本發(fā)明涉及低功耗無線通信領(lǐng)域，還涉及物聯(lián)網(wǎng)底層傳感器信息控制指令信息采集以及物聯(lián)網(wǎng)傳輸層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸控制領(lǐng)域。本發(fā)明特別涉及到大規(guī)模組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)情況下，如何做到保證系統(tǒng)低功耗性要求下，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)下行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性交付和信道高效性傳輸問題。

背景技術(shù)：

隨著物聯(lián)網(wǎng)研究和應(yīng)用的不斷發(fā)展，人們的生活、生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了深刻影響。電子標(biāo)簽系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)具體應(yīng)用，它可以運(yùn)用在倉儲(chǔ)庫存管理，超市商品管理，檔案管理，醫(yī)療病患管理等應(yīng)用場景中，以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和智能化管理的目標(biāo)。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)容量往往規(guī)模龐大，業(yè)務(wù)作業(yè)高效響應(yīng)性要求高。低功耗無線傳輸技術(shù)是系統(tǒng)所解決的核心問題。

低功耗無線傳輸技術(shù)按照信道訪問控制方式可分為時(shí)分，碼分，頻分，統(tǒng)計(jì)異步時(shí)分等方式。大規(guī)模無線標(biāo)簽系統(tǒng)數(shù)據(jù)交付過程所涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題如下：

首先，由于無線信道的工作方式為半雙工方式，節(jié)點(diǎn)訪問信道過程具有排他性。多個(gè)節(jié)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)對(duì)信道可能出現(xiàn)競爭式訪問，這涉及到如何協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的訪問控制，即如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)信道訪問的異步推進(jìn)的問題。

其次，為節(jié)省標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)功耗，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)采用周期性喚醒機(jī)制來實(shí)現(xiàn)接收和反饋?zhàn)鳂I(yè)任務(wù)，節(jié)點(diǎn)在喚醒周期內(nèi)和網(wǎng)關(guān)單元進(jìn)行通信。對(duì)于網(wǎng)關(guān)，如何獲知特定標(biāo)簽已經(jīng)處于喚醒周期，如何在其喚醒周期內(nèi)傳輸其下行數(shù)據(jù)，這涉及到網(wǎng)關(guān)單元與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)交付之前的同步問題。

另外，大規(guī)模無線標(biāo)簽系統(tǒng)要滿足數(shù)據(jù)交付的實(shí)時(shí)性，應(yīng)當(dāng)保證信道的使用效率，這也涉及到大規(guī)模標(biāo)簽系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交付控制方法。

目前，相關(guān)系統(tǒng)就上述的某個(gè)或若干方面提出了方案，如對(duì)于上述第[0004]條，一些系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用信道方式，給組網(wǎng)內(nèi)所有標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)分配各自時(shí)間片，節(jié)點(diǎn)在各自時(shí)間片內(nèi)與網(wǎng)關(guān)單元通信，從而解決多節(jié)點(diǎn)間對(duì)信道的訪問碰撞問題；對(duì)于上述第[0005]條，一些系統(tǒng)采用醒來詢問的方式和網(wǎng)關(guān)單元通信，不涉及網(wǎng)關(guān)對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的使用協(xié)調(diào)過程；一些系統(tǒng)通過引入多信道協(xié)同工作方式，對(duì)數(shù)據(jù)按一定規(guī)則進(jìn)行分流處理，以實(shí)現(xiàn)減緩信道擁塞目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問題，通過多信道協(xié)同工作機(jī)制，動(dòng)態(tài)評(píng)估信道使用情況，靈活配置通知多個(gè)標(biāo)簽喚醒，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模標(biāo)簽系統(tǒng)數(shù)據(jù)高效傳輸和信道高效使用的目標(biāo)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

本發(fā)明對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的硬件涉及有源電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，無線網(wǎng)關(guān)和計(jì)算機(jī)。

