能量收集传感器网络、能量收集节点及方法与流程

本公开总体涉及传感器网络，并且更具体地，涉及用于能量收集传感器的网络的多跳网络协议。能量收集传感器网络(EHSN)可以应用在许多领域中，包括飞机座舱系统、制造设施等。

背景技术：

低功率传感器当前需要电池运作。因为电池需要定期更换，由于维护成本，所以由于维护成本，低功率传感器对于广泛分布(例如，遍及飞机的数千个)或者难达到的位置(例如，诸如飞机发动机)是不理想的。此外，由于电池泄漏的危险引起的环境问题，电池供电的传感器网络不适合用于一些应用。可以使用具有能量收集性能的低功率传感器代替电池供电的传感器，但是如果由于能源的无法预测和随机性发生的数据发送链中的一个传感器缺乏继续发送的电力，则从传感器至传感器的数据发送可能出现故障。为了避免这种数据发送故障，需要EHSN通信协议来促进能量收集装置之间的数据发送。

技术实现要素：

在示例性实施方式中，本发明提供了使用信标方案促进多个低功率传感器节点之间的通信的EHSN通信协议。在示例性实施方式中，期望的传感器数据通过一组中间中继节点从起点传感器至目的地节点流动通过一系列传感器节点。使用接收器启动的信标方案进行从一个节点至另一节点的发送，其中，当它们收集到中继数据的足够的能量时通过每个节点发送信标。基于哪个节点已经收集了足够的能量(并且广播了合适的信标)，并且哪个节点被最佳定位为将数据转发至目的地节点，从网络中的节点的总集合中适时地选择中继节点的特定集合。

本公开的一个实施方式采用能量收集传感器网络的形式。发明的网络包括：操作为节点的多个能量收集传感器，其中，每一个能量收集传感器被配置为根据预定义的通信协议进行操作。此外，网络包括被配置为与能量收集传感器无线通信的服务器。预定义的通信协议包括接收状态，在该接收状态中，节点发送向其他节点指示所述节点是醒的且具有足够的能量来接收和重新发送数据包的准备接收(RTR)信标。

本公开的另一实施方式采用能量收集节点的形式。发明的节点包括能量收集装置；能量存储装置；微控制器；以及无线收发器。微控制器和无线收发器由能量存储装置供电。微控制器被配置为根据预定义的通信协议操作能量收集节点，其中，所述收发器发送指示所述节点是醒着并且具有足够的能量从另一节点接收数据包并重新发送所述数据包的RTR信标。

本公开的另一实施方式采用通过能量收集传感器网络中的每个节点所采用的方法的形式。发明的方法包括以下步骤。节点保持在睡眠状态下直到收集了预定阈值的能量。一旦收集到预定阈值的能量，节点基于非确定性函数进入发送状态或接收状态。在接收状态下，节点发送指示该节点准备接收数据的RTR信标，并且从第二节点接收数据。在发送状态下，节点等待来自另一节点的RTR信标，确定任何其他节点是否当前正在发送数据，并且如果没有其他节点当前正在发送数据，则它将数据发送至RTR信标的发送器。如果另一节点当前正在发送数据，则第一节点延迟发送直到信道未被占用。

以下描述其他特征。

附图说明

图1示意性地描述了广域能量收集传感器网络的示例性实施方式。

图2示意性地描述了能量收集传感器的示例性实施方式。

图3是发明的EHSN通信协议的流程图。

图4是用于两个节点的示例性时序图。

具体实施方式

在以下部分中，首先提供了根据本公开的EHSN的示例性实施方式的概述。接下来是发明的通信协议的各个方面的更详细的说明，包括与可替换的方法的比较、EHSN媒体存取控制(MAC)协议、接收器和发送器操作模式的详情、以及机会中继。

