專利名稱：一種分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及工業(yè)無線通信中的節(jié)點(diǎn)節(jié)能技 術(shù)，用于降低工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。
技術(shù)背景工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是無線通訊技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，電池供電是無線 通信節(jié)點(diǎn)供電的一種常用方式，但電池能量有限，如果不能解決好節(jié)點(diǎn)的能 量消耗問題，就會影響無線網(wǎng)絡(luò)的生存周期，特別是在工業(yè)現(xiàn)場條件惡劣的 情況下，電池的更換非常困難，網(wǎng)絡(luò)的生存周期變的更加重要。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存周期的方法有很多種，如文獻(xiàn)Fan Ye， Gary Zhong， Songwu Ui, Lixia Zhang "PEAS: A Robust Energy Conserving Protocol for Long—lived Sensor Networks" Proceedings of the 10th IEEE International Conference on Network Protocols 2002.提 出在網(wǎng)絡(luò)中采用部分節(jié)點(diǎn)休眠，另一部分工作的方式，通過增加休眠節(jié)點(diǎn)的 比率和增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度兩種方式延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，但是這種方式 在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中并不適用，其原因在于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表一 個(gè)特定現(xiàn)場設(shè)備，具有其他節(jié)點(diǎn)不可替代的特性，因此在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中延 長網(wǎng)絡(luò)生存周期主要通過單個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。長期以來，對于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能問題，主要是采用節(jié)點(diǎn)休眠，數(shù)據(jù)壓縮 等方式單獨(dú)實(shí)現(xiàn)的。如文獻(xiàn)Ren C. Luo Fellow, IEEE, Liang Chao Tu, Ogst Chen "An Efficient Dynamic Power Management Policy on Sensor Network" Proceedings of the 19th International Conference on AdvancedInformation Networking and Applications (A皿，05)1550 445X 2005 IEEE.采用節(jié)點(diǎn)休眠進(jìn)行節(jié)能，提出了5種休眠模式，但其對于射頻部分休眠 而其它部分工作的模式則沒有提及，由于其在數(shù)據(jù)采集、存儲、參數(shù)計(jì)算階 段沒有進(jìn)行射頻的休眠，從而影響了節(jié)能效果。現(xiàn)有技術(shù)中提出的節(jié)能技術(shù)，都是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的技術(shù)，對于工 業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，還沒有這方面的應(yīng)用，另外，上述的技術(shù)都是單獨(dú)的方式實(shí)現(xiàn) 的節(jié)能，對于如何采用一種綜合的，各種技術(shù)相結(jié)合的節(jié)能方式，以及相應(yīng) 的能量管理機(jī)制，還沒有一個(gè)完整的方案。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，根據(jù)工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了一套完整的節(jié)能方案在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中，將所有設(shè)備分為節(jié)點(diǎn)設(shè)備(ND)、 能量管理器和網(wǎng)關(guān)(GW)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；能量管理器負(fù)責(zé) 數(shù)據(jù)的收集轉(zhuǎn)發(fā)以及對節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行能耗管理；網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)與用戶的 通信，傳遞監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和能量管理數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用分布式的節(jié)能管理方案，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置多個(gè)能量管理器，每 個(gè)能量管理器分別管理各自的多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)能量管理主要是由節(jié)點(diǎn) 設(shè)備內(nèi)的能量管理進(jìn)程(EMAP)和能量管理器共同完成的，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中， 能量管理進(jìn)程接受能量管理器的管理，能量管理器可以設(shè)置各種配置參數(shù)和 狀態(tài)參數(shù)(如數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙、發(fā)送狀態(tài)是壓縮發(fā)送還是長數(shù)據(jù)幀發(fā)送)；在單 個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，采用深度休眠、射頻休眠和動態(tài)數(shù)據(jù)緩存，有選擇性的進(jìn)行 數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送或長數(shù)據(jù)幀發(fā)送，并通過本地能量管理進(jìn)程(EMAP)進(jìn)行各種 節(jié)能參數(shù)(如深度休眠時(shí)隙，數(shù)據(jù)緩存時(shí)隙)的動態(tài)設(shè)置。