本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線傳感器節(jié)點往往采用電池供電，其供電容量極其有限，而頻繁充電或更換電池又是不便的。因此，如何降低節(jié)點功耗、延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期，是值得研究的問題。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能研究中，其方法和技術(shù)按照研究對象的不同主要分為兩類：單個節(jié)點的節(jié)能技術(shù)和整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)。對于單個節(jié)點，其節(jié)能技術(shù)主要包括：節(jié)點硬件電路的低功耗、軟件操作系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化處理、無線射頻收發(fā)的節(jié)能設(shè)計、休眠與喚醒機制等；對于整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)能技術(shù)主要包括：基于能量有效性的路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓撲管理與控制、數(shù)據(jù)融合處理等。

為了解決上述技術(shù)問題，人們進行了長期的探索，例如中國專利公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能管理方法、系統(tǒng)及遠程管理服務(wù)器[申請?zhí)枺篊N201010291640.4]，該方法包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點剩余能量信息、和/或網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、和/或節(jié)點休眠信息通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送至遠程管理服務(wù)器；遠程管理服務(wù)器存儲所述節(jié)點剩余能量信息、和/或網(wǎng)絡(luò)拓撲信息、和/或節(jié)點休眠信息，并根據(jù)上述信息進行節(jié)能決策，將所述節(jié)能決策通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本方案通過遠程管理服務(wù)器為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供節(jié)能策略，能夠降低無線傳感網(wǎng)絡(luò)因網(wǎng)絡(luò)拓撲管理造成的處理量，從而降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗、延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命期，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程節(jié)能管理。

再如，一種基于傳感節(jié)點能量獲取的電力物聯(lián)網(wǎng)路由方法[申請?zhí)枺篊N201610695574.4]，該方法包括如下步驟：(l)每輪開始,節(jié)點接收基站廣播的上一輪節(jié)點的電池電量以及能源獲取狀態(tài)；(2)判斷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于哪種工作狀態(tài)，如果電池電量達到最大值，且此時還有能源補充，則為性能優(yōu)先狀態(tài)；如果電池電量大于閾值，且此時有能源補充，則處于正常工作狀態(tài)；如果電池電量大于閾值，但無能源補充，則進入節(jié)能優(yōu)先狀態(tài)；如果電池電量低于閾值，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進入節(jié)能優(yōu)先狀態(tài)；(3)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，確定無線傳輸半徑，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率；(4)計算組網(wǎng)，選擇簇首閾值；確定簇首；(5)數(shù)據(jù)傳輸開始，簇內(nèi)節(jié)點監(jiān)測到數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)包發(fā)送到簇首,簇首節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)進行融合；(6)簇首節(jié)點將融合后數(shù)據(jù)傳遞到基站,數(shù)據(jù)傳輸采用簇間多跳的方式；(7)基站接收到全網(wǎng)數(shù)據(jù),根據(jù)傳來數(shù)據(jù)包中的節(jié)點剩余能耗和存儲能量信息計算這一輪的節(jié)點平均能耗值和儲能值，本發(fā)明方法根據(jù)節(jié)點的能量以及能源獲取的情況，自動判斷節(jié)點自身狀態(tài)，選擇不同的工作模式，起到節(jié)約能量，降低功耗的效果。

上述兩個技術(shù)方案分別在一定程度起到了降低功耗的目的，但是其都是從采用外部手段達到目的，還需要浪費一定量的能耗。而在正常情況下，當CPU通過無線發(fā)送報文時，消耗的電能和發(fā)送和報文個數(shù)成正比，而和報文的長度影響不大，即如果發(fā)送的報文長度變長，而報文個數(shù)不變，則消耗的電能會稍微上升，但不會是正比，影響很小，所以可以從報文本身的負載上著手以達到降低功耗的目的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述問題，提供一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法；

本發(fā)明的另一目的是針對上述問題，提供一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案：

本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法，包括以下步驟：

S1：判斷節(jié)點設(shè)備處于休眠狀態(tài)還是工作狀態(tài)；

S2：若判斷結(jié)果為節(jié)點設(shè)備處于工作狀態(tài)，

通過工作報文的容量空隙負載定期報文的數(shù)據(jù)信息，以使定期報文的數(shù)據(jù)信息利用容量空隙與工作報文一起通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送至服務(wù)器；

若判斷結(jié)果為節(jié)點設(shè)備處于休眠狀態(tài)，則執(zhí)行步驟S3；

S3：節(jié)點設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備單獨發(fā)送定期報文至服務(wù)器。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法中，在步驟S2中，當節(jié)點設(shè)備處于工作狀態(tài)時，工作報文的容量空隙負載定期報文的數(shù)據(jù)信息方法包括以下步驟：

