基于回路取電的工業無線網絡調度方法及裝置與流程
本申請涉及一種基于回路取電的工業無線網絡調度方法及裝置，屬于工業無線網絡調度領域。
背景技術：
工業無線網絡是由網關，網絡控制器，以及大量無線傳感器節點組成的集檢測與控制為一體的無線網絡結構。與傳統的控制系統相比，工業無線網絡可靠性高，部署靈活、成本低廉，因此得到廣泛應用。
目前，工業無線網絡中的無線傳感器節點主要以自身攜帶的電池來供電，在電量充足的情況下，工業網絡可以實現較高的實時性傳輸。但由于傳感器節點體積小，其攜帶的電量十分有限，隨著網絡中電量耗盡的節點數量增加，或某個關鍵節點的電量耗盡，網絡中數據流的可調度性及接收率會逐漸下降，甚至導致整個網絡癱瘓。因此，如何保持傳感器長期有電，實現工業無線網絡長時間高可靠的無線傳輸，成為研究人員主要關注的技術問題。
現有技術中為了提高工業無線網絡長時間高可靠的無線傳輸，主要采取以下三種方法：
(1)通過優化節點休眠/喚醒的比例，降低節點工作頻率；
(2)將相同或相近類別的數據包進行篩選和融合，減少節點轉發數據包的數量；
(3)通過提高單次傳輸的可靠性，降低重傳的數量，降低節點能耗開銷。
但是現有技術沒有從根本上解決網絡中節點攜帶電量有限的問題，不適用于一些儀表類傳感器節點及頻率較低卻需要長期監控的無線網絡環境。
技術實現要素：
根據本申請的一個方面，提供了一種基于回路取電的工業無線網絡調度方法，該方法從根本上解決了節點電量不足的問題，延長了長周期工業無線網絡生存時間，并且回路取電可靠性高，從而提高了無線網絡中數據傳輸的可靠性。
一種基于回路取電的工業無線網絡調度方法，包括：
確定節點當前工作狀態，工作狀態包括發送狀態和接收狀態；
根據節點當前工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，如果否，節點在回路中繼續充電；如果是，喚醒節點，當節點工作狀態為接收狀態時，在預設接收時隙接收數據包；當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包。
其中，確定節點當前工作狀態，具體為：
當節點中不存在待轉發數據包時，確定節點當前工作狀態為接收狀態；
若節點中存在待轉發數據包時，確定節點當前工作狀態為發送狀態。
其中，根據節點當前工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，具體為：
設發送狀態的節點所需能耗為ETx，ETx＝Eelec×l+ε×l×dα，QTX為發送狀態的節點剩余電量；
設接收狀態的節點所需能耗為ERx，ERx＝Eelec×l，QRX為接收狀態的節點剩余電量；
其中，Eelec是節點處理器每比特需要消耗的電量，l是數據包長度，ε是傳輸放大因數，α為路徑損耗指數，dα表示d的α次冪；
當QTX>ETx，或者QRX>ERx，確認節點剩余電量滿足能耗需求。
其中，節點在回路中繼續充電，具體為：
節點提高分壓檔次，在回路中繼續充電。
進一步地，在預設發送時隙發送數據包之前，還包括：
當待發送數據包超出截止期時，丟棄待發送數據包，切換至充電狀態。
進一步地的，還包括：
當節點在預設發送時隙發送數據包之后，降低回路取電的分壓檔次。
其中，所述分壓檔次根據節點中數據包的截止期來設定。
進一步地，在確定節點當前工作狀態之前，還包括：
根據數據包端到端截止期，在相同的目標節點與發送節點之間設置多對接收/發送時隙對。
根據本申請的又一個方面，提供了一種基于回路取電的工業無線網絡調度裝置，所述裝置包括：
確定模塊，用于確定節點當前工作狀態，工作狀態包括發送狀態和接收狀態；
判斷模塊，用于根據節點當前工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，如果否，觸發充電模塊；如果是，觸發喚醒模塊；
充電模塊，用于在回路中給節點繼續充電；
喚醒模塊，用于喚醒節點；