能量管理器的EEMAP 除了負(fù)責(zé)對其子節(jié)點(diǎn)發(fā)送管理信息，更新能量管理參數(shù)，開關(guān)子節(jié)點(diǎn)的能量管理進(jìn)程等功能外，還要轉(zhuǎn)發(fā)來自網(wǎng)關(guān)設(shè)備的管理信息到節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用 戶對節(jié)點(diǎn)能量管理參數(shù)的設(shè)置，以及對節(jié)點(diǎn)能量管理進(jìn)程的開關(guān)等。能量管理器通過本地能量管理進(jìn)程設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備的初始采集時(shí) 隙、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙、方差調(diào)時(shí)系數(shù)^,、歷史調(diào)時(shí)系數(shù)^等，節(jié)點(diǎn)設(shè)備自適應(yīng)調(diào)整喚醒時(shí)隙L、休眠時(shí)隙j;,，實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)的能量管理。休眠時(shí)隙L包括 深度休眠時(shí)隙4,和射頻休眠時(shí)隙7;,，節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的能量管理進(jìn)程根據(jù)方差調(diào)時(shí)系數(shù) 、歷史調(diào)時(shí)系數(shù)A調(diào)用公式7;=^(、+ & *M，自動調(diào)節(jié)確定休眠時(shí)隙j;,，依據(jù)數(shù)據(jù)采集、存儲、計(jì)算所需時(shí)間確定射頻休眠時(shí) 隙L，依據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送以及監(jiān)聽能量管理器命令的時(shí)間確定喚醒時(shí)隙z;,.，長數(shù) 據(jù)幀發(fā)送狀態(tài)和數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送狀態(tài)。其中，長數(shù)據(jù)幀發(fā)送不改變幀頭，通過增加每一幀的數(shù)據(jù)部分，在一幀 數(shù)據(jù)中裝載多次采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)特征向量實(shí)施數(shù)據(jù)壓縮。在射頻休眠 時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)采集的數(shù)據(jù)隊(duì)列分析數(shù)據(jù)變化情況，并調(diào)整深度休眠時(shí) 隙乙,，根據(jù)數(shù)據(jù)隊(duì)列中集合的方差^,值的變化分析數(shù)據(jù)變化情況。在節(jié)點(diǎn)設(shè)備對被監(jiān)測數(shù)據(jù)(如流量，溫度，壓力，轉(zhuǎn)速等)的采集、存 儲、分析過程中，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的射頻模塊啟動休眠機(jī)制，從而節(jié)省了能耗；當(dāng) 被監(jiān)測數(shù)據(jù)波動較小的情況下，節(jié)點(diǎn)設(shè)備會自動增加自身休眠時(shí)間，而不改 變喚醒時(shí)間，從而增加了節(jié)點(diǎn)設(shè)備節(jié)能狀態(tài)在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)所占的比例，達(dá)到了節(jié)能狀態(tài)自動優(yōu)化的目的；同時(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備按照能量管理器要求的數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列深度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存發(fā)送，對多次監(jiān)測的數(shù)據(jù)一次就發(fā)送出去，從而也節(jié)省了能耗；在被監(jiān)測數(shù)據(jù)值較大的情況下，還可以根據(jù)能量管理器 的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送，減少了數(shù)據(jù)幀的長度，從而進(jìn)一步減少了能耗。采用本發(fā)明的分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，通過能量管理器對 單個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能控制實(shí)現(xiàn)在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，自適應(yīng)調(diào)整 節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間和增加無線報(bào)文的信息量，能夠降低工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié) 點(diǎn)的能耗，從而最大限度的減少通信能耗。