概述

本公开解决在能量收集装置之间调度和路由的突出问题，允许这样的装置用于大型部署、飞机座舱和工厂车间应用的联网。无线传感器网络指的是低功率装置的集合(和潜在的大集合)，每个低功率装置能够测量事件(例如，故障、接近度等)的环境数据(例如，温度、压力、健康等)或者存在并且将这些测量结果无线通信至中央处理服务器。无线传感器使得能够在其中布线是不切实际的环境中、并且尺寸、重量、和功率(SWAP)受限制的环境中进行部署。当前，传感器网络部署受到成本和电池寿命的限制，尤其在其中由于传感器的数量或位置而导致的替换节点和电池是不可行或不切实际的环境中。为了克服这些问题，研究人员已经考察了利用能量收集技术来生成用于传感器操作的能量。

从太阳、风力、温度梯度或者振动收集能量可以通过提供可再生能源显著地提高传感器网络的寿命。然而，需要通信协议来在不确定的和可变的能量补充过程中提供确定性网络保证。多跳EHSN网络协议解决了能够在能量收集传感器节点之间的通信和联网问题，这促进了广域部署。在这些环境中，由于长距离发送和多径衰退分布(multipath fading profile)的功率要求导致单跳、基于基础设施的图像可能是不可实行的。然而，为了使网络能够与能量收集节点融合在一起，每个发送器需要了解通信链中的下一个接收器具有足够的能源来接收和中继数据包而不依赖集中控制或者整体同步化。所公开的EHSN通信协议利用以下原理解决了解决这些问题：接收器启动的信标发现具有用于接收和重新发送的足够能量的中继器，并且适时中继转发数据包而不依赖传统的固定路径。为了调度和路由这两个目的，本公开使用信标。

图1示意性地描述了包括服务器100以及由参考标号200-1至200-9表示的多个传感器节点的EHSN。在图1的示例性网络中，阴影节点(节点200-1、200-4、200-5、200-6和200-7)假设具有用于发送和接收的足够的能量，而剩余节点(节点200-2、200-3、200-8和200-9)假设不具有用于发送或接收的足够的能量。这表示能态的时间上的快照，随着时间的过去，能量将被收集并且最终节点将具有用于通信的足够的能量。在这个网络模型中，节点被设计成将数据传送至服务器100。服务器可以由电池或者由电气设施供电，但是节点由能量收集装置供电。节点根据它们的相应的能级在睡眠状态和唤醒状态之间转变。每个节点要求足够的电力来发送和接收数据，并且在唤醒状态下保持空闲。

在一个示例性环境中，例如，为了诸如外表面上的冰检测、内部内的座舱压力测量、接近感应和发动机安全监控的目的，EHSN被部署在整个飞机上。这样的环境中可能的能源包括光电的(太阳能、内部照明等)、振动的(压电的)、温度梯度、气压、机械的(例如，按钮)、以及周围RF能量。

图1的示例性实施方式采用了新的EHSN通信模式。然而电池供电的网络的目标是使寿命(节点始终是可用的但是需要保存能量)最大化，EHSN的目标是使经受能量收集限制条件的服务生产量/质量最大化。用于电池供电的传感器网络的低能量网络协议对于EHSN不是最佳的。在EHSN中，大部分能量消耗是用于通信的目的，因为数据的发送和接收需要相对大量的能量，并且甚至空闲收听也需要能量使用。当节点耗尽它的能量时，它进入睡眠状态和休眠直到已经收集了足够的能量。EHSN的关键挑战在于能量收集过程是无法控制的并且时间是未知的。换言之，不了解节点何时已经收集了足够的能量以重新进入唤醒状态。进而这使得难以提供确定性的网络保证。

图2是能量收集传感器200的示意图或框图。能量收集传感器200包括本领域中的技术人员很好地理解的硬件元件。在这个实施方式中，能量收集传感器200包括将电能214供应至能量存储装置220的能量收集装置210。由低功率传感器230、微控制器240、以及经由天线260发送和接收数据的无线收发器250消耗来自装置220存储的能量。如通过参考212示出的，通过装置210收集以太阳能、热力、振动、风力、RF等形式的周围能量。