這里的有源電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)可以配置多個(gè)工作頻道的無線收發(fā)單元；所述無線網(wǎng)關(guān)的無線特征，是指響應(yīng)有源電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)單元，其至少包含2個(gè)收發(fā)單元，即用于發(fā)送通知標(biāo)簽喚醒的通知信號(hào)發(fā)送單元和用于傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)單元。所述計(jì)算機(jī)安裝有與無線網(wǎng)關(guān)通信的業(yè)務(wù)中間件等軟件實(shí)體。計(jì)算機(jī)和無線網(wǎng)關(guān)的連接，兩者可以通過有線或是無線方式進(jìn)行通信。無線網(wǎng)關(guān)和標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置可固定也可以變化，但要保證兩種實(shí)體間處于通信范圍內(nèi)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見附圖1。

系統(tǒng)運(yùn)行描述：

系統(tǒng)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在一般情況下處于睡眠態(tài)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)周期性主動(dòng)喚醒，對(duì)于傳輸至特定標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)單元在目標(biāo)標(biāo)簽喚醒周期內(nèi)傳輸其數(shù)據(jù)至該標(biāo)簽；標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)運(yùn)行系統(tǒng)后首先進(jìn)行組網(wǎng)通信，以加入網(wǎng)關(guān)所維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)下；標(biāo)簽組網(wǎng)完畢后，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)在在任務(wù)通知信道周期性地喚醒監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)發(fā)送的通知信號(hào)，該信號(hào)配置目的標(biāo)簽喚醒系統(tǒng)后進(jìn)行數(shù)據(jù)接收并授權(quán)訪問業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸信道，達(dá)到通知所述目的標(biāo)簽從網(wǎng)關(guān)單元取走任務(wù)數(shù)據(jù)的目的。網(wǎng)關(guān)與標(biāo)簽各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間通過數(shù)據(jù)傳輸信道進(jìn)行通信，見附圖2，圖3。所述實(shí)時(shí)性是指標(biāo)簽上下行數(shù)據(jù)的交付時(shí)延在小于對(duì)應(yīng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的2倍睡眠周期大小范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下達(dá)。

系統(tǒng)工作原理：

這里以標(biāo)簽集群的某個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)(記為A)為例，敘述其從上電運(yùn)行系統(tǒng)，到接收其任務(wù)數(shù)據(jù)的整個(gè)工作處理過程。

(1)A運(yùn)行系統(tǒng)后，首先進(jìn)行組網(wǎng)操作，無線網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)處理模塊響應(yīng)對(duì)應(yīng)的組網(wǎng)過程；

(2)A組網(wǎng)完畢后，隸屬于無線網(wǎng)關(guān)所組建的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；

(3)A進(jìn)入周期性睡眠/喚醒過程，此時(shí)A無線收發(fā)單元工作頻道為監(jiān)聽信道；監(jiān)聽是否存在網(wǎng)關(guān)發(fā)送給其的喚醒通知信號(hào)；

(4)A任務(wù)數(shù)據(jù)(記為a)下發(fā)至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)執(zhí)行所述數(shù)據(jù)交付控制策略將a交付至A.

相關(guān)技術(shù)問題的處理：

針對(duì)前述實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)容量大規(guī)模的問題：本發(fā)明中的標(biāo)簽集群在監(jiān)聽喚醒通知，傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等2個(gè)工作邏輯中并行，2個(gè)過程對(duì)信道的使用都采用“按需使用”的方式，避免使用時(shí)分復(fù)用方式對(duì)節(jié)點(diǎn)容量產(chǎn)生的制約；網(wǎng)關(guān)主動(dòng)通知標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)喚醒，避免標(biāo)簽隨機(jī)醒來主動(dòng)發(fā)起喚醒報(bào)告而造成的信道高占空比，從而避免信道擁塞隨節(jié)點(diǎn)容量成正比例影響的問題；本發(fā)明標(biāo)簽集群保證在通信范圍內(nèi)，單網(wǎng)關(guān)能管理上萬個(gè)海量標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。