圖1分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框2網(wǎng)絡(luò)節(jié)能處理流程圖 圖3時(shí)隙分配圖 圖4數(shù)據(jù)壓縮流程圖 圖5壓縮數(shù)據(jù)幀格式 圖6隨機(jī)信號壓縮率示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明在滿足工業(yè)現(xiàn)場所要求的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性和及時(shí)性要求的前 提下，自適應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間和增加無線報(bào)文的信息量，最大限度的減 少通信能耗，同時(shí)為工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)提供方便的節(jié)能管理。如圖1所示為分布式自適應(yīng)工業(yè)無線節(jié)能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖。 在節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部，用戶應(yīng)用進(jìn)程(UAP)完成數(shù)據(jù)的傳輸、處理和利用， 節(jié)點(diǎn)設(shè)備的本地能量管理進(jìn)程(EMAP)負(fù)責(zé)本地的能量管理以及與能量管理 器中加強(qiáng)型能量管理進(jìn)程(EEMAP)間的通信，接收能量管理信息實(shí)現(xiàn)對本地 能量的管理。能量管理器的EEMAP除了負(fù)責(zé)對其子節(jié)點(diǎn)發(fā)送管理信息，更新 能量管理參數(shù)，開關(guān)子節(jié)點(diǎn)的能量管理進(jìn)程等功能外，還要轉(zhuǎn)發(fā)來自網(wǎng)關(guān)設(shè) 備的管理信息到節(jié)點(diǎn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)用戶對節(jié)點(diǎn)能量管理參數(shù)的設(shè)置，以及對節(jié)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置多個(gè)能量管理器，每個(gè)能量管理器管理多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備；能 量管理器通過本地能量管理進(jìn)程設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備的初始采集時(shí)隙、數(shù)據(jù) 發(fā)送時(shí)隙、方差調(diào)時(shí)系數(shù)^,、歷史調(diào)時(shí)系數(shù)&等參數(shù)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集發(fā)送情況調(diào)整并重新設(shè)定節(jié)點(diǎn)設(shè)備的采集時(shí)隙、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙等參數(shù);節(jié)點(diǎn)設(shè)備自適應(yīng)調(diào)整喚醒時(shí)隙 ;,、休眠時(shí)隙 ;,，實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)的能量管理。 休眠時(shí)隙7;包括深度休眠時(shí)隙7^和射頻休眠時(shí)隙7;,，節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的節(jié)能管理進(jìn)程根據(jù)方差調(diào)時(shí)系數(shù)、歷史調(diào)時(shí)系數(shù)A調(diào)用公式7>乙(、+^*(|,)+^^,，自動調(diào)節(jié)確定休眠時(shí)隙 ；，依據(jù)數(shù)據(jù)采集、存儲、計(jì)算的時(shí)間確定射頻休眠時(shí)隙z;,，依據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送以及監(jiān)聽能量管理器命 令的時(shí)間確定喚醒時(shí)隙L 。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能管理由現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的能量管理進(jìn)程(EMAP)與能量管理器共同協(xié)調(diào)完成。具體實(shí)施步驟如下(1) 發(fā)出啟動命令步驟，能量管理器發(fā)出啟動命令并向節(jié)點(diǎn)設(shè)備傳遞節(jié)能管理相關(guān)的參數(shù)(包括如射頻休眠狀態(tài)時(shí)隙i;,.，深度休眠狀態(tài)時(shí)隙r&， 喚醒狀態(tài)時(shí)隙4，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間j;，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系數(shù)、，方差調(diào)時(shí)系數(shù)^,，歷史調(diào)時(shí)系數(shù)&，最大統(tǒng)計(jì)次數(shù)/_，方差限定值L，立即發(fā)送標(biāo)志I，立即發(fā)送序號D，壓縮發(fā)送標(biāo)志C，應(yīng)用關(guān)系ID，啟動算法最小數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)Z)A^統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)w,等)。(2) 啟動能量管理進(jìn)程步驟，節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收到能量管理器發(fā)出的啟動命令，啟動能量管理進(jìn)程并初始化上述相應(yīng)參數(shù)。(3) 運(yùn)行能量管理進(jìn)程步驟，節(jié)點(diǎn)設(shè)備以帶有能量管理的模式來發(fā)送現(xiàn)場被監(jiān)測的數(shù)據(jù)。