CN113031745B - 一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法，属于通信技术领域。本发明通过监测环境电磁强度信息，并利用环境电磁取能模型，得到基于环境电磁取能的物端节点获取一定能量所需时间的概率分布情况。此外，通过设置显著性水平，获取置信区间，即下一条信息到达时刻的估计时间序列，并对所有节点的下一条信息到达时刻的置信区间进行有效合并，有效解决此类网络中接入网关需要实时监听信息的问题，以及由此带来的高功耗问题。本发明针对环境电磁取能物联网中接入网关的高功耗问题，通过引入环境电磁取能模型，预估物端节点信息到达时刻，合理调整接入网关工作/休眠模式切换，降低接入网关功耗，进而降低整网功耗。

Description

一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是指一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法。

背景技术

伴随着5G技术的发展，物联网得到广泛应用。然而，对于采用电池供能的物端节点来说，其供能周期和工作频率是一对无法解决的矛盾，而采用人工更换方式对于海量存在的物端节点并不可行，因此，低功耗物联网技术的需求愈发急切。目前，采用环境取能技术成为了科研和产业相关人员密切关注的技术，如太阳能、风能、电磁能等。其中电磁能不受环境、季节和时间影响，广泛存在于电视、移动通信、WiFi等周围环境中。

目前，在环境电磁取能物联网领域，普遍使用星状网络架构，即多个物端节点和一个接入网关。其中，物端节点采用环境电磁取能，而接入网关采用有源方式。虽然物端节点采用环境电磁取能，远远地降低了功耗，然而由于接入网关采用实时监听的状态，其耗能依然是一个难以解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法，该方法通过合理安排接入网关工作模式和休眠模式的切换，实现面向环境电磁取能的物联网的超低功耗运行。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法，用于由1个接入网关和N个物端节点组成的物联网，N个物端节点记为NS＝{ns₁,ns₂,...,ns_N}，包括以下步骤：

1)物端节点采用环境电磁能量补给自身能量，每隔一段时间当收集到足够一次信息发射的能量时，启动一次信息发送，此时接入网关收到物端节点发来的信息，在处理信息的同时，记录下对应节点信息到达的时刻，N个物端节点信息到达的时刻记为TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}；同时，接入网关在非信息接收时段，测量环境电磁强度信息(μ，σ²)，其中μ为电磁强度均值，σ为电磁强度标准差；

2)根据最新的TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}和(μ，σ²)信息，利用环境电磁取能模型以及物端节点发送信息所需的最低能量E_min，推算出节点ns_i下一条信息的到达时刻的概率分布情况，设置显著性水平α，并得到对应置信区间

3)根据步骤2)得到的各个节点的下一条信息的到达时刻的置信区间，对各个区间进行合并，获得接入网关唤醒时刻序列，记为

4)根据步骤3)获得的接入网关唤醒时刻序列，按照该时间顺序对接入网关进行控制，一旦进入该时间序列，则将接入网关从休眠状态转入工作状态，在收到信息后更新对应节点的信息到达时刻，接入网关在工作状态下的非信息到达时间中测量环境电磁强度信息并更新(μ，σ²)，若当前时刻不在唤醒时刻序列中，则将接入网关设置为休眠状态，直到当前时刻

返回步骤2)。

进一步的，步骤1)的具体方式为：

1.1)接入网关开机并处于工作模式，实时监听是否有物端节点发送信息；

1.2)一旦有信息到达，根据信息头部内容，获取物端节点标识信息ns_i，并记录信息到达时刻ts_i；

1.3)在非信息到达时刻，记录环境电磁强度信息，并对环境电磁强度均值μ和方差σ²进行更新；

1.4)连续记录每个节点不低于4条信息到达时刻，每个节点共产生不低于3条信息到达间隔，记为Int_i,1,Int_i,2,Int_i,3，若相邻两个信息到达间隔均低于20％，即：

则认为信息按序到达，没有出现信息缺失，当前时刻为准确最新时刻；

1.5)当所有节点的信息到达时刻均满足步骤1.4)的要求时，接入网关完成了对于最新信息接收时刻的更新工作，即TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}和环境电磁强度信息的更新工作，转步骤2)，否则，再次进入步骤1.2)。

进一步的，步骤2)的具体方式为：

2.1)对于物端节点ns_i，其上一条信息到达时刻为ts_i，获取最新的环境电磁强度信息(μ，σ²)；

2.2)建立环境电磁能量拾取模型：

其中，E为物端节点从环境中取得的直流能量，G_r为物端节点拾能天线增益，λ为拾能频率波长，η_PEC为整流电路效率，Δt为时间间隔常数，M为时间参数，M·Δt为时间长度，S(t)为环境电磁环境强度；

