一种分布式zigbee网络节点节能方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种分布式zigbee网络节点节能方法。
【背景技术】
[0002]ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物 理层（PHY)、媒体访问控制层（MAC)、传输层（TL)、网络层（NWK)、应用层（APL)等。其中物 理层和媒体访问控制层遵循IEEE802. 15. 4标准的规定。
[0003]ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓 扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器（Coordinator)、汇聚 节点（Router)、传感器节点（EndDevice)等三种角色。
[0004] ZigBee是一种无线连接，可工作在2. 4GHz(全球流行）、868MHz(欧洲流行）和 915MHz(美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速 率，它的传输距离在l〇-75m的范围内，但可以继续增加。
[0005] 然而，目前的zigbee网络大多设置在无需人员时刻在场的环境中，尤其是一些恶 劣的环境中，上述环境会导致能耗显著增加，这对zigbee网络的节能提出了较高的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0007] 根据本发明的实施方式，提出了一种分布式zigbee网络节点节能方法，所述方法 包括：
[0008]A1?按规划预设zigbee网络节点；
[0009]A2.确定不标准蜂窝空间以及相邻节点组；
[0010]A3.预定节点模式分组，重置节点模式；
[0011]A4.通过模式切换协议进行节点模式变更。
[0012] 根据本发明的实施方式，所述步骤A1具体包括：
[0013] 设待感测的规划区域中按规划布设n个zigbee网络节点，节点组合表示为S= {SpS2，…，Si，…，SJ，其中Si表示第i个zigbee网络节点，同时设节点S#对应的维度 矢量为Q，维度矢量的分组表示为L= {Li，L2，…，Ln}，每个zigbee网络节点都具有互相 通信、感测的能力，节点的最大通信距离为R。，最大感测距离为Rs。
[0014] 根据本发明的实施方式，所述步骤A2具体包括：
[0015] 节点Si所对应的不标准蜂窝空间Ci的确定方法为：分别连接节点Si与其周围节 点I，并作每一条线段的中垂线，中垂线相交形成的包含Si在内的多边形区域即为节点Si 所对应的不标准蜂窝空间Q，与多边形蜂窝空间(^毗邻的通信范围之内的多边形q所包含 的节点S，卩为Si的相邻节点，在不标准蜂窝模型中，每个蜂窝的相邻个数都不相同，因此可 确定节点相邻节点组Ni，预定为：Ni={Sj|CjconnectCi，j= 1，2，…，n}。
[0016] 根据本发明的实施方式，所述步骤A3具体包括：
[0017] zigbee网络节点采用自适应多路访问控制协议，节点定时地按照模式切换协议选 择激活或失活模式，失活模式时，节点进入失活模式以节省电量；激活模式时，节点感测周 围环境并进行相应处理；预定包含n个节点模式的分组Q为：Q={Qi|QiG{〇, 1}，i= 1， 2,…，n}，其中％表示节点S^勺模式，0和1分别表示该节点处于失活和激活模式；同时， 重置节点模式以50%随机取0或1。
[0018] 根据本发明的实施方式，所述步骤A4具体包括：
[0019] 在节点感测范围内，背景干扰对节点Si的效应服从单指数族分布，参数值为：
[0020] Noise_i=a?eb'dls-\其中dis_i<Rs是节点Si与感测目标的距离，当dis_i> 艮时，即感测目标不在节点Si的感测范围内，预定此时背景干扰的效应为无限大；a，b为预 先设置的参数值；
[0021] 对背景干扰因素进行标量转换处理，标量转换的背景干扰为：
[0022]
【主权项】
1. 一种分布式Zigbee网络节点节能方法，所述方法包括： Al.按规划预设zigbee网络节点； A2.确定不标准蜂窝空间以及相邻节点组； A3.预定节点模式分组，重置节点模式； A4.通过模式切换协议进行节点模式变更。
2. -种如权利要求1所述的方法，所述步骤Al具体包括： 设待感测的规划区域中按规划布设η个zigbee网络节点，节点组合表示为S = (S1, S2，…，Si,…，SJ，其中Si表示第i个zigbee网络节点，同时设节点对应的维度矢量 SLi，维度矢量的分组表示为L= IL1, L2，…，LJ，每个zigbee网络节点都具有互相通信、 感测的能力，节点的最大通信距离为R。，最大感测距离为R s。
