基于回路取电的工业无线网络调度方法及装置与流程

本申请涉及一种基于回路取电的工业无线网络调度方法及装置，属于工业无线网络调度领域。

背景技术：

工业无线网络是由网关，网络控制器，以及大量无线传感器节点组成的集检测与控制为一体的无线网络结构。与传统的控制系统相比，工业无线网络可靠性高，部署灵活、成本低廉，因此得到广泛应用。

目前，工业无线网络中的无线传感器节点主要以自身携带的电池来供电，在电量充足的情况下，工业网络可以实现较高的实时性传输。但由于传感器节点体积小，其携带的电量十分有限，随着网络中电量耗尽的节点数量增加，或某个关键节点的电量耗尽，网络中数据流的可调度性及接收率会逐渐下降，甚至导致整个网络瘫痪。因此，如何保持传感器长期有电，实现工业无线网络长时间高可靠的无线传输，成为研究人员主要关注的技术问题。

现有技术中为了提高工业无线网络长时间高可靠的无线传输，主要采取以下三种方法：

(1)通过优化节点休眠/唤醒的比例，降低节点工作频率；

(2)将相同或相近类别的数据包进行筛选和融合，减少节点转发数据包的数量；

(3)通过提高单次传输的可靠性，降低重传的数量，降低节点能耗开销。

但是现有技术没有从根本上解决网络中节点携带电量有限的问题，不适用于一些仪表类传感器节点及频率较低却需要长期监控的无线网络环境。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种基于回路取电的工业无线网络调度方法，该方法从根本上解决了节点电量不足的问题，延长了长周期工业无线网络生存时间，并且回路取电可靠性高，从而提高了无线网络中数据传输的可靠性。

一种基于回路取电的工业无线网络调度方法，包括：

确定节点当前工作状态，工作状态包括发送状态和接收状态；

根据节点当前工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，如果否，节点在回路中继续充电；如果是，唤醒节点，当节点工作状态为接收状态时，在预设接收时隙接收数据包；当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包。

其中，确定节点当前工作状态，具体为：

当节点中不存在待转发数据包时，确定节点当前工作状态为接收状态；

若节点中存在待转发数据包时，确定节点当前工作状态为发送状态。

其中，根据节点当前工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，具体为：

设发送状态的节点所需能耗为E_Tx，E_Tx＝E_elec×l+ε×l×d^α，Q_TX为发送状态的节点剩余电量；

设接收状态的节点所需能耗为E_Rx，E_Rx＝E_elec×l，Q_RX为接收状态的节点剩余电量；

其中，E_elec是节点处理器每比特需要消耗的电量，l是数据包长度，ε是传输放大因数，α为路径损耗指数，d^α表示d的α次幂；

当Q_TX>E_Tx，或者Q_RX>E_Rx，确认节点剩余电量满足能耗需求。

其中，节点在回路中继续充电，具体为：

节点提高分压档次，在回路中继续充电。

进一步地，在预设发送时隙发送数据包之前，还包括：

当待发送数据包超出截止期时，丢弃待发送数据包，切换至充电状态。

进一步地的，还包括：

当节点在预设发送时隙发送数据包之后，降低回路取电的分压档次。

其中，所述分压档次根据节点中数据包的截止期来设定。

进一步地，在确定节点当前工作状态之前，还包括：

根据数据包端到端截止期，在相同的目标节点与发送节点之间设置多对接收/发送时隙对。

根据本申请的又一个方面，提供了一种基于回路取电的工业无线网络调度装置，所述装置包括：

确定模块，用于确定节点当前工作状态，工作状态包括发送状态和接收状态；

判断模块，用于根据节点当前工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，如果否，触发充电模块；如果是，触发唤醒模块；

充电模块，用于在回路中给节点继续充电；

唤醒模块，用于唤醒节点；

调度模块，用于当节点工作状态为接收状态时，在预设接收时隙接收数据包；当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包。

进一步地，还包括：

降低模块，用于在所述调度模块发送数据包之后，降低回路取电的分压档次。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请根据是否存在待转发的数据包确定当前工作状态，然后根据工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，如果不满足能耗需求，则节点在回路中继续充电；如果满足能耗需求，则唤醒节点，当节点工作状态为接收状态时，在预设接收时隙接收数据包；当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包，本发明实施例利用回路取电的方式从根本上解决了节点电量不足的问题，延长了长周期工业无线网络生存时间，并且回路取电不受环境和气候等影响，只与回路电流相关，因此节点的取电效率稳定，与太阳能、风能、热能等能量采集节点组成的无线网络相比，可靠性更高，从而提高了无线网络中数据传输的可靠性，尤其适用于一些仪表类传感器节点及频率较低却需要长期监控的无线网络环境；