S2.1：將每個工作報文分片成若干工作分片報文，且至少一個工作報文的至少一個工作分片報文留有一定容量的容量空隙；

S2.2：將定期報文分片成若干定期分片報文，且使每個定期分片報文信息量小于或等于對應(yīng)的容量空隙的容量；

S2.3：將各個定期分片報文的數(shù)據(jù)信息置于對應(yīng)的各個工作分片報文中的容量空隙，使工作報文攜帶定期報文的數(shù)據(jù)信息一起通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送至服務(wù)器。

通過上述技術(shù)方案，由于報文最大負載有限，在將工作報文分片傳送的同時利用了每個報文的末尾，即報文與報文之間的容量空隙來發(fā)送定期報文等單純用于大數(shù)據(jù)的信息收集的額外信息，而這增加的額外信息并不會增加報文，只是將每條報文的內(nèi)容更加充實，幾乎不額外消耗電能，達到省電的目的。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法中，在步驟S2.1中，所述的容量空隙位于工作報文的最后一個工作分片報文中。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法中，在步驟S2.2中，所述的定期報文根據(jù)工作報文的容量空隙的容量大小進行分片以使定期分片報文的數(shù)據(jù)信息能夠利用工作報文的容量空隙完整地進行傳輸。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法中，在步驟S3中，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點根據(jù)所設(shè)周期向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送定期報文，網(wǎng)關(guān)設(shè)備再通過無線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送定期報文。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法中，所述的節(jié)點設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間采用Zigbee協(xié)議進行通信連接。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法中，所述的節(jié)點設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間采用IEEE 802.15.4協(xié)議進行通信連接。

一種采用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)，包括節(jié)點設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和服務(wù)器，所述的節(jié)點設(shè)備通過用于將節(jié)點設(shè)備發(fā)送的工作報文進行分片傳送且能夠在工作報文末尾攜帶定期分片報文數(shù)據(jù)信息的MAC層與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行通信連接，所述網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)連接于服務(wù)器。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)中，所述的MAC層連接有用于計算每一個工作報文末尾的容量空隙容量大小的容量空隙計算單元，所述的容量空隙用于容納定期分片報文的數(shù)據(jù)信息，所述的定期分片報文由定期報文根據(jù)容量空隙計算單元計算得到的容量空隙的容量大小進行分片而得。

在上述的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)中，所述的節(jié)點設(shè)備為智能終端，所述的網(wǎng)關(guān)設(shè)備為路由器。

本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法利用工作報文的容量空隙傳輸定期報文，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時減少報文的發(fā)送個數(shù)，大大節(jié)約了報文發(fā)送消耗的能量。

本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)具有系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡單、節(jié)能效果好等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一的工作流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例二的系統(tǒng)框圖。

圖中，智能終端1；路由器2；服務(wù)器3。

具體實施方式

以下是本發(fā)明的優(yōu)選實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。

實施例一

如圖1所示，一種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：判斷節(jié)點設(shè)備處于休眠狀態(tài)還是工作狀態(tài)；

當然，在本步驟以前，需要將節(jié)點設(shè)備通電使整個系統(tǒng)處于工作或休眠狀態(tài)才能得到判斷結(jié)果；

S2：若判斷結(jié)果為節(jié)點設(shè)備處于工作狀態(tài)，

通過工作報文的容量空隙負載定期報文的數(shù)據(jù)信息，以使定期報文的數(shù)據(jù)信息利用容量空隙與工作報文一起通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送至服務(wù)器3；

在此步驟中，當節(jié)點設(shè)備處于工作狀態(tài)的時候，工作報文的容量空隙負載定期報文的數(shù)據(jù)信息方法包括以下步驟：

S2.1：將每個工作報文分片成若干工作分片報文，且至少一個工作報文的至少一個工作分片報文留有一定容量的容量空隙；

其中，進一步地，容量空隙位于工作報文的最后一個工作分片報文中。

S2.2：將定期報文分片成若干定期分片報文，且使每個定期分片報文信息量小于或等于對應(yīng)的容量空隙的容量；

更具體地說，定期報文根據(jù)工作報文的容量空隙的容量大小進行分片以使定期分片報文的數(shù)據(jù)信息能夠利用工作報文的容量空隙完整地進行傳輸，因為，如果定期分片報文的數(shù)據(jù)信息若超過工作報文的容量空隙的容量，部分定期分片報文的數(shù)據(jù)信息便會被丟棄，而導致工作報文攜帶的定期不完整，使大數(shù)據(jù)收集結(jié)果出現(xiàn)偏差。