与可替换方法的比较

本公开解决了在能量收集装置之间的调度和路由的突出问题。当前可用的路由和调度解决方案不能满足所期望的支持能量收集传感器的多跳部署的操作要求。至于调度子问题，一般传感器网络部署依赖称为IEEE802.15.4的电气电子工程师协会(IEEE)的标准实施，这基于载波感应多重存取(CSMA)方案。然而，由于一些原因，CSMA不适用于多跳能量收集网络。首先，为了使得能够进行低能量操作，将节点与全局时钟同步以保证全部节点在用于发送的相同时间周期期间是醒的。在没有这个整体同步化的情况下，节点在不了解接收器具有接收数据包的足够的能量的情况下发送数据包。第二，802.15.4控制数据包，诸如，请求发送(RTS)和清除发送(CTS)，当网络节点可能休眠以收集能量时，不再解决多个访问问题，诸如，“隐藏的终端问题”。本公开的发明方法通过将接收器配置为在收集到足够的能量时发送信标，允许发送器了解具有最小开销的可行的中继器来解决这些问题。

蓝牙低能量(BLE)是朝向低功率的物联网(IoT)部署传动可替换的MAC层。然而，蓝牙协议在装置之间建立“主从”关系并且缺乏网状部署的灵活性。在网状解决方案中，当一些节点不具有转发数据的足够的能量时，替代地，可以使用其他节点来减少数据包延迟。

路由子问题传统地通过主动路由协议(例如，开放式最短路径优先(OSPF)或最优链路状态路由(OLSR))或者反应式路由协议(按需距离矢量路由协议(AODV)或动态源路由(DSR))来解决。这些协议在每个传感器与服务器之间建立固定路径，并且沿着这些路径转发数据包。然而，当中间继电器能量耗尽时，数据包必须在遍历网络之前等待收集过程。我们的解决方案使用适时转发(opportunistic forwarding)，这基于哪个节点具有足够的能量以逐个数据包选择中继器。这使能量用途能够在整个网络分布上分布，允许EHSN在限制性能量收集限制条件下满足应用性能需求。

EHSN MAC协议

本部分详述建议的EHSN-MAC协议的细节。EHSN-MAC被设计为用于能量收集(EH)节点至EH节点通信以及EH节点至供电节点通信。为了促进与能量收集接收器的通信，EHSN-MAC使用接收器启动的信标，其中，接收器对信标负责以告知邻居它们处于活动(或唤醒)状态。这具有在发送器与接收器之间均匀地散布总开销，并且为发送器做出路由和转发决定提供信息的双重效果。

图3的流程图中示出了协议的概述。图3的流程图表示在接收状态、发送状态和睡眠状态下的传感器或者节点的操作。一般地，节点将被配置为以此方式经由软件进行操作。因此，本领域中的技术人员将理解的是，可以书写程序代码以配置每个节点而根据流程图进行操作。

如所示，根据EHSN-MAC协议，节点在接收状态300、发送状态400或者睡眠状态500下进行操作。节点进入睡眠状态500以收集用于通信的足够的能量。节点将保持在这个状态下直到已经收集了如由电池级的唤醒阈值所确定的足够的能量。在图3中，这以参考标号510表示。当如以520表示的唤醒时，节点将进入接收状态300或者发送状态400，这由积压的(潜在非确定性的)功能确定。(可以使用用于选择发送或接收的任何功能。例如，该功能可以如抛硬币一样随机，或者“如果积压大于阈值则可以进入发送状态”。)以下说明接收状态和发送状态下的节点的操作。

接收状态300

可以看出，接收状态300包括通过包括框320、340、370、360和380的菱形形状的框表示的多个迭代构造(分支或者循环)。如将对本领域中的技术人员显而易见的是，这些菱形形状的框中的每一个实现分支或循环功能。此外，接收状态300包括矩形框310、330和350。这些框执行特定功能然后进行至流程图中的下一个框。