根據(jù)能量管理器發(fā)送的參數(shù)調(diào)節(jié)本地的節(jié)能參數(shù)(主要是深度休眠狀態(tài)時(shí)隙4,)，自主實(shí)現(xiàn)本地節(jié)點(diǎn)的能量管理。以帶有能量管理的模式發(fā)送數(shù)據(jù)的控制處理過程如圖2所示。a) 節(jié)點(diǎn)設(shè)備啟動能量管理進(jìn)程，并初始化相關(guān)參數(shù)，之后立刻進(jìn)入深度 休眠狀態(tài)(CPU，采集模塊，存儲器，射頻模塊全部進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有內(nèi)部 休眠定時(shí)器處于工作狀態(tài))，經(jīng)過深度休眠時(shí)隙7^,時(shí)間后，休眠定時(shí)器通過內(nèi) 部中斷方式將節(jié)點(diǎn)設(shè)備喚醒，節(jié)點(diǎn)設(shè)備從深度休眠狀態(tài)進(jìn)入射頻休眠狀態(tài)(只 有射頻模塊休眠，其他部分己被喚醒)，在射頻休眠狀態(tài)，采集模塊采集如流 量，溫度，壓力，轉(zhuǎn)速等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。b) 在射頻休眠狀態(tài)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)采集的數(shù)據(jù)隊(duì)列分析數(shù)據(jù)變化情 況，并調(diào)整深度休眠時(shí)隙乙,。節(jié)點(diǎn)設(shè)備判斷本地采集模塊采集的數(shù)據(jù)隊(duì)列是 否大于啟動算法的最小數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)i)A^ ，以便能對被監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況做出準(zhǔn)確分析；如果數(shù)據(jù)隊(duì)列大于啟動算法的最小數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)則節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動調(diào)節(jié)本 地的深度休眠時(shí)隙4,，否則在射頻休眠時(shí)隙結(jié)束時(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備重復(fù)啟動能量管理進(jìn)程。對于被監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況的分析如下以下根據(jù)假設(shè)數(shù)據(jù)隊(duì)列中集合的方差^值的變化分析數(shù)據(jù)變化情況。假設(shè)數(shù)據(jù)隊(duì)列集合為本地隊(duì)列中當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)」。4…^…《-,和",個(gè)本 地隊(duì)列中上一次發(fā)送數(shù)據(jù)前采集的數(shù)據(jù)均值F1…巧。那么，集合中元素均值為巧+1=("/巧+|>》/(2*",) (1)集合中元素的方差為K+1 = ￡-巧+1 )2 /(2 、 ) + (巧-巧+1 )2 / 2 ( 2 )取上述集合分析數(shù)據(jù)變化情況的原則是把上次采集隊(duì)列中數(shù)據(jù)的均值考慮到本次變化中，又使上次采集的數(shù)據(jù)方差不對本次方差產(chǎn)生的影響。 節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動調(diào)節(jié)本地的深度休眠時(shí)隙7^,過程如下如圖3所示為時(shí)隙分配圖，總發(fā)送周期分為3個(gè)部分，深度休眠時(shí)隙， 射頻休眠時(shí)隙和喚醒狀態(tài)時(shí)隙，其中，深度休眠時(shí)隙和射頻休眠時(shí)隙組成休 眠時(shí)隙。射頻休眠時(shí)隙L依據(jù)數(shù)據(jù)采集、存儲、計(jì)算所需的時(shí)間設(shè)置，其值 稍大于采集模塊采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲、計(jì)算的時(shí)間；喚醒時(shí)隙7;,依據(jù)數(shù)據(jù)發(fā) 送以及監(jiān)聽能量管理器命令的時(shí)間確定，該時(shí)隙包含3個(gè)部分，依次是空 閑時(shí)隙、數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙、監(jiān)聽時(shí)隙，其值稍大于數(shù)據(jù)發(fā)送并監(jiān)聽能量管理器 命令的時(shí)間；為了避免多個(gè)時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)設(shè)備同時(shí)給父節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙前面加入一個(gè)隨機(jī)大小的空閑時(shí)隙，根據(jù)喚醒時(shí)隙z;,.以及產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)的函數(shù)Rand，調(diào)用下述公式計(jì)算空閑時(shí)隙 7^,=一(0~|) (3)一般是根據(jù)采集模塊的需求和現(xiàn)場的需要設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙和監(jiān)聽時(shí) 隙，并啟動能量管理進(jìn)程時(shí)進(jìn)行初始化設(shè)置的。深度休眠狀態(tài)時(shí)隙7^為一個(gè)動態(tài)變化的量，深度休眠狀態(tài)為最節(jié)能的狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)(如流量，溫度，壓力，轉(zhuǎn)速等)，節(jié)能管理 器對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定時(shí)(即集合中元素的方差需滿 足條件^^^m)，能量管理器通過增加7^.的值，從而提高了深度休眠狀態(tài)所 占比例，減少了能量損耗。休眠時(shí)隙7;,.