調度模塊，用于當節點工作狀態為接收狀態時，在預設接收時隙接收數據包；當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包。
進一步地，還包括：
降低模塊，用于在所述調度模塊發送數據包之后，降低回路取電的分壓檔次。
本申請能產生的有益效果包括：
1)本申請根據是否存在待轉發的數據包確定當前工作狀態，然后根據工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，如果不滿足能耗需求，則節點在回路中繼續充電；如果滿足能耗需求，則喚醒節點，當節點工作狀態為接收狀態時，在預設接收時隙接收數據包；當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包，本發明實施例利用回路取電的方式從根本上解決了節點電量不足的問題，延長了長周期工業無線網絡生存時間，并且回路取電不受環境和氣候等影響，只與回路電流相關，因此節點的取電效率穩定，與太陽能、風能、熱能等能量采集節點組成的無線網絡相比，可靠性更高，從而提高了無線網絡中數據傳輸的可靠性，尤其適用于一些儀表類傳感器節點及頻率較低卻需要長期監控的無線網絡環境；
2)進一步地，當節點剩余電量不滿足能耗需求時，節點提高分壓檔次，在回路中繼續充電，以達到快速充電，滿足能耗需求，及時傳輸數據包；
3)進一步地，當節點發送數據包后，降低回路取電的分壓檔次，確保回路不會因大幅分壓而降低質量；
4)進一步地，還可以根據節點中數據包的截止期，設定節點的分壓檔次，當距離節點中數據包的截止期越近的時隙，節點的分壓檔次越高，也就提高了節點的充電速度，從而降低由于電量不足引起的傳輸延遲；
5)進一步地，為了使數據包在錯過接收/發送時隙后，在節點電量充足后，仍然能夠傳輸該數據包，本申請在確定節點當前工作狀態之前，根據數據包端到端截止期，在相同的目標節點與發送節點之間設置多對接收/發送時隙對，以確保無線網絡數據傳輸可靠性。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的一種基于回路取電的工業無線網絡調度方法流程示意圖；
圖2為本發明實施例提供的一種基于回路取電的工業無線網絡調度裝置結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例詳述本申請，但本申請并不局限于這些實施例。
參見圖1，本發明實施例提供了一種基于回路取電的工業無線網絡調度方法，該方法包括：
101、確定節點當前工作狀態，工作狀態包括發送狀態和接收狀態；
具體地，當節點中不存在待轉發數據包時，確定節點當前工作狀態為接收狀態；若節點中存在待轉發數據包時，確定節點當前工作狀態為發送狀態。
102、根據節點當前工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，如果否，執行步驟103；如果是，執行步驟104；
具體地，根據節點當前工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，為：
設發送狀態的節點所需能耗為ETx，ETx＝Eelec×l+ε×l×dα，QTX為發送狀態的節點剩余電量；
其中，Eelec是節點處理器每比特需要消耗的電量，l是數據包長度，ε是傳輸放大因數，α為路徑損耗指數，dα表示d的α次冪。
設接收狀態的節點所需能耗為ERx，ERx＝Eelec×l，QRX為接收狀態的節點剩余電量；
當QTX>ETx，或者QRX>ERx，確認節點剩余電量滿足能耗需求。
103、節點在回路中繼續充電；
進一步地，為了提高充電速度，提高數據包的傳輸可靠性，本發明實施例還包括：
節點提高分壓檔次，在回路中繼續充電，以達到快速充電，滿足能耗需求，及時傳輸數據包。