S2.3：將各個定期分片報文的數(shù)據(jù)信息置于對應(yīng)的各個工作分片報文中的容量空隙，使工作報文攜帶定期報文的數(shù)據(jù)信息一起通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送至服務(wù)器3。

本實施例假定每個工作報文的長度一樣，且每個工作報文的容量空隙的容量空間一樣大，具體做如下說明：

由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的MAC層一般設(shè)計的最大MTU都很小，比如本實施例的802.15.4協(xié)議的報文的最大負載為102byte，而上層報文一般都很長，所以需要將工作報文進行分片，這里假設(shè)上層報文長度為1000，則我們需要分片成1000/102+1個報文，即10個報文，其中前面9個報文的負載長度為102byte，最后一個報文的負載長度為82byte。這意味著最后一個報文還能負載(102-82)＝20byte。

而且，在正常情況下，當CPU通過無線發(fā)送報文時，消耗的電能和發(fā)送的報文個數(shù)成正比，而與報文的長度影響不大，即如果發(fā)送的報文長度變長，而報文個數(shù)不變，則消耗的電能會稍微上升，但不會是正比，影響很小。

本實施例就是利用這一規(guī)律和剩余的20byte來發(fā)送額外信息以達到省電目的：具體地說，由于利用這20byte發(fā)送額外信息不會增加報文，幾乎不額外消耗電能，以此達到省電的目的，因為正常情況下，這個額外的信息需要額外發(fā)送報文，這額外發(fā)送的報文明顯會消耗電能。

具體地，此處針對本實施例做進一步的解釋說明；

當前在物理網(wǎng)中的節(jié)點設(shè)備在不管處于休眠狀態(tài)還是非休眠狀態(tài)下，一般會定期向服務(wù)器3發(fā)送信息(A報文)，這種信息大多是用于大數(shù)據(jù)的信息收集。

當節(jié)點處于工作狀態(tài)，本身就有很多工作報文需要發(fā)送，采用本實施例的方案，可以在工作報文的最后一個分片中發(fā)送定期報文的數(shù)據(jù)信息；當然分片中留下的空間，即容量空隙的容量可能不夠容納整個完整的定期報文的數(shù)據(jù)信息，所以我們可以把A報文再進行分片，在多個工作報文的最后一個分片中傳送。

比如A報文共100byte，每個工作報文最后一個分片可平均支持發(fā)送20byte，則A報文5個工作報文就能順帶發(fā)送完，這個做法對于緊急事件無法應(yīng)對，但對于數(shù)據(jù)收集這種實時性不強的事件則可以省電。

若判斷結(jié)果為節(jié)點設(shè)備處于休眠狀態(tài)，則執(zhí)行步驟S3；

S3：節(jié)點設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備單獨發(fā)送定期報文至服務(wù)器3。

在步驟S3中，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點根據(jù)所設(shè)周期向網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送定期報文，網(wǎng)關(guān)設(shè)備再通過無線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器3發(fā)送定期報文。

進一步地，節(jié)點設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間直接采用IEEE 802.15.4協(xié)議進行通信連接，802.15.4,即IEEE用于低速無線個人域網(wǎng)(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層規(guī)范，該協(xié)議能支持消耗功率最少，一般在個人活動空間(10m直徑或更小)工作的簡單器件，支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲，即單跳星狀或當通信線路超過10m時的多跳對等拓撲，但是對等拓撲的邏輯結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層定義，LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關(guān)聯(lián)過程中指配的16位短地址，一個802.15.4網(wǎng)可以容納最多216個器件，足夠用于智能家居環(huán)境中，而且802.15.4協(xié)議數(shù)據(jù)報文長度短(137byte，遠小于WIFI的1500byte)，報文個數(shù)多，極易產(chǎn)生尾部間隙，整個尾部間隙累計很可觀。

實施例二

如圖2所示，本實施例與實施例一類似，不同之處在于，本實施例為一種采用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)，本實施例以智能家居網(wǎng)絡(luò)為例進行具體說明，本實施例的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)包括節(jié)點設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和服務(wù)器3，所述的節(jié)點設(shè)備通過用于將節(jié)點設(shè)備發(fā)送的工作報文進行分片傳送且能夠在工作報文末尾攜帶定期分片報文數(shù)據(jù)信息的MAC層與網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行通信連接，所述網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)連接于服務(wù)器3。