包括深度休眠時(shí)隙7^和射頻休眠時(shí)隙 r ,，滿足如下關(guān)系式<formula>formula see original document page 10</formula>節(jié)能管理器根據(jù)方差調(diào)時(shí)系數(shù)/^、歷史調(diào)時(shí)系數(shù)A自動調(diào)節(jié)確定休眠時(shí)間z;,，休眠時(shí)間z;,的調(diào)整滿足以下公式-) ■ (5) 其中，7;,為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；、為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系數(shù)；^,為方差調(diào)時(shí)系數(shù)(用來調(diào)整方差對休眠周期的影響程度)；^為歷史調(diào)時(shí)系數(shù)(用來調(diào)整歷史方差穩(wěn)定次數(shù)對發(fā)送周期的影響程度)，這些參數(shù)值均是根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的需求，在啟動 能量管理進(jìn)程時(shí)進(jìn)行初始化設(shè)置的。M,用來統(tǒng)計(jì)方差穩(wěn)定在值(0-7max)內(nèi)的次數(shù)，其計(jì)算公式為<formula>formula see original document page 11</formula>(6)其中/皿為最大統(tǒng)計(jì)次數(shù)；^M為方差限定值，用來界定方差值是否在允 許范圍，這些值也是在啟動能量管理進(jìn)程時(shí)進(jìn)行初始化設(shè)置的。c)當(dāng)完成調(diào)節(jié)本地的節(jié)能參數(shù)后判斷節(jié)能管理器是否要求節(jié)點(diǎn)設(shè)備向 其發(fā)送被監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)要求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)啟動發(fā)送模塊，否則判斷采集隊(duì)列是 否已滿，如果已滿同樣執(zhí)行發(fā)送模塊。當(dāng)能量管理器不要求節(jié)點(diǎn)設(shè)備向其發(fā) 送被監(jiān)測數(shù)據(jù)，且采集隊(duì)列未滿，則重新啟動能量管理進(jìn)程，重復(fù)上述步驟。能量管理進(jìn)程自動調(diào)節(jié)確定休眠時(shí)隙T;.，依據(jù)數(shù)據(jù)采集、存儲、計(jì)算所需時(shí)間確定射頻休眠時(shí)隙z;,.，依據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送以及監(jiān)聽能量管理器命令的時(shí)間 確定喚醒時(shí)隙i;,.，控制發(fā)送模塊采用長數(shù)據(jù)幀發(fā)送或數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送。長數(shù)據(jù)幀發(fā)送不改變幀頭，通過增加每一幀的數(shù)據(jù)部分，在一幀數(shù)據(jù)中 裝載多次采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)(如流量，溫度，壓力，轉(zhuǎn)速等)，從而大大減少了 數(shù)據(jù)發(fā)送的次數(shù)，而且保留了原始數(shù)據(jù)的完整性，在需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析的情況非常適用。數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送，首先對采集隊(duì)列中數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后進(jìn)行裝幀發(fā)送， 這種方式較之長數(shù)據(jù)幀發(fā)送方式更加節(jié)能，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)數(shù)值較大的情況下， 采用特征向量編碼的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以較小的數(shù)值進(jìn)行存儲，減小數(shù)據(jù)所占用的存儲空間。如圖4所示為數(shù)據(jù)壓縮的流程圖。節(jié)點(diǎn)",的應(yīng)用數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO隊(duì)列用一 維向量K《fx'表示，其中w為隊(duì)列的深度。對于不具有隨機(jī)性的現(xiàn)場數(shù)據(jù)， 通常都具有連續(xù)性。設(shè)隊(duì)列X的當(dāng)前特征向量值為= (x^,1 = &。, x產(chǎn)'。 將I用特征向量X^表示為Z-X^+X'，其中y、(x,-x^r1 。且有 JT^2 X，附>1， meW。由此可以得出向量Z的存儲空間，理論上存儲空間可以壓縮為2 。通過選擇最優(yōu)的特征向量值使得§| x, -,f I = min(gl & - I)，Vx'ei 確定壓縮數(shù)據(jù)幀。當(dāng)特征向量確定后數(shù)據(jù)域中裝載壓縮數(shù)據(jù)幀，A,。,，A-A^，…，A-義^，可見，當(dāng)采集隊(duì)列中數(shù)值比較大，而數(shù)值 變化較小的情況下，7 -義*的長度要小于義 的長度，從而達(dá)到了數(shù)據(jù)壓縮的效果。以下具體描述特征向量y的確定過程i. 對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并存入發(fā)送隊(duì)列義中；ii. 計(jì)算現(xiàn)場數(shù)據(jù)的均值，7 = (|^)/iV;i i i. 令隊(duì)列y的特征向量值為y = &『；JV-1iv. 計(jì)算"(1>,.-^J)/iV;V.令《^=&。,其中"為學(xué)習(xí)率；vi. 計(jì)算r—Ulx,-xU)/A^vii. 如果(5"—。<0，令^。r-;4。r一2"(F—。，否貝lj ((F—r)20),令Viii. 如果(|F- |</ )，算法結(jié)束；否則轉(zhuǎn)V);在確定了特征向量后就可以對發(fā)送隊(duì)列中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。