104、喚醒節點，當節點工作狀態為接收狀態時，在預設接收時隙接收數據包；當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包。
進一步地，當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包之前還包括：
當待發送數據包超出截止期時，丟棄待發送數據包，并將節點切換至充電狀態。
進一步地，本發明實施例還包括：
當節點在預設發送時隙發送數據包之后，降低回路取電的分壓檔次。
需要說明的是，節點取電功率較小，其取電有多個分壓檔次，可根據回路的電流值設定。以Emerson的THUM無線HART適配器為例，當回路電流為最小值3.5mA時，最高分壓檔次的分壓最大值為2.25V，當回路電流為最大值25mA時，最低分壓檔次的分壓最小值為1.2V。
分壓檔次都有對應的充電效率，節點可以根據網絡管理器預分配的時隙和節點中數據包的截止期對自身的分壓檔次進行調整，以達到快速充電，提高數據包的實時性和可靠性。實際應用中，可以根據節點中數據包的截止期，設定節點的分壓檔次，當距離節點中數據包的截止期越近的時隙，節點的分壓檔次越高，也就提高了節點的充電速度，從而降低由于電量不足引起的傳輸延遲。
由于本發明實施例采用了回路取電，因此在節點發送完數據包后，可以降低回路取電的分壓檔次，以確保回路不因為大幅分壓而降低回路質量。
進一步地，為了使得節點時刻保持電量充足，本發明實施例還包括：
當節點確認數據包被成功接收后，切換至休眠充電狀態，以及時充電。
由于節點剩余電量不足會影響數據包的傳輸，為了使數據包在錯過接收/發送時隙后，在節點電量充足后，仍然能夠傳輸該數據包，本發明實施例在確定節點當前工作狀態之前，還包括：
根據數據包端到端截止期，在相同的目標節點與發送節點之間設置多對接收/發送時隙對，以確保無線網絡數據傳輸可靠性。
現有技術中，無線網絡大多采用電池供電節點組成，數據流通過多跳的方式，按照預先分配好的時隙和信道進行傳輸。然而受無線節點體積限制，節點攜帶電量有限，對于需要長時間監控的系統，節點無法保證長期可靠的網絡傳輸，因此采用電池供電節點組成的無線網絡并不適用于需要長時間進行監控的無線網絡環境。
本發明實施例中，節點根據是否存在待轉發的數據包確定當前工作狀態，然后根據工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，如果不滿足能耗需求，則節點在回路中繼續充電；如果滿足能耗需求，則喚醒節點，當節點工作狀態為接收狀態時，在預設接收時隙接收數據包；當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包，本發明實施例利用回路取電的方式從根本上解決了節點電量不足的問題，延長了長周期工業無線網絡生存時間，并且回路取電不受環境和氣候等影響，只與回路電流相關，因此節點的取電效率穩定，與太陽能、風能、熱能等能量采集節點組成的無線網絡相比，可靠性更高，從而提高了無線網絡中數據傳輸的可靠性，尤其適用于一些儀表類傳感器節點及頻率較低卻需要長期監控的無線網絡環境；進一步地，當節點剩余電量不滿足能耗需求時，節點提高分壓檔次，在回路中繼續充電，以達到快速充電，滿足能耗需求，及時傳輸數據包；進一步地，當節點發送數據包后，降低回路取電的分壓檔次，確保回路不會因大幅分壓而降低質量；進一步地，還可以根據節點中數據包的截止期，設定節點的分壓檔次，當距離節點中數據包的截止期越近的時隙，節點的分壓檔次越高，也就提高了節點的充電速度，從而降低由于電量不足引起的傳輸延遲；進一步地，為了使數據包在錯過接收/發送時隙后，在節點電量充足后，仍然能夠傳輸該數據包，本發明實施例在確定節點當前工作狀態之前，根據數據包端到端截止期，在相同的目標節點與發送節點之間設置多對接收/發送時隙對，以確保無線網絡數據傳輸可靠性。
參見圖2，本發明實施例提供了一種基于回路取電的工業無線網絡調度裝置，該裝置包括：確定模塊201、判斷模塊202、充電模塊203、喚醒模塊204和調度模塊205；