針對(duì)前述低功耗的問題：本發(fā)明對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)單元發(fā)送功耗大于接收功耗，系統(tǒng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)收發(fā)單元周期性喚醒接收通知信號(hào)，而非主動(dòng)發(fā)送喚醒報(bào)告，極大地減少單節(jié)點(diǎn)能耗；網(wǎng)關(guān)根據(jù)信道訪問情況控制標(biāo)簽的通知喚醒時(shí)機(jī)，避免信道擁塞導(dǎo)致標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)重傳，減少喚醒時(shí)間，延長系統(tǒng)使用時(shí)間；標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于睡眠，保證電池使用效用性。

針對(duì)前述實(shí)時(shí)性交付問題：任意時(shí)刻，特定標(biāo)簽產(chǎn)生上行數(shù)據(jù)，隨之該節(jié)點(diǎn)將通過CSMA機(jī)制盡快的將該消息轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)；對(duì)于下行數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)信道訪問預(yù)估評(píng)判，“盡快”的去喚醒目的標(biāo)簽，保證下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)性。

CSMA(Carrier Sense Multi-Access)工作方式是指標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)前先監(jiān)聽信道是否被占用，沒有占用則發(fā)送信號(hào)，否則隨機(jī)延時(shí)后再監(jiān)聽發(fā)送或延時(shí)再監(jiān)聽發(fā)送的過程。

附圖說明

圖1標(biāo)簽系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)工作原理示意圖

圖3標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)圖

圖4網(wǎng)關(guān)執(zhí)行喚醒策略流程圖

圖5標(biāo)簽喚醒過程處理流程圖

圖1中，101表示上位軟件系統(tǒng)，102和103分別為網(wǎng)關(guān)A和網(wǎng)關(guān)B；104、106分別為網(wǎng)關(guān)A管理的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)；108、110分別為網(wǎng)關(guān)B所管理的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)；105、107，分別為104標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和106標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)所綁定的對(duì)象，如物品庫位。

圖2中，201表示睡眠周期Tsi，202為喚醒通知等待接收時(shí)間片大小Tai，203為網(wǎng)關(guān)開始發(fā)送喚醒通知信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，204表示任務(wù)執(zhí)行時(shí)間片Twi，205表示標(biāo)簽接收到自身節(jié)點(diǎn)喚醒通知信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)。

圖3中，301表示啟動(dòng)狀態(tài)，302表示組網(wǎng)狀態(tài)，303表示監(jiān)聽狀態(tài)，304表示監(jiān)聽超時(shí)事件，305表示睡眠周期，306表示睡眠超時(shí)事件，307表示任務(wù)執(zhí)行完畢事件，308表示系統(tǒng)激活事件，309表示任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸和任務(wù)執(zhí)行過程。

圖4中，401表示開始狀態(tài)，402表示產(chǎn)生影響因子Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c過程，403表示產(chǎn)生此次總信道預(yù)計(jì)評(píng)估值Rt過程，404表示Rt為執(zhí)行信道可用否的輸出判定過程，405為信道可用判定，406表示把標(biāo)簽A喚醒通知信號(hào)加入至喚醒隊(duì)列，407表示信道不可用判定，408表示執(zhí)行是否可進(jìn)入下一次信道評(píng)估判定過程，409表示進(jìn)入下一次評(píng)估判定。410為注釋說明，說明402所示的各項(xiàng)影響因子，其中Fa為頻道3當(dāng)前占用因子；Fb為當(dāng)前所有喚醒項(xiàng)預(yù)計(jì)對(duì)信道3的占用因子；Fc為當(dāng)前預(yù)喚醒項(xiàng)(標(biāo)簽A)預(yù)計(jì)對(duì)信道3的占用因子。