進一步地，MAC層連接有用于計算每一個工作報文末尾的容量空隙容量大小的容量空隙計算單元，所述的容量空隙用于容納定期分片報文的數(shù)據(jù)信息，所述的定期分片報文由定期報文根據(jù)容量空隙計算單元計算得到的容量空隙的容量大小進行分片而得。具體地說，容量空隙單元通過監(jiān)測計算得到每一個工作報文末尾的容量空隙的容量大小，假設(shè)5個工作報文末尾的容量空隙的容量大小的監(jiān)測計算結(jié)果分別為20byte，30byte，40byte，50byte和60byte，則100byte大小的定期報文的數(shù)據(jù)就根據(jù)前述各個容量空隙的容量大小被分片為20byte、30byte、和50byte，將被分片后的數(shù)據(jù)分別置于20byte，30byte和50byte的容量空隙進行傳送，當然，只要滿足定期分片報文的數(shù)據(jù)信息的大小小于或等于容量空隙的容量大小即可被該容量空隙攜帶傳送，即20byte大小的定期分片報文的數(shù)據(jù)信息可以由容量為20byte，30byte，40byte，50byte和60byte的任意一個容量空隙攜帶，但是50byte大小的定期分片報文的數(shù)據(jù)信息只能由容量為50byte或60byte大小的容量空隙攜帶。

進一步地，所述的節(jié)點設(shè)備為智能終端1，所述的網(wǎng)關(guān)設(shè)備為路由器2。

實施例三

本實施例與實施例一類似，不同之處在于，本實施例的節(jié)點設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間采用Zigbee協(xié)議進行通信連接。

ZigBee協(xié)議適應(yīng)無線傳感器的低花費、低能量、高容錯性等的要求，Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標準化；Zigbee是一種短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接，由于它有自己的協(xié)議標準，可以在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，具有更好的兼容性，以及滿足更多設(shè)備之間的通訊要求。

本發(fā)明物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能方法利用工作報文的容量空隙傳輸定期報文，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時減少報文的發(fā)送個數(shù)，大大節(jié)約了報文發(fā)送消耗的能量，同時，本發(fā)明的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點節(jié)能系統(tǒng)具有系統(tǒng)硬件架構(gòu)簡單、節(jié)能效果好等優(yōu)點。

下面利用具體場景進一步地對本發(fā)明的工作原理和方案優(yōu)點進行具體的分析說明：

當前在物理網(wǎng)中的節(jié)點設(shè)備在不管處于休眠狀態(tài)還是非休眠即工作狀態(tài)下，一般會定期向服務(wù)器3發(fā)送信息(A報文)，這種信息大多是用于大數(shù)據(jù)的信息收集；

現(xiàn)有技術(shù)的步驟：

1. 10分鐘定時觸發(fā)；

2.終端從待機中喚醒，發(fā)送獨立報文給服務(wù)器3；

3.在終端由于其他業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)通信時，會被單獨喚醒。

假設(shè)統(tǒng)計一個小時的報文數(shù)量，終端處理業(yè)務(wù)需發(fā)送100個工作報文，發(fā)送采集的數(shù)據(jù)6個定期報文(10分鐘一個，1個小時共6個)。所以一個小時內(nèi)共發(fā)送100+6＝106個報文。

本發(fā)明的步驟：

1. 10分鐘定時觸發(fā)，當節(jié)點處于工作狀態(tài)時，不單獨發(fā)送定期報文，等著其他業(yè)務(wù)即工作報文發(fā)送的時候一起發(fā)送；

2.在終端由于其他業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)通信時，會被單獨喚醒，在發(fā)送報文的同時，利用尾部空隙，發(fā)送采集的報文，這樣采集數(shù)據(jù)就不需要單獨發(fā)送報文。

假設(shè)統(tǒng)計一個小時的報文數(shù)量，終端處理業(yè)務(wù)需發(fā)送100個報文，發(fā)送采集的數(shù)據(jù)需6個報文(10分鐘一個，1個小時共6個)。但這6個報文的內(nèi)容通過100個報文的尾部空隙發(fā)送。所以一個小時內(nèi)共發(fā)送100個報文。

和現(xiàn)有技術(shù)的步驟相比，減少了6個報文的發(fā)送，由于報文發(fā)送會消耗電能，且消耗的電能和報文個數(shù)成正比，所以本發(fā)明通過減少報文發(fā)送數(shù)量的方式起到節(jié)點節(jié)能的效果。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了智能終端1；路由器2；服務(wù)器3；節(jié)點設(shè)備；網(wǎng)關(guān)設(shè)備；定期報文；定期分片報文；工作報文；工作分片報文；容量空隙；容量空隙計算單元等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性，例如本發(fā)明中的“工作分片報文”也可以寫成“工作報文分片”，但是，為了避免與“將每個工作報文分片成若干……”中的動詞“分片”造成混淆，使讀者清晰了解技術(shù)方案，本發(fā)明而采用了“工作分片報文”這個術(shù)語。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。