確定模塊201，用于確定節點當前工作狀態，工作狀態包括發送狀態和接收狀態；
判斷模塊202，用于根據節點當前工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，如果否，觸發充電模塊203；如果是，觸發喚醒模塊204；
充電模塊203，用于在回路中給節點繼續充電；
喚醒模塊204，用于喚醒節點；
調度模塊204，用于當節點工作狀態為接收狀態時，在預設接收時隙接收數據包；當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包。
進一步地，本發明實施例還包括：丟棄模塊，用于在調度模塊204發送數據包之前，確認待發送數據包超出截止期時，丟棄待發送數據包，并將節點切換至充電狀態。
進一步地，本發明實施例還包括：降低模塊，用于在調度模塊204發送數據包之后，降低回路取電的分壓檔次。
進一步地，為了使得節點時刻保持電量充足，本發明實施例還包括：切換模塊，用于當節點確認數據包被成功接收后，切換至休眠充電狀態，以及時充電。
需要說明的是，節點取電功率較小，其取電有多個分壓檔次，可根據回路的電流值設定。分壓檔次都有對應的充電效率，節點可以根據網絡管理器預分配的時隙和節點中數據包的截止期對自身的分壓檔次進行調整，以達到快速充電，提高數據包的實時性和可靠性。因此，本發明實施例還包括設定模塊，用于根據節點中數據包的截止期，設定節點的分壓檔次。具體地，當距離節點中數據包的截止期越近的時隙，設定模塊設定該節點的分壓檔次越高。
由于節點剩余電量不足會影響數據包的傳輸，為了使數據包在錯過接收/發送時隙后，在節點電量充足后，仍然能夠傳輸該數據包，本發明實施例還包括：設置模塊，用于根據數據包端到端截止期，在相同的目標節點與發送節點之間設置多對接收/發送時隙對。
本發明實施例中，節點根據是否存在待轉發的數據包確定當前工作狀態，然后根據工作狀態判斷節點剩余電量是否滿足能耗需求，如果不滿足能耗需求，則節點在回路中繼續充電；如果滿足能耗需求，則喚醒節點，當節點工作狀態為接收狀態時，在預設接收時隙接收數據包；當節點工作狀態為發送狀態時，在預設發送時隙發送數據包，本發明實施例利用回路取電的方式從根本上解決了節點電量不足的問題，延長了長周期工業無線網絡生存時間，并且回路取電不受環境和氣候等影響，只與回路電流相關，因此節點的取電效率穩定，與太陽能、風能、熱能等能量采集節點組成的無線網絡相比，可靠性更高，從而提高了無線網絡中數據傳輸的可靠性，尤其適用于一些儀表類傳感器節點及頻率較低卻需要長期監控的無線網絡環境；進一步地，當節點剩余電量不滿足能耗需求時，節點提高分壓檔次，在回路中繼續充電，以達到快速充電，滿足能耗需求，及時傳輸數據包；進一步地，當節點發送數據包后，降低回路取電的分壓檔次，確保回路不會因大幅分壓而降低質量；進一步地，還可以根據節點中數據包的截止期，設定節點的分壓檔次，當距離節點中數據包的截止期越近的時隙，節點的分壓檔次越高，也就提高了節點的充電速度，從而降低由于電量不足引起的傳輸延遲；進一步地，為了使數據包在錯過接收/發送時隙后，在節點電量充足后，仍然能夠傳輸該數據包，本發明實施例在確定節點當前工作狀態之前，根據數據包端到端截止期，在相同的目標節點與發送節點之間設置多對接收/發送時隙對，以確保無線網絡數據傳輸可靠性。
以上所述，僅是本申請的幾個實施例，并非對本申請做任何形式的限制，雖然本申請以較佳實施例揭示如上，然而并非用以限制本申請，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本申請技術方案的范圍內，利用上述揭示的技術內容做出些許的變動或修飾均等同于等效實施案例，均屬于技術方案范圍內。
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