[發(fā)明專利]自供能非易失傳感網(wǎng)的時(shí)分復(fù)用節(jié)點(diǎn)虛擬化方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810143169.0
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號(hào): CN108601054B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬愷聲;李金陽
• 申請（專利權(quán)）人: 馬愷聲
• 主分類號(hào): H04W40/02
• 分類號(hào): H04W40/02;H04W40/20;H04W52/02;H04W84/20
• 代理公司: 北京知呱呱知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11577
• 代理人: 呂學(xué)文;朱紅濤

本發(fā)明公開一種自供能非易失傳感網(wǎng)的時(shí)分復(fù)用節(jié)點(diǎn)虛擬化方法及系統(tǒng)，方法中當(dāng)一個(gè)新節(jié)點(diǎn)A加入已有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)，新節(jié)點(diǎn)A打開非易失射頻NVRF；新節(jié)點(diǎn)A通過NVRF尋找無線傳感網(wǎng)絡(luò)中距離其最近的節(jié)點(diǎn)B；新節(jié)點(diǎn)A復(fù)制節(jié)點(diǎn)B的NVRF狀態(tài)形成節(jié)點(diǎn)B的克隆節(jié)點(diǎn)，然后新節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B組成克隆節(jié)點(diǎn)組；新節(jié)點(diǎn)A同步實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)器，接收時(shí)鐘滴答的初始相位偏移量以及預(yù)設(shè)的滴答計(jì)數(shù)；關(guān)閉NVRF，新節(jié)點(diǎn)A加入該無線傳感網(wǎng)，新節(jié)點(diǎn)A所在的克隆節(jié)點(diǎn)組通過節(jié)點(diǎn)虛擬化算法構(gòu)成一個(gè)虛擬邏輯節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明解決能量采集環(huán)境下自供能無線傳感網(wǎng)中傳感節(jié)點(diǎn)頻繁斷電導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量降低問題，提高采用NVRF自供能無線傳感網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)算技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自供能非易失傳感網(wǎng)的時(shí)分復(fù)用節(jié)點(diǎn)虛擬化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)電池具有環(huán)境污染、頻繁充電、維護(hù)困難、易燃易爆等短期內(nèi)無法解決的缺陷，已成為制約物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。能量采集技術(shù)能夠通過采集外界能量(如太陽能、射頻、震動(dòng)、溫差等)，源源不斷地為設(shè)備系統(tǒng)提供清潔無污染的能源。因此，自供能已經(jīng)成為無線傳感網(wǎng)重要的能量獲取方式，已被應(yīng)用到諸多系統(tǒng)中，如區(qū)域監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、醫(yī)療健康監(jiān)測等。然而，自供能存在著能量有限，變化劇烈以及難以預(yù)測的缺陷，因此，自供能無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需要通過計(jì)算架構(gòu)、系統(tǒng)電路和軟件算法方面的技術(shù)來合理存儲(chǔ)和利用有限的采集能量，使得能量利用效率最優(yōu)化。

針對能量采集環(huán)境下供能變化劇烈的問題，采用非易失處理器可以保證無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)相對穩(wěn)定地完成計(jì)算任務(wù)。現(xiàn)有的非易失處理器通過對內(nèi)存和通用數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行非易失化，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生斷電時(shí)，內(nèi)存和寄存器中的數(shù)據(jù)被快速備份到非易失存儲(chǔ)單元中，重新上電時(shí)非易失存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)又能被恢復(fù)，計(jì)算進(jìn)度和中間數(shù)據(jù)得以保存，從而使得計(jì)算任務(wù)能夠不受斷電影響繼續(xù)執(zhí)行，大大提升系統(tǒng)在采集能量不穩(wěn)定環(huán)境下的計(jì)算效率。

由于斷電后傳統(tǒng)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的射頻模塊中的配置狀態(tài)和數(shù)據(jù)會(huì)丟失，傳統(tǒng)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在每次發(fā)送數(shù)據(jù)前需要先對射頻模塊進(jìn)行初始化操作。傳統(tǒng)的基于軟件的射頻初始化方案需要處理器通過總線將存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器中的配置數(shù)據(jù)讀取出來，處理后再通過總線發(fā)送給射頻收發(fā)機(jī)。而非易失射頻技術(shù)通過增加非易失射頻控制器(NVRF)，以硬件控制的IO接口來實(shí)現(xiàn)快速高效的射頻模塊初始化操作。當(dāng)供電恢復(fù)后，非易失射頻控制器可自動(dòng)將存儲(chǔ)在控制器里非易失寄存器中的射頻配置信息和待發(fā)送數(shù)據(jù)，通過DMA的方式發(fā)送給射頻模塊，而無需節(jié)點(diǎn)的處理器的控制，從而可與處理器控制的其他初始化操作并行執(zhí)行，提高整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)速度。

基于能量采集技術(shù)的自供能傳感節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感網(wǎng)通常采用自組織集群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、總線型、樹型和網(wǎng)格型等結(jié)構(gòu)。在橋梁監(jiān)測、軌道監(jiān)測等應(yīng)用中，由于節(jié)點(diǎn)通常沿著橋梁、軌道布置，其無線傳感網(wǎng)一般采用鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)主要與其他在地域上接近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，以節(jié)省數(shù)據(jù)通信的能量。由于自供能傳感節(jié)點(diǎn)供能變化大，斷電頻繁且難以預(yù)測，導(dǎo)致整個(gè)傳感網(wǎng)通信的不穩(wěn)定，需要頻繁地重組網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為提高無線傳感網(wǎng)在能量采集場景下的可靠性，傳統(tǒng)技術(shù)采用增加傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)量和密度的方法，但該方法卻不一定能提高自供能無線傳感網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。如圖1所示，圖中純灰色的圓圈如11、12和13代表能量充足，可供采集和傳輸數(shù)據(jù)；圖中帶小方塊的圓圈如33、34和35代表能量富余，除可供采集和傳輸數(shù)據(jù)外還有多余的能量；圖中帶小橢圓的圓圈如95代表能量較低，僅可供采集數(shù)據(jù)但不夠傳輸數(shù)據(jù)。采用Zigbee通信協(xié)議的10個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn) 11、21、……、101)組成的鏈狀型傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如箭頭鏈I所示，當(dāng)將傳感節(jié)點(diǎn)密度增加4倍后，基于傳統(tǒng)的Zigbee協(xié)議采用傳輸距離優(yōu)化策略，會(huì)導(dǎo)致從節(jié)點(diǎn)11到節(jié)點(diǎn)101的數(shù)據(jù)傳輸路徑(箭頭鏈II)從9跳增加到25跳，加劇了網(wǎng)絡(luò)鏈路由于節(jié)點(diǎn)斷電導(dǎo)致通信中斷的可能性。

發(fā)明內(nèi)容