CN108601054B - 自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法及*** - Google Patents

自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法及***，方法中当一个新节点A加入已有的无线传感网络时，新节点A打开非易失射频NVRF；新节点A通过NVRF寻找无线传感网络中距离其最近的节点B；新节点A复制节点B的NVRF状态形成节点B的克隆节点，然后新节点A和节点B组成克隆节点组；新节点A同步实时时钟定时器，接收时钟滴答的初始相位偏移量以及预设的滴答计数；关闭NVRF，新节点A加入该无线传感网，新节点A所在的克隆节点组通过节点虚拟化算法构成一个虚拟逻辑节点。本发明解决能量采集环境下自供能无线传感网中传感节点频繁断电导致的网络服务质量降低问题，提高采用NVRF自供能无线传感网服务质量。

Description

自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法及***
技术领域
本发明涉及物联网运算技术领域，具体涉及一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法及***。
背景技术
传统电池具有环境污染、频繁充电、维护困难、易燃易爆等短期内无法解决的缺陷，已成为制约物联网设备更广泛应用的关键因素。能量采集技术能够通过采集外界能量(如太阳能、射频、震动、温差等)，源源不断地为设备***提供清洁无污染的能源。因此，自供能已经成为无线传感网重要的能量获取方式，已被应用到诸多***中，如区域监测、环境监测、工业设备监测、医疗健康监测等。然而，自供能存在着能量有限，变化剧烈以及难以预测的缺陷，因此，自供能无线传感网节点需要通过计算架构、***电路和软件算法方面的技术来合理存储和利用有限的采集能量，使得能量利用效率最优化。
针对能量采集环境下供能变化剧烈的问题，采用非易失处理器可以保证无线传感网节点相对稳定地完成计算任务。现有的非易失处理器通过对内存和通用数据寄存器进行非易失化，当***发生断电时，内存和寄存器中的数据被快速备份到非易失存储单元中，重新上电时非易失存储单元中的数据又能被恢复，计算进度和中间数据得以保存，从而使得计算任务能够不受断电影响继续执行，大大提升***在采集能量不稳定环境下的计算效率。
由于断电后传统传感网节点的射频模块中的配置状态和数据会丢失，传统传感网节点在每次发送数据前需要先对射频模块进行初始化操作。传统的基于软件的射频初始化方案需要处理器通过总线将存储在非易失存储器中的配置数据读取出来，处理后再通过总线发送给射频收发机。而非易失射频技术通过增加非易失射频控制器(NVRF)，以硬件控制的IO接口来实现快速高效的射频模块初始化操作。当供电恢复后，非易失射频控制器可自动将存储在控制器里非易失寄存器中的射频配置信息和待发送数据，通过DMA的方式发送给射频模块，而无需节点的处理器的控制，从而可与处理器控制的其他初始化操作并行执行，提高整个***的启动速度。
基于能量采集技术的自供能传感节点组成的无线传感网通常采用自组织集群网络结构。常用的网络拓扑结构有星型、总线型、树型和网格型等结构。在桥梁监测、轨道监测等应用中，由于节点通常沿着桥梁、轨道布置，其无线传感网一般采用链型拓扑结构。传感网中的节点主要与其他在地域上接近的节点进行通信，以节省数据通信的能量。由于自供能传感节点供能变化大，断电频繁且难以预测，导致整个传感网通信的不稳定，需要频繁地重组网络结构。为提高无线传感网在能量采集场景下的可靠性，传统技术采用增加传感节点数量和密度的方法，但该方法却不一定能提高自供能无线传感网的服务质量(QoS)。如图1所示，图中纯灰色的圆圈如11、12和13代表能量充足，可供采集和传输数据；图中带小方块的圆圈如33、34和35代表能量富余，除可供采集和传输数据外还有多余的能量；图中带小椭圆的圆圈如95代表能量较低，仅可供采集数据但不够传输数据。采用Zigbee通信协议的10个节点(节点 11、21、……、101)组成的链状型传感网络结构如箭头链I所示，当将传感节点密度增加4倍后，基于传统的Zigbee协议采用传输距离优化策略，会导致从节点11到节点101的数据传输路径(箭头链II)从9跳增加到25跳，加剧了网络链路由于节点断电导致通信中断的可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法和***，在现有的Zigbee射频通信协议的基础上，解决能量采集环境下的自供能无线传感网中由于传感节点频繁断电导致的网络服务质量降低的问题，提高采用非易失射频(NVRF)的自供能无线传感网的服务质量。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，所述虚拟化方法包括以下步骤：
步骤一：当一个新节点A加入已有的无线传感网络时，新节点A打开非易失射频器NVRF；
步骤二：新节点A通过NVRF寻找无线传感网络中距离其最近的节点 B；
步骤三：新节点A复制节点B的NVRF状态形成节点B的克隆节点，然后新节点A和节点B组成克隆节点组；