接收状态300下的节点负责发送出告知它的邻居其已经进入活动状态的信标，并且然后收听相邻发送器开始数据包的发送。通过接收器发送的信标是准备接收(RTR)消息350。这个数据包是包含接收器的地址的短数据包。可选扩展包括添加与队列长度或者电池状态有关的信息。一旦唤醒进入到接收状态300，节点在发送出RTR之前执行空闲信道评估(clear channel assessment，CCA)340，以便避免与进行中的数据包发送的冲突。如果介质是空闲的，则节点发送RTR信标350，并且进入收听状态360。收听状态持续到由发送器的最大后退间隔给出的数据包发送被检测到380或者直到已经过去足够的时间370。这保证了如果发送器检测RTR，则有足够的时间回复它。一旦检测到数据包，如果数据包被正确接收320并且预期用于该接收器，则节点接收数据包310并且发送确认(ACK)330。

发送状态400

发送状态400包括多个菱形形状的迭代构造(分支或者循环)以及采取特定动作然后进行至下一个框的多个矩形形状的功能。发送状态400包括预RTR状态420和后RTR状态430。判定框410确定节点是否在服务器的范围内并且分支至预RTR状态420或者后RTR状态430。如果节点在服务器100的范围内(图1)，则不需要进入预RTR状态420而是从框410直接进行至后RTR状态430和框432。另一方面，如果节点不在服务器的范围内，则它从框410在框422处进行至预RTR状态420。除了框410之外，发送状态400包括迭代框423、425、426、433和435、以及功能框422、424、427、432、434、436和437。

在发送状态400下，节点等待，直到它检测到相邻节点是醒的，并且尝试将数据包转发至该节点。一旦唤醒，节点就进入低功率收听状态424，并且等待如参考标号425表示的由接收器发送的RTR信标。一旦接收RTR信标，如果发送器具有发送至该接收器(参考标号426)的数据包，如通过以下描述的适时中继方案所确定的，发送器等待等于它的后退计数器(参考标号432)的多个时隙，执行CCA 433，然后如果信道是空闲的则发送数据包434。一旦成功发送，在发送之后立即通过接收确认信号(ACK)确定(参考标号435)，发送器重置后退指数和后退计数器。如果没有接收到ACK，则后退指数增加，并且后退计数器被重置(参考标号436)。EHSN-MAC使用与CSMA/CA(CSMA具有冲突避免的CSMA)类似的指数后退。当RTR被广播并且多个发送器要发送数据包时，后退程序旨在解决发送器之间的争夺问题。通过根据冲突增加后退指数，后退计数器适配于当前主张用于信道的多个节点。然而，使用没有RTR信标的CSMA后退程序导致远离服务器的传感器互斥等待。

图4是用于两个节点的示例性时序图。在该实例中，阴影方框指的是发送并且无阴影方框指的是接收。假设我们具有两个节点，节点X和节点Y。底部时间轴对应于节点X并且顶部时间轴对应于节点Y。首先发生的件事是节点Y唤醒，并且后面是节点X唤醒并且发送RTR信标。来自节点X的RTR信标由节点Y接收，然后节点Y发送数据包。如所示，节点Y将其发送延迟预定义的发送后退时间。来自节点Y的数据包由节点X接收，然后节点X发送确认(ACK)信号。在接收ACK信号之后，节点Y返回至睡眠。如所示，节点X在返回至睡眠之前收听其他发送。

适时中继协议(opportunistic relaying protocol，机会主义中继协议)

在多跳拓扑中，要求路由协议来解决EHSN具体挑战。传统地，通过计算每个源点与终点之间的最短或最小成本固定路线通过拓扑路由数据包。尽管为供电网络建议了最短路线路由，但是在传感器网络环境中，任何固定路线路由算法都遭受差性能，因为尽管其余网络包含未用资源，但是能量资源在计划的路径上被耗尽。

