基于情景感知的能量管理方法在冷鏈物流物聯(lián)網(wǎng)車載系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。

下面以一具體應(yīng)用實例對本發(fā)明的基于情景感知的能量管理方法進行詳細說明。實施例對兩個采樣節(jié)點的能耗進行對比測試，A節(jié)點采用情景感知能耗管理策略，根據(jù)情景信息改變休眠時間、采集頻率等。B節(jié)點采用固定頻率進行信息采集，以固定的時間周期進行開啟數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送、休眠等。

B節(jié)點以6分鐘為周期采集溫度，并且每次采集完成立即開啟射頻模塊上傳數(shù)據(jù)。A節(jié)點通過射頻接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)來的指令，智能地改變溫度采集和數(shù)據(jù)上傳的頻率，即改變表1中t_i和n_i的值。表2列出了A節(jié)點基于情景感知的各個時段的能量管理策略。

表2 A節(jié)點各時段功耗優(yōu)化策略

同時，對各個運輸時段的時間設(shè)定如下：

(1)單次冷鏈運輸時間限制為5~30，單位為小時。

(2)裝貨、卸貨的時間限制為10~30，單位為分鐘。

(3)如果總運輸時長小于8小時，中途不休息。若大于8小時，中途休息的時間占總運輸時長的比例范圍限制為3%~5%。中途休息開始時間為總時長的中間點。

節(jié)點的工作狀態(tài)可描述為一個有序的狀態(tài)序列，如[狀態(tài)S₁→狀態(tài)S₂→狀態(tài)S₃→狀態(tài)S₄→……→狀態(tài)S_n]，這些工作狀態(tài)是不間斷循環(huán)的。設(shè)每種狀態(tài)對應(yīng)的功耗分別為P₁、P₂……P_n，每種狀態(tài)的工作時間分別為T₁、T₂……T_n。則一段時間內(nèi)節(jié)點的能耗可用以下公式計算：

（公式1）

將采集節(jié)點工作電壓為3.3伏特，無線發(fā)送頻率選擇2.454兆赫茲，射頻輸出功率為1分貝毫瓦。分別對實驗節(jié)點在不同工作狀態(tài)下的電流進行測量，測試結(jié)果如表3所示。

表3 節(jié)點不同狀態(tài)的測量參數(shù)

實驗根據(jù)多次完整的裝車、運輸、中途休息、卸貨的物流運輸過程，測試兩種節(jié)點的能量消耗情況。節(jié)能能耗可用下式計算：

（公式2）

式中，E₁、E₂、E₃、E₄分別表示裝貨、運輸、休息、卸貨階段的能耗。

實驗中記錄的6組數(shù)據(jù)如表4所示。節(jié)點一次數(shù)據(jù)采集需要2秒，一次射頻接收和發(fā)送均需30毫秒。為了節(jié)能，節(jié)點在沒有數(shù)據(jù)采集和射頻收發(fā)任務(wù)時，立即進入休眠狀態(tài)。結(jié)合公式1和公式2，分別計算得出A、B兩節(jié)點功耗。

表4 隨機生成的運輸任務(wù)各時間段分布

對于6組實驗結(jié)果的能耗分析，如表5所示。通過分析對比看出，6組實驗中，采用情景感知策略的節(jié)點比普通節(jié)點平均降低了21.25%的能耗。

表5 所有6組實驗結(jié)果對比分析

此實驗結(jié)果達到了預期的效果，驗證基于情景感知的能量管理方法能夠更有效的降低功耗，延長能量受限節(jié)點的壽命。并且，隨著運輸距離（或時間）的增加，使用情景感知策略進行能量管理的節(jié)點在低功耗上的優(yōu)勢會更加明顯。