如圖5 所示為根據(jù)特征向量編碼的壓縮幀格式圖。壓縮后的數(shù)據(jù)幀包括幀壓縮信 息，應(yīng)用關(guān)系ID，特征值，數(shù)據(jù)域。其中數(shù)據(jù)域由下列值組成 A—Aw， 義&,…，義 -^。,，當(dāng)采集隊(duì)列中數(shù)值比較大，而數(shù)值變化較 小的情況下，X -義^的長度要小于A的長度，從而達(dá)到了數(shù)據(jù)壓縮的效果。 如圖6為不同方差分布隨機(jī)信號的壓縮率示意圖(matlab仿真)。剛開始壓縮 率降低是因?yàn)樵紨?shù)據(jù)的變化導(dǎo)致壓縮數(shù)據(jù)所需存儲空間被迫增大；隨后隨 著數(shù)據(jù)量的增加，方差也不斷增加，原始數(shù)據(jù)本身的存儲空間有了一個(gè)大的 增長，而壓縮數(shù)據(jù)存儲空間基本保持不變，壓縮率再次上升。數(shù)據(jù)能夠被大 幅度壓縮的充分條件是原始數(shù)據(jù)需要大的存儲空間且數(shù)值本身較大，但在一 段連續(xù)的時(shí)間內(nèi)變化范圍不大。(4)數(shù)據(jù)分析與節(jié)點(diǎn)控制步驟，能量管理器監(jiān)督接收到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè) 備發(fā)送的被監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析被監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性以及系統(tǒng)的相對節(jié) 能效率，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中是否有未采集到的數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)采集時(shí)隙是否偏小， 如果偏小則發(fā)送命令來增大節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集時(shí)隙；實(shí)時(shí)性和節(jié)能效率都 是通過休眠時(shí)間來評價(jià)的。在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，休眠時(shí)隙的增加降低了系統(tǒng) 的實(shí)時(shí)性，但節(jié)省了能耗。實(shí)時(shí)性通過總發(fā)送周期7;(如圖3)來反映，即一個(gè)總發(fā)送周期用戶可以對被監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行一次分析，并對節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行一次 管理和控制?？偘l(fā)送周期通過本次接受到被監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間和上次接收到被 監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)間進(jìn)行差值計(jì)算。如果用戶想提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，則可以通過減小標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間j;、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系數(shù)、等來實(shí)現(xiàn)，如果系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性已經(jīng)達(dá)到用 戶要求，則可以通過增加標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 ；、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系數(shù)、等來使系統(tǒng)更加節(jié)能; 節(jié)能效率通過射頻休眠狀態(tài)時(shí)隙乙，深度休眠狀態(tài)時(shí)隙z^，喚醒狀態(tài)時(shí)隙j;,的關(guān)系反映出來，本系統(tǒng)的軟件節(jié)能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定義為P^力^7^+r +d —力)^乂(其中力為0-l之間的系數(shù))；能量管理器在接收到被監(jiān)測數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析并把被監(jiān)測數(shù)據(jù)連同數(shù)據(jù)分析的結(jié)果一同 發(fā)給網(wǎng)關(guān)，同時(shí)立刻向節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)出節(jié)能管理命令幀(此刻節(jié)點(diǎn)設(shè)備還沒有進(jìn)入休眠狀態(tài))，如節(jié)能管理器產(chǎn)生的要求增加采集周期命令，由用戶發(fā)出的要求節(jié)點(diǎn)設(shè)備更新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間7;,、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系數(shù)&、終止能量管理進(jìn)程等命令，(5) 監(jiān)聽并執(zhí)行管理命令步驟，節(jié)點(diǎn)設(shè)備依據(jù)能量管理器發(fā)出的管理信息命令執(zhí)行相應(yīng)的進(jìn)程。節(jié)點(diǎn)設(shè)備在喚醒狀態(tài)時(shí)隙7;,.結(jié)束的同時(shí)也結(jié)束了監(jiān)聽管理命令的步驟，此時(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)入深度休眠狀態(tài)，經(jīng)過深度休眠時(shí)隙T^時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)設(shè)備從深度休眠狀態(tài)進(jìn)入射頻休眠狀態(tài)。