步骤四：新节点A同步实时时钟定时器，接收时钟滴答的初始相位偏移量以及预设的滴答计数；
步骤五：关闭NVRF，新节点A加入该无线传感网，新节点A所在的克隆节点组通过节点虚拟化算法构成一个虚拟逻辑节点。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，所述步骤三中，NVRF状态包括非易失射频控制器的非易失寄存器中保存的射频配置信息和数据。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，所述步骤四中，同一节点的各克隆节点的时钟滴答的初始相位偏移量互不相同，同一时刻每个克隆节点组中只有一个节点会唤醒；同一节点的各克隆节点的预设滴答计数相同。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，通过所述节点虚拟化算法构建若干克隆节点组，若干克隆节点组中同一个克隆节点组内的各节点分别与下一克隆节点组内的某个节点组网连接，所有克隆节点组间依次组网连接，组成互不相同的节点链，节点链在时间上依次唤醒，同一时刻整个网络只有一条节点链会唤醒。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，所述步骤四中，当新节点A定时器到达预设的时间后，开始如下的正常工作流程：
a)选择是否更新唤醒间隔时间；
b)打开NVRF开始发送接收数据；
c)若接收到特殊指令，则跳转至步骤二开始执行；
d)关闭NVRF；
其中步骤c)中的特殊指令包括重新建立局域网连接指令、解除局域网连接指令和建立局域网连接指令。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，同一个所述虚拟逻辑节点，根据克隆节点组中的节点数量，配置各克隆节点的时分复用参数：时钟滴答初始相位偏移量和预设滴答计数，动态匹配应用场合对该虚拟逻辑节点的采样频率要求。
本发明还提供一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，所述虚拟化***包括：
节点搜寻模块，用于无线传感网络中新节点A通过NVRF寻找无线传感网络中距离其最近的节点B；
状态克隆模块，用于无线传感网络中新节点A复制距离其最近的节点 B的NVRF状态形成节点B的克隆节点；
时间同步模块，用于无线传感网络中新节点A同步实时时钟定时器，接收时钟滴答的初始相位偏移量以及预设的滴答计数；
克隆节点组生成模块，用于节点B和复制其NVRF状态信息后的新节点A组成克隆节点组。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，所述虚拟化***还包括：虚拟逻辑节点生成模块，用于无线传感网络中中的一个克隆节点组通过节点虚拟化算法形成一个虚拟逻辑节点。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，所述时间同步模块中同一节点的各克隆节点的时钟滴答的初始相位偏移量互不相同，同一时刻每个克隆节点组中只有一个节点会唤醒；同一节点的各克隆节点的预设滴答计数相同。
如上所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，所述克隆节点组生成模块生成的若干克隆节点组中，同一个克隆节点组内的各节点分别与下一克隆节点组内的某个节点组网连接，所有克隆节点组间依次组网连接，组成互不相同的节点链，节点链在时间上依次唤醒，同一时刻整个网络只有一条节点链会唤醒。
本发明与现有技术相比，针对能量采集场景下自供能无线传感网进行设计，充分考虑了传感节点的供能不稳定导致某些节点因能量不足频繁断电的情况，通过复制非易失射频配置状态的构建的克隆节点组实现了虚拟逻辑节点，由于克隆节点组内各节点都在持续独立地采集能量，减少了该虚拟逻辑节点发生断电的概率；虚拟逻辑节点的引入使得单个实际节点的断电不会影响整个传感网的网络逻辑结构，减少了重组网络结构的代价；在特定应用中，通过软件调整克隆节点组内各物理节点的时分复用参数，可实现对虚拟逻辑节点的等效采样频率的动态调整。相比现有技术实现的同等采样频率的网络，减少了每个物理节点的唤醒频率，从而降低了节点的能耗。
附图说明
图1为传统技术采用增加传感节点数量和密度的方法示意图；
图2为本发明的自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法流程图；
图3为本发明的自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法原理图；
图4为本发明涉及的节点虚拟化算法具体运行代码；
图5为本发明的自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***示意图；
图6为本发明时分复用节点虚拟化方法在山体滑坡监测***中的性能实验验证中无线传感网处理的数据包数量示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明中所用的NVRF指的是非易失射频控制器，非易失性指数据在不满足特定环境条件的情况下也能够得到保存的属性。非易失性用来描述存储在磁盘或者磁带上的数据。即时切断这些设备的电源，存储在其上的数据也能够得到保存。