发明的适时中继协议通过基于哪个邻居具有接收数据包的足够的能量适时地选择下一跳邻居而进行操作。作为EHSN MAC协议的一部分，相邻节点在它们从睡眠状态唤醒时发送RTR信标。当节点从邻居接收RTR信标时，它确定将数据包转发至该邻居是否能够距目的地物理上更近地移动数据包。为了利用该协议，假设每个节点知道传感器网络的物理拓扑，当考虑静态网络部署时的合理假设。因此，基于所接收的RTR信标，节点将数据包转发至更接近目的地的发送RTR的第一节点。当不需要在EHSN MAC协议的信标过程上面的任何总开销时，该适时中继选择防止节点在睡眠中继上进行等待。通过适时地选择中继器，需要较少时间找出发送至的非睡眠节点。

适时中继协议假设根据功率分析选择的固定的发送功率。如果节点在服务器的发送范围内，则它应该将数据包直接转发至服务器，因为通过发送至其他中继器不会减少功率。然而，应该选择固定的发送范围以使性能最大化。另外，节点以数据包生成的顺序发送/中继数据包，而不是在每个队列中的标准的先入先出(FIFO)顺序。这允许远离服务器节点维持网络资源的公平分配。至于测量应用，其他排队机构可以实现为丢弃较旧的测量，支持最新的测量。

总结

本文中描述的EHSN通信协议在许多领域中可以提供很大的价值。感测和健康监测是飞机和工厂操作和效率的关键部分。EHSN网络技术能够较大应用域用于传感器部署，并且提供如下积极价值。

EHSN网络技术通过传感器复杂性的简化提供降低的成本：传感器系统不再需要考虑到成本、维护、备用和安全性等的电源。功率是需要解决的重大系统操作的和生命周期的因素和逻辑项。完全不具有EHSN执行过程。

另外，EHSN网络技术通过减少的SWAP提供了传感器部署规模：现有传感器平台通常在尺寸、重量和功率方面很大，并且任何SWAP节约都是巨大价值的鉴别器，因为如果需要它生成用于要部署的额外能力的机会。

进一步地，EHSN网络技术提供任务耐久性：现今，传感器耗尽功率等于没有任务能力。在简陋环境(例如，没有功率)中操作和执行任务的能力是另一个有效值鉴别器。例如，士兵可配备有传感器并且一般携带工具箱(包括它们全部的设备)将大约是100至120lbs的级别.，其中的重要部分包括电池组。EHSN技术可以用于减少对这个电池的需求。

进一步地，本公开包括根据下列项的实施方式：

项1：一种能量收集传感器网络，包括：操作为节点的多个能量收集传感器(200-1、200-2…)，其中，能量收集传感器中的每一个被配置为根据预定义的通信协议进行操作；以及服务器(100)，被配置为与能量收集传感器无线通信；其中，预定义的通信协议包括接收状态，在接收状态下，节点发送向其他节点指示所述节点是醒的且具有足够的能量来接收和重新发送数据包的准备接收(RTR)信标。

项2：根据项1所述的能量收集传感器网络，其中，预定义的通信协议进一步包括睡眠状态和发送状态。

项3：根据项2所述的能量收集传感器网络，其中，多个能量收集传感器的一个能量收集传感器保持在睡眠状态下直到该能量收集传感器收集了预定阈值的能量。

项4：根据项3所述的能量收集传感器网络，其中，一旦收集到预定阈值的能量，能量收集传感器基于本地网络状态的非确定性函数进入发送状态和接收状态中的一个。

项5：根据项4所述的能量收集传感器网络，其中，非确定性函数基于信道状态、业务积压、局部拓扑或者能量特性确定操作模式。

项6：根据项4所述的能量收集传感器网络，其中，能量收集传感器在处于接收状态时，向多个传感器广播表示该能量收集传感器准备接收数据包的RTR信标广播；并且一旦从另一传感器接收到数据，则将该数据进行排队以朝向服务器发送。