3. -种如权利要求2所述的方法，所述步骤A2具体包括： 节点Si所对应的不标准蜂窝空间C i的确定方法为：分别连接节点S i与其周围节点S」， 并作每一条线段的中垂线，中垂线相交形成的包含Si在内的多边形区域即为节点S i所对应 的不标准蜂窝空间Ci,与多边形蜂窝空间(^毗邻的通信范围之内的多边形q所包含的节点 Sj即为S ,的相邻节点，在不标准蜂窝模型中，每个蜂窝的相邻个数都不相同，因此可确定节 点 相邻节点组 Ni,预定为：Ni= {Sj I Cj connect Ci, j = 1，2，…，n} 〇
4. 一种如权利要求3所述的方法，所述步骤A3具体包括： zigbee网络节点采用自适应多路访问控制协议，节点定时地按照模式切换协议选择激 活或失活模式，失活模式时，节点进入失活模式以节省电量；激活模式时，节点感测周围环 境并进行相应处理；预定包含η个节点模式的分组Q为：Q = (QiIQiG {〇，l}，i = 1，2,…， η}，其中％表示节点S ^勺模式，0和1分别表示该节点处于失活和激活模式；同时，重置节 点模式以50 %随机取0或1。
5. -种如权利要求4所述的方法，所述步骤Α4具体包括： 在节点感测范围内，背景干扰对节点Si的效应服从单指数族分布，参数值为： Noise_i = a · eb'dls-S其中dis_i < Rs是节点S i与感测目标的距离，当dis_i > R s 时，即感测目标不在节点Si的感测范围内，预定此时背景干扰的效应为无限大；a，b为预先 设置的参数值； 对背景干扰因素进行标量转换处理,标量转换的背景干扰为：
其中，Noisemax为背景干扰最大干扰参数值，由于节点的最大感测距离为Rs，因此将最 大背景干扰参数值预定为《 同时，设节点剩余电量为E i，本节点及相邻节点的平均剩余电量为Ei av，计算公式 为：
其中，Ej表示在节点s i的相邻组内的节点s」的剩余电量，IniI为节点Si的相邻组Ni 中元素的个数；同时，预定节点剩余电量水平参数值为
zigbee网络节点在t+Ι时刻的工作/失活模式由背景干扰的效应和该节点及其相邻节 点在t时刻的剩余电量共同决定； 预定zigbee网络节点Si在时刻t的激活加权W i (t)的计算式为：
其中，Ei (t)，Ei_av(t)分别表示节点51在t时刻的剩余电量值和相邻节点的平均剩余电 量值；No_i (t)表示节点51在t时刻受到的背景干扰效应标量转换参数值；k i，1^2分别为剩 余电量水平参数值和背景干扰效应参数值的比重； 同时设定一动态激活门限值Wth(t)为各节点激活加权的平均值，即 Wth(t) = average Iffi (t)，i = 1，2，...，n}〇
6. -种如权利要求5所述的方法，每个节点具有一个节点模式标示符，同时以定时器 来记录节点失活的时间；如果节点3 1在〖时刻的模式为"1"，判断该节点的激活加权是否大 于激活门限值，若是，则该节点在t+Ι时刻的模式保持为" 1"，否则，节点在t+Ι时刻的模式 转换为"0"，同时将节点模式标示符置为1，并启动定时器，当定时器计满，则将节点模式标 示符重新置为〇 ;如果节点Si在t时刻的模式为"0"，则对节点模式标示符进行判断，若为 1，则继续失活，若为0,则该节点在t+Ι时刻的模式变更为" 1"。
7. -种如权利要求6所述的方法，所述步骤A2所述的节点S 1周围节点\具体为： SjE (SjI ILj-LiI I < Rc，j = 1，2，...，n}。
8. -种如权利要求7所述的方法，所述参数b计算方法为：σ 2=l/b2,其中σ为背景 干扰的标准差。
【专利摘要】本发明的分布式zigbee网络节点节能方法，包括：A1.按规划预设zigbee网络节点；A2.确定不标准蜂窝空间以及相邻节点组；A3.预定节点模式分组，重置节点模式；A4.通过模式切换协议进行节点模式变更。所述节能方法针对环境背景下的分布式zigbee网络，将zigbee网络中的zigbee网络节点视为蜂窝节点，各zigbee网络节点只需掌握其自身及相邻节点的信息，即可决策其激活或失活模式。同时将背景干扰等环境因素以及节点的剩余电量水平考虑在模式切换协议的设计中，能有效地解决环境zigbee网络可靠性与耗能之间的问题，从而达到提高zigbee网络节点利用率、延长zigbee网络寿命的目的。
【IPC分类】H04W84-18, H04W52-02
【公开号】CN104540194
【申请号】CN201410782985
【发明人】余凤莲
【申请人】余凤莲
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月16日