参见图2和图4，其中图4为本发明涉及的节点虚拟化算法具体运行代码，一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，所述虚拟化方法包括以下步骤：
S1：当一个新节点A加入已有的无线传感网络时，新节点A打开非易失射频器NVRF；
S2：新节点A通过NVRF寻找无线传感网络中距离其最近的节点B；
S3：新节点A复制节点B的NVRF状态形成节点B的克隆节点，然后新节点A和节点B组成克隆节点组；
S4：新节点A同步实时时钟定时器，接收时钟滴答的初始相位偏移量以及预设的滴答计数；
S5：关闭NVRF，新节点A加入该无线传感网，新节点A所在的克隆节点组通过节点虚拟化算法构成一个虚拟逻辑节点。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法的一个实施例中，所述S3中，NVRF状态包括非易失射频控制器的非易失寄存器中保存的射频配置信息和数据。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法的一个实施例中，所述S4中，同一节点的各克隆节点的时钟滴答的初始相位偏移量互不相同，同一时刻每个克隆节点组中只有一个节点会唤醒；同一节点的各克隆节点的预设滴答计数相同。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法的一个实施例中，通过所述节点虚拟化算法构建若干克隆节点组，若干克隆节点组中同一个克隆节点组内的各节点分别与下一克隆节点组内的某个节点组网连接，所有克隆节点组间依次组网连接，组成互不相同的节点链，节点链在时间上依次唤醒，同一时刻整个网络只有一条节点链会唤醒。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法的一个实施例中，所述S4中，当新节点A定时器到达预设的时间后，开始如下的正常工作流程：
a)选择是否更新唤醒间隔时间；
b)打开NVRF开始发送接收数据；
c)若接收到特殊指令，则跳转至S2开始执行；
d)关闭NVRF；
其中步骤c)中的特殊指令包括重新建立局域网连接指令、解除局域网连接指令和建立局域网连接指令。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法的一个实施例中，同一个所述虚拟逻辑节点，根据克隆节点组中的节点数量，配置各克隆节点的时分复用参数：时钟滴答初始相位偏移量和预设滴答计数，动态匹配应用场合对该虚拟逻辑节点的采样频率要求。
参见图3同时可对比图1，图中纯灰色的圆圈如11、12和13代表能量充足，可供采集和传输数据；图中带小方块的圆圈如33、34和35代表能量富余，除可供采集和传输数据外还有多余的能量；图中带小椭圆的圆圈如95代表能量较低，仅可供采集数据但不够传输数据。图中每列节点为同一克隆节点组(如11至15为一组，21至23为一组，……)，组内各节点的时钟定时器的时钟滴答初始相位偏移量各不相同，因此同一时刻每个克隆节点组中只有一个节点会唤醒；同一克隆节点组内的各节点分别与下一克隆节点组内的某个节点组网连接(以顺序循环的方式选择节点，如11->21，12->22，13->23，14->21，15->22)，同理，所有克隆节点组间依次组网连接，可以组成互不相同的节点链(如图3中的Chain1、Chain2 等)。这些节点链在时间上依次唤醒，即同一时刻整个网络只有一条节点链会唤醒。
同时，由于同一克隆节点组内的节点可看作同一虚拟逻辑节点，从整个网络的角度看，节点断电期间的网络逻辑结构没有发生变化。同时，由于克隆节点组内各节点都在持续独立地采集能量，减少了该虚拟逻辑节点发生断电的概率。因此，由节点断电引起的重组网络的代价得以减小。
参见图5，本发明还提供一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，所述虚拟化***包括：
节点搜寻模块1，用于无线传感网络中新节点A通过NVRF寻找无线传感网络中距离其最近的节点B；
状态克隆模块2，用于无线传感网络中新节点A复制距离其最近的节点B的NVRF状态形成节点B的克隆节点；
时间同步模块3，用于无线传感网络中新节点A同步实时时钟定时器，接收时钟滴答的初始相位偏移量以及预设的滴答计数；
克隆节点组生成模块4，用于节点B和复制其NVRF状态信息后的新节点A组成克隆节点组。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***的一个实施例中，所述虚拟化***还包括：虚拟逻辑节点生成模块5，用于无线传感网络中中的一个克隆节点组通过节点虚拟化算法形成一个虚拟逻辑节点。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***的一个实施例中，所述时间同步模块3中同一节点的各克隆节点的时钟滴答的初始相位偏移量互不相同，同一时刻每个克隆节点组中只有一个节点会唤醒；同一节点的各克隆节点的预设滴答计数相同。