项7：根据项6所述的能量收集传感器网络，其中，能量收集传感器在处于发送状态时等待从潜在中继节点接收RTR信标，其中，潜在中继节点通过适时路由方案来确定；如果能量收集传感器没有检测任何发送，它将数据包发送至通过适时中继方案确定的中继节点；并且如果能量收集传感器检测另一个发送，则它延迟发送直到已经完成了当前的有效发送。

项8：根据项2所述的能量收集传感器网络，其中，每个节点使用一个或多个接收的RTR信标路由数据包。

项9：根据项2所述的能量收集传感器网络，其中，预定义的通信协议包括媒体存取控制(MAC)协议。

项10：一种能量收集节点，包括：能量收集装置(210)；能量存储装置(220)，耦接至能量收集装置；微控制器(240)；以及无线收发器(250)，耦接至微控制器；其中，微控制器和无线收发器由能量存储装置供电；并且其中，微控制器被配置为根据预定义的通信协议操作能量收集节点，其中，收发器发送指示节点是醒并且具有足够的能量从另一节点接收数据包并重新发送该数据包的准备接收(RTR)信标。

项11：根据项10所述的能量收集节点，其中，预定义的通信协议进一步包括睡眠状态和发送状态。

项12：根据项11所述的能量收集节点，其中，能量收集节点被配置为保持在睡眠状态直到收集了预定阈值的能量。

项13：根据项12所述的能量收集节点，其中，一旦收集到预定阈值的能量，能量收集节点基于本地网络状态的非确定性函数进入发送状态和接收状态中的一个。

项14：根据项13所述的能量收集节点，其中，非确定性函数包括信道状态、业务积压、局部拓扑以及能量特性中的一个或多个。

项15：根据项13所述的能量收集节点，其中，接收状态下的能量收集传感器向多个传感器广播指示该能量收集传感器准备接收数据包的RTR信标；并且一旦从另一传感器接收到数据，则将该数据进行排队以朝向服务器发送。

项16：根据项15所述的能量收集节点，其中，能量收集节点在处于发送状态时等待从通过适时路由方案确定的潜在中继节点接收RTR信标；如果能量收集传感器没有检测任何发送，则它将数据包发送至通过适时中继方案确定的中继节点；并且如果能量收集传感器检测另一个发送，则它延迟发送直到已经完成了当前的有效发送。

项17：根据项11所述的能量收集节点，其中，能量收集节点使用一个或多个接收的RTR信标路由数据包以推断有关相邻节点的能量状态的信息。

项18：根据项11所述的能量收集节点，其中，预定义的通信协议包括媒体存取控制(MAC)协议。

项19：根据项10所述的能量收集节点，进一步包括传感器(230)。

项20：一种由包括多个节点以及被配置为与节点无线通信的网络中的第一能量收集节点采用的方法，包括：保持在睡眠状态下直到收集了预定阈值的能量；一旦收集到预定阈值的能量，基于非确定性函数进入发送状态或接收状态；在接收状态下，发送显示能量收集节点准备接收数据的准备接收(RTR)信标；并且从第二节点接收数据；在所述发送状态下：从节点接收RTR信标；检测任何进行中的发送；如果不存在进行中的发送则发送数据；并且如果另一节点正在发送则执行后退机制以延迟发送直到信道未被占用。

本文中公开的设备和方法的不同实例包括各种部件、特征和功能性。应当理解，本文中公开的设备和方法的各种实例可以以任意的组合包括本文中公开的设备和方法的任何其他实例的任何部件、特征以及功能性，并且所有这种可能性意指在本公开的精神和范围内。此外，本文中阐述的实例的许多修改将使本公开所属领域的技术人员将想到在以上描述和相关视图中呈现的教导的益处。因此，应当理解，本公开不限于呈现的具体实例，并且修改和其他实例旨在被包括在所附权利要求书的范围内。此外，尽管上述描述和相关附图在元件和/或功能的某些示例性组合的背景下描述了本公开的实例，但是应当理解，在不偏离所附权利要求书的范围的情况下元件和/或功能的不同组合可由替换性实现方式提供。