圖5中，501表示開始狀態(tài)，502表示喚醒過程狀態(tài)，503表示醒來事件，504表示監(jiān)聽等待狀態(tài)，505表示執(zhí)行通知喚醒否的判定過程，506表示是判定結(jié)果，507表示激活標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，切換至業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸頻道與網(wǎng)關(guān)通信過程，508表示否判定結(jié)果，509表示執(zhí)行監(jiān)聽超時(shí)否的判定過程，510表示否判定結(jié)果，511表示是判定結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

這里以應(yīng)用在倉儲(chǔ)庫存業(yè)務(wù)環(huán)境為例進(jìn)行說明。標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)通過應(yīng)用在倉庫庫存環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體庫位物品信息精細(xì)化管理的目標(biāo)。首先將網(wǎng)關(guān)部署至具體倉庫環(huán)境，然后將標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)與倉庫存儲(chǔ)庫位進(jìn)行綁定，系統(tǒng)啟動(dòng)后，標(biāo)簽集群就率屬于該網(wǎng)關(guān)所管理的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，上層軟件可以根據(jù)標(biāo)簽與庫位的映射關(guān)系表，下發(fā)倉儲(chǔ)管理員的作業(yè)指示，如閃燈并顯示存取對(duì)應(yīng)庫位的物品數(shù)目等。

假設(shè)該庫房有30000個(gè)庫位，部署30000個(gè)標(biāo)簽，某一時(shí)刻，上層軟件系統(tǒng)下發(fā)某一作業(yè)任務(wù)集至網(wǎng)關(guān)，該作業(yè)任務(wù)包括對(duì)30個(gè)庫位將要進(jìn)行的存取作業(yè)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)量大小，首先加入其中前25個(gè)標(biāo)簽至喚醒任務(wù)隊(duì)列，隨后的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，若干個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢，網(wǎng)關(guān)也實(shí)時(shí)地通過信道預(yù)估結(jié)果得知“信道可用”，將接下來的若干個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入至喚醒任務(wù)隊(duì)列，嘗試喚醒并執(zhí)行下發(fā)的通信過程。

上述過程中，假設(shè)庫存存取作業(yè)人員在某時(shí)刻完成了若干庫位的貨物存取操作，其在庫位對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽將產(chǎn)生一個(gè)按鍵確認(rèn)的任務(wù)回執(zhí)，該標(biāo)簽產(chǎn)生了一個(gè)新的上行數(shù)據(jù)，該標(biāo)簽把該作業(yè)任務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)又將其交付至上層軟件系統(tǒng)。上層軟件系統(tǒng)收到該回執(zhí)后，把對(duì)應(yīng)庫位的物品更新信息再次交由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)。

上述30000個(gè)無線標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)平時(shí)處于監(jiān)聽頻道上每隔3秒(也可改為5秒醒來一次)醒來監(jiān)聽一次網(wǎng)關(guān)發(fā)送的通知信號(hào)，監(jiān)聽持續(xù)時(shí)間為10ms左右；任意時(shí)刻，下發(fā)至不同標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)量大小不盡相同，有些需要傳輸滿屏標(biāo)簽點(diǎn)陣數(shù)據(jù)(長數(shù)據(jù))，有些僅傳輸若干字節(jié)的更新表示數(shù)據(jù)(短數(shù)據(jù))，長數(shù)據(jù)語句需要傳輸210ms，短數(shù)據(jù)在14ms左右。網(wǎng)關(guān)根據(jù)這些數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量大小預(yù)估傳輸時(shí)間，網(wǎng)關(guān)在每加入特定標(biāo)簽的喚醒信號(hào)至喚醒隊(duì)列之前，在盡可能提高信道的通信效率可能情況下，預(yù)估信道可用性，實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)下發(fā)的實(shí)時(shí)性和并行性。上述30個(gè)標(biāo)簽的不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)能在10s內(nèi)全部交付完畢。

本發(fā)明無疑為促進(jìn)上述倉儲(chǔ)系統(tǒng)的作業(yè)和營運(yùn)效率提供了技術(shù)支撐。