權(quán)利要求
1、一種分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置多個(gè)能量管理器，每個(gè)能量管理器管理多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備；能量管理器通過加強(qiáng)型能量管理進(jìn)程設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙和數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過本地能量管理進(jìn)程自適應(yīng)調(diào)整喚醒時(shí)隙Twi、休眠時(shí)隙Tsi，當(dāng)喚醒狀態(tài)時(shí)隙結(jié)束時(shí)，由本地能量管理進(jìn)程控制從數(shù)據(jù)采集時(shí)隙轉(zhuǎn)換為休眠時(shí)隙中的深度休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備不采集數(shù)據(jù)，或從深度休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到射頻部分休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲、計(jì)算。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，休眠時(shí)隙7;包括深度休眠時(shí)隙7^和射頻休眠時(shí)隙7;,，節(jié)能管理器根據(jù)方差調(diào)時(shí)系數(shù) 、歷史調(diào)時(shí)系數(shù)^調(diào)用公式t;=t;(、+^*(^"')+^m,，自動調(diào)節(jié)確定休眠時(shí)隙 ；，依據(jù)數(shù)據(jù)采集、存儲、計(jì)算的時(shí)間確定射頻休眠 時(shí)隙z;,，在射頻休眠時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)設(shè)備根據(jù)采集的數(shù)據(jù)隊(duì)列分析數(shù)據(jù)變化情況， 并調(diào)整深度休眠時(shí)隙乙,。
3、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征 在于，依據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送以及監(jiān)聽能量管理器命令的時(shí)間確定喚醒時(shí)隙z;,.。
4、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征 在于，所述數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)包括，長數(shù)據(jù)幀發(fā)送狀態(tài)和數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送狀態(tài)，其 中，長數(shù)據(jù)幀發(fā)送不改變幀頭，數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送根據(jù)特征向量實(shí)施數(shù)據(jù)壓縮。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征 在于，根據(jù)數(shù)據(jù)隊(duì)列中集合的方差值的變化分析數(shù)據(jù)變化情況。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，通過選擇最優(yōu)的特征向量值Xchar使得<formula>formula see original document page 3</formula>,確定壓縮數(shù)據(jù)幀。
全文摘要
本發(fā)明屬于工業(yè)無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及分布式自適應(yīng)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，用于降低工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗。節(jié)能方案是在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中，將所有設(shè)備分為節(jié)點(diǎn)設(shè)備(ND)、能量管理器和網(wǎng)關(guān)(GW)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送；能量管理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集轉(zhuǎn)發(fā)以及對節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行能耗管理；網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)與用戶的通信，傳遞監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和能量管理數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明，通過能量管理器對單個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能控制實(shí)現(xiàn)在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，自適應(yīng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間和增加無線報(bào)文的信息量，能夠降低工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗，從而最大限度的減少通信能耗。
文檔編號H04L29/06GK101325604SQ20081007000
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月21日
發(fā)明者馮海朋, 勇 李, 李雅靜, 平 王, 金永翰 申請人:重慶郵電大學(xué)