2)进一步地，当节点剩余电量不满足能耗需求时，节点提高分压档次，在回路中继续充电，以达到快速充电，满足能耗需求，及时传输数据包；

3)进一步地，当节点发送数据包后，降低回路取电的分压档次，确保回路不会因大幅分压而降低质量；

4)进一步地，还可以根据节点中数据包的截止期，设定节点的分压档次，当距离节点中数据包的截止期越近的时隙，节点的分压档次越高，也就提高了节点的充电速度，从而降低由于电量不足引起的传输延迟；

5)进一步地，为了使数据包在错过接收/发送时隙后，在节点电量充足后，仍然能够传输该数据包，本申请在确定节点当前工作状态之前，根据数据包端到端截止期，在相同的目标节点与发送节点之间设置多对接收/发送时隙对，以确保无线网络数据传输可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于回路取电的工业无线网络调度方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于回路取电的工业无线网络调度装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

参见图1，本发明实施例提供了一种基于回路取电的工业无线网络调度方法，该方法包括：

101、确定节点当前工作状态，工作状态包括发送状态和接收状态；

具体地，当节点中不存在待转发数据包时，确定节点当前工作状态为接收状态；若节点中存在待转发数据包时，确定节点当前工作状态为发送状态。

102、根据节点当前工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，如果否，执行步骤103；如果是，执行步骤104；

具体地，根据节点当前工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，为：

设发送状态的节点所需能耗为E_Tx，E_Tx＝E_elec×l+ε×l×d^α，Q_TX为发送状态的节点剩余电量；

其中，E_elec是节点处理器每比特需要消耗的电量，l是数据包长度，ε是传输放大因数，α为路径损耗指数，d^α表示d的α次幂。

设接收状态的节点所需能耗为E_Rx，E_Rx＝E_elec×l，Q_RX为接收状态的节点剩余电量；

当Q_TX>E_Tx，或者Q_RX>E_Rx，确认节点剩余电量满足能耗需求。

103、节点在回路中继续充电；

进一步地，为了提高充电速度，提高数据包的传输可靠性，本发明实施例还包括：

节点提高分压档次，在回路中继续充电，以达到快速充电，满足能耗需求，及时传输数据包。

104、唤醒节点，当节点工作状态为接收状态时，在预设接收时隙接收数据包；当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包。

进一步地，当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包之前还包括：

当待发送数据包超出截止期时，丢弃待发送数据包，并将节点切换至充电状态。

进一步地，本发明实施例还包括：

当节点在预设发送时隙发送数据包之后，降低回路取电的分压档次。

需要说明的是，节点取电功率较小，其取电有多个分压档次，可根据回路的电流值设定。以Emerson的THUM无线HART适配器为例，当回路电流为最小值3.5mA时，最高分压档次的分压最大值为2.25V，当回路电流为最大值25mA时，最低分压档次的分压最小值为1.2V。

分压档次都有对应的充电效率，节点可以根据网络管理器预分配的时隙和节点中数据包的截止期对自身的分压档次进行调整，以达到快速充电，提高数据包的实时性和可靠性。实际应用中，可以根据节点中数据包的截止期，设定节点的分压档次，当距离节点中数据包的截止期越近的时隙，节点的分压档次越高，也就提高了节点的充电速度，从而降低由于电量不足引起的传输延迟。

由于本发明实施例采用了回路取电，因此在节点发送完数据包后，可以降低回路取电的分压档次，以确保回路不因为大幅分压而降低回路质量。

进一步地，为了使得节点时刻保持电量充足，本发明实施例还包括：

当节点确认数据包被成功接收后，切换至休眠充电状态，以及时充电。

由于节点剩余电量不足会影响数据包的传输，为了使数据包在错过接收/发送时隙后，在节点电量充足后，仍然能够传输该数据包，本发明实施例在确定节点当前工作状态之前，还包括：

根据数据包端到端截止期，在相同的目标节点与发送节点之间设置多对接收/发送时隙对，以确保无线网络数据传输可靠性。

现有技术中，无线网络大多采用电池供电节点组成，数据流通过多跳的方式，按照预先分配好的时隙和信道进行传输。然而受无线节点体积限制，节点携带电量有限，对于需要长时间监控的系统，节点无法保证长期可靠的网络传输，因此采用电池供电节点组成的无线网络并不适用于需要长时间进行监控的无线网络环境。