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***的一个实施例中，所述克隆节点组生成模块4生成的若干克隆节点组中，同一个克隆节点组内的各节点分别与下一克隆节点组内的某个节点组网连接，所有克隆节点组间依次组网连接，组成互不相同的节点链，节点链在时间上依次唤醒，同一时刻整个网络只有一条节点链会唤醒。
参见图6，通过搭建基于非易失处理器的自供能无线传感网原型平台，对本发明的时分复用节点虚拟化方法在山体滑坡监测***中的性能进行了实验验证。实验过程中将森林中随机分布位置处采集到的太阳能作为传感网节点的能量输入，其中有些节点有良好的太阳光照条件，有些节点则因植物遮蔽、太阳能电池板朝向等原因而光照条件恶劣。在恶劣天气条件下的一天时间内，包含10个节点的无线传感网处理的数据包数量如下图6所示。对比来看，增加节点数量并采用本发明的时分复用节点虚拟化策略来增加时分复用率，可以有效提高传感网的服务质量，在3路时分复用的情况下，传感网的服务质量提升了约2倍。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，其特征在于，所述虚拟化方法包括以下步骤：
步骤一：当一个新节点A加入已有的无线传感网络时，新节点A打开非易失射频器NVRF；
步骤二：新节点A通过NVRF寻找无线传感网络中距离其最近的节点B；
步骤三：新节点A复制节点B的NVRF状态形成节点B的克隆节点，然后新节点A和节点B组成克隆节点组；
步骤四：新节点A同步实时时钟定时器，接收时钟滴答的初始相位偏移量以及预设的滴答计数；
步骤五：关闭NVRF，新节点A加入该无线传感网，新节点A所在的克隆节点组通过节点虚拟化算法构成一个虚拟逻辑节点；
通过所述节点虚拟化算法构建若干克隆节点组，若干克隆节点组中同一个克隆节点组内的各节点分别与下一克隆节点组内的某个节点组网连接，所有克隆节点组间依次组网连接，组成互不相同的节点链，节点链在时间上依次唤醒，同一时刻整个网络只有一条节点链会唤醒；
所述步骤四中，当新节点A定时器到达预设的时间后，开始如下的正常工作流程：
a)选择是否更新唤醒间隔时间；
b)打开NVRF开始发送接收数据；
c)若接收到特殊指令，则跳转至步骤二开始执行；
d)关闭NVRF；
其中步骤c)中的特殊指令包括重新建立局域网连接指令、解除局域网连接指令和建立局域网连接指令；
同一个所述虚拟逻辑节点，根据克隆节点组中的节点数量，配置各克隆节点的时分复用参数：时钟滴答初始相位偏移量和预设滴答计数，动态匹配应用场合对该虚拟逻辑节点的采样频率要求。
2.根据权利要求1所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，其特征在于，所述步骤三中，NVRF状态包括非易失射频控制器的非易失寄存器中保存的射频配置信息和数据。
3.根据权利要求1所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，其特征在于，所述步骤四中，同一节点的各克隆节点的时钟滴答的初始相位偏移量互不相同，同一时刻每个克隆节点组中只有一个节点会唤醒；同一节点的各克隆节点的预设滴答计数相同。
4.一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，采用如权利要求1至3任一项的自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法，其特征在于，所述虚拟化***包括：
节点搜寻模块，用于无线传感网络中新节点A通过NVRF寻找无线传感网络中距离其最近的节点B；
状态克隆模块，用于无线传感网络中新节点A复制距离其最近的节点B的NVRF状态形成节点B的克隆节点；
时间同步模块，用于无线传感网络中新节点A同步实时时钟定时器，接收时钟滴答的初始相位偏移量以及预设的滴答计数；
克隆节点组生成模块，用于节点B和复制其NVRF状态信息后的新节点A组成克隆节点组。
5.根据权利要求4所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，其特征在于，所述虚拟化***还包括：虚拟逻辑节点生成模块，用于无线传感网络中的一个克隆节点组通过节点虚拟化算法形成一个虚拟逻辑节点。
6.根据权利要求4所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，其特征在于，所述时间同步模块中同一节点的各克隆节点的时钟滴答的初始相位偏移量互不相同，同一时刻每个克隆节点组中只有一个节点会唤醒；同一节点的各克隆节点的预设滴答计数相同。
7.根据权利要求4所述的一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化***，其特征在于，所述克隆节点组生成模块生成的若干克隆节点组中，同一个克隆节点组内的各节点分别与下一克隆节点组内的某个节点组网连接，所有克隆节点组间依次组网连接，组成互不相同的节点链，节点链在时间上依次唤醒，同一时刻整个网络只有一条节点链会唤醒。
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