本发明实施例中，节点根据是否存在待转发的数据包确定当前工作状态，然后根据工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，如果不满足能耗需求，则节点在回路中继续充电；如果满足能耗需求，则唤醒节点，当节点工作状态为接收状态时，在预设接收时隙接收数据包；当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包，本发明实施例利用回路取电的方式从根本上解决了节点电量不足的问题，延长了长周期工业无线网络生存时间，并且回路取电不受环境和气候等影响，只与回路电流相关，因此节点的取电效率稳定，与太阳能、风能、热能等能量采集节点组成的无线网络相比，可靠性更高，从而提高了无线网络中数据传输的可靠性，尤其适用于一些仪表类传感器节点及频率较低却需要长期监控的无线网络环境；进一步地，当节点剩余电量不满足能耗需求时，节点提高分压档次，在回路中继续充电，以达到快速充电，满足能耗需求，及时传输数据包；进一步地，当节点发送数据包后，降低回路取电的分压档次，确保回路不会因大幅分压而降低质量；进一步地，还可以根据节点中数据包的截止期，设定节点的分压档次，当距离节点中数据包的截止期越近的时隙，节点的分压档次越高，也就提高了节点的充电速度，从而降低由于电量不足引起的传输延迟；进一步地，为了使数据包在错过接收/发送时隙后，在节点电量充足后，仍然能够传输该数据包，本发明实施例在确定节点当前工作状态之前，根据数据包端到端截止期，在相同的目标节点与发送节点之间设置多对接收/发送时隙对，以确保无线网络数据传输可靠性。

参见图2，本发明实施例提供了一种基于回路取电的工业无线网络调度装置，该装置包括：确定模块201、判断模块202、充电模块203、唤醒模块204和调度模块205；

确定模块201，用于确定节点当前工作状态，工作状态包括发送状态和接收状态；

判断模块202，用于根据节点当前工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，如果否，触发充电模块203；如果是，触发唤醒模块204；

充电模块203，用于在回路中给节点继续充电；

唤醒模块204，用于唤醒节点；

调度模块204，用于当节点工作状态为接收状态时，在预设接收时隙接收数据包；当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包。

进一步地，本发明实施例还包括：丢弃模块，用于在调度模块204发送数据包之前，确认待发送数据包超出截止期时，丢弃待发送数据包，并将节点切换至充电状态。

进一步地，本发明实施例还包括：降低模块，用于在调度模块204发送数据包之后，降低回路取电的分压档次。

进一步地，为了使得节点时刻保持电量充足，本发明实施例还包括：切换模块，用于当节点确认数据包被成功接收后，切换至休眠充电状态，以及时充电。

需要说明的是，节点取电功率较小，其取电有多个分压档次，可根据回路的电流值设定。分压档次都有对应的充电效率，节点可以根据网络管理器预分配的时隙和节点中数据包的截止期对自身的分压档次进行调整，以达到快速充电，提高数据包的实时性和可靠性。因此，本发明实施例还包括设定模块，用于根据节点中数据包的截止期，设定节点的分压档次。具体地，当距离节点中数据包的截止期越近的时隙，设定模块设定该节点的分压档次越高。

由于节点剩余电量不足会影响数据包的传输，为了使数据包在错过接收/发送时隙后，在节点电量充足后，仍然能够传输该数据包，本发明实施例还包括：设置模块，用于根据数据包端到端截止期，在相同的目标节点与发送节点之间设置多对接收/发送时隙对。

本发明实施例中，节点根据是否存在待转发的数据包确定当前工作状态，然后根据工作状态判断节点剩余电量是否满足能耗需求，如果不满足能耗需求，则节点在回路中继续充电；如果满足能耗需求，则唤醒节点，当节点工作状态为接收状态时，在预设接收时隙接收数据包；当节点工作状态为发送状态时，在预设发送时隙发送数据包，本发明实施例利用回路取电的方式从根本上解决了节点电量不足的问题，延长了长周期工业无线网络生存时间，并且回路取电不受环境和气候等影响，只与回路电流相关，因此节点的取电效率稳定，与太阳能、风能、热能等能量采集节点组成的无线网络相比，可靠性更高，从而提高了无线网络中数据传输的可靠性，尤其适用于一些仪表类传感器节点及频率较低却需要长期监控的无线网络环境；进一步地，当节点剩余电量不满足能耗需求时，节点提高分压档次，在回路中继续充电，以达到快速充电，满足能耗需求，及时传输数据包；进一步地，当节点发送数据包后，降低回路取电的分压档次，确保回路不会因大幅分压而降低质量；进一步地，还可以根据节点中数据包的截止期，设定节点的分压档次，当距离节点中数据包的截止期越近的时隙，节点的分压档次越高，也就提高了节点的充电速度，从而降低由于电量不足引起的传输延迟；进一步地，为了使数据包在错过接收/发送时隙后，在节点电量充足后，仍然能够传输该数据包，本发明实施例在确定节点当前工作状态之前，根据数据包端到端截止期，在相同的目标节点与发送节点之间设置多对接收/发送时隙对，以确保无线网络数据传输可靠性。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。