2.3)确定E为物端节点进行一次信息发送所需要的最少能量，即E＝E_min，S(t)为环境电磁环境强度，其服从正态分布，即S(t)～N(μ,σ²)，且M·Δt也服从正态分布，即

其中μ_M＝E_min/μ；

2.4)利用仿真方法获取σ_M的值，进而获得M·Δt的概率密度函数：

2.5)设置显著性水平α，利用下式获得置信区间

其中，

进一步的，步骤2.4)中获取σ_M的值的具体方式为：

2.4-1)根据物端节点实际配置情况，设置参数G_r,λ,η_PEC,E_min；

2.4-2)根据检测到的环境电磁强度信息，设置参数(μ，σ²)；

2.4-3)设置共需产生的数据个数N，N≥10000；

2.4-4)产生符合正态分布(μ，σ²)的数据X组，其中X≥1.5×E_min/(μ·Δt)；

2.4-5)利用步骤2.4-4)产生的数据利用公式(1)进行求和，找到M₀，使得

记录下M₀·Δt的值；

2.4-6)统计产生的M₀·Δt的值的个数，查看是否到达了N，如果到达了N，转到步骤2.4-7),否则转到步骤2.4-4)；

2.4-7)利用所产生的N组M₀·Δt数据，计算其均方差

得到σ_M的值。

进一步的，步骤3)的具体方式为：

3.1)将各个节点的下一条信息的到达时刻的置信区间

按照

的值进行升幂排序，排序后的时间序列为

3.2)任取i，其中1≤i≤N-1，若

且

则将

合并为

若

且

则将其合并为

完成对所有时间序列的合并，此时所有序列不存在时间交集；

3.3)对步骤3.2)产生的无交集的时间序列

任取i，其中1≤i≤H-1，若

则将

合并为

最后将合并后的时间序列记为

Δt_min的大小由下式决定：

其中，E_p-on为接入网关从休眠状态进入工作状态所需要消耗的能量，E_p-off为接入网关从工作状态进入休眠状态所需要消耗的能量，P_active为接入网关处于工作状态时的功耗，P_sleep为接入网关处于休眠状态时的功耗。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、在实际运行过程中，由于物端节点采用环境电磁补能方式，其取能时间远远大于其通信时间。有鉴于此，本发明的接入网关实时监听状态，其大部分时间都处于空闲状态，可以合理地使接入网关进入休眠状态，从而在保障物端节点信息可以顺利接收的情况下，有效地减免整网的功耗情况。

2、本发明利用环境电磁取能模型实现对于取能物端节点对于下一次信息发送时刻的预测，并通过获取置信空间，最大程度地在保障信息能被有效接收的前提下，降低接入网关的功耗，从而降低***的整体功耗。

3、本发明构建了环境电磁拾取模型，反推出获取一定能量所需要时间的概率密度函数，进一步通过设置显著水平参数，获取置信区间，即某一节点的下一条信息的到达时刻区间，从而既能保障信息能够被有效接收，又不会浪费接入网关的能耗资源。

4、本发明将所有节点的下一条信息的到达时刻区间进行合并，同时避免较短时间的接入网关状态切换带来的功耗浪费。接入网关按照得到的工作状态时间序列，进入时间序列时，便使接入网关处于工作状态，非时间序列并进入休眠状态，周而复始，这样既保证了消息的有效接收，也能较大程度的降低接入网关的功耗，从而降低整网功耗。

附图说明

图1为本发明实施例中环境取能物联网的网络架构示意图。

图2为本发明实施例中接入网关开机后进行各物端节点信息最新到达时刻和环境电磁环境信息的流程图。

图3为本发明中接入网关的工作时序的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的内容及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

现有的面向环境电磁取能的物联网架构通常采用星状架构，如图1所示，物端节点采用环境电磁能量取能，每当获取足够一次通信所用的能量时便进行一次通信，然而由于接入网关采用实时监听的模式，即实时等待消息到达，故此类面向环境电磁取能的物联网的最大功耗损耗部分位于接入网关部分。通常情况，将接入网关设置为休眠模式是一种降低整网功耗的有效手段，然而如何最大程度地降低接入网关功耗的同时，同时还要保障物端节点的信息还要被有效地接收。在本发明中，充分利用环境电磁拾取模型，根据上一条信息到达时刻以及最新地环境电磁信息，获取下一条信息到达时刻的概率密度函数，并通过设置显著性水平参数，获得下一条信息到达时刻置信区间参数。本方法综合考虑环境电磁强度变化，对环境电磁强度模型也在进行实时更新，最大程度上保证下一条信息到达时刻的概率密度函数较为准确，并对所有的节点的下一条信息到达时刻区间进行联合优化，避免频繁切换带来的功耗损失。

具体来说，本方法包括如下步骤：

(一)开机后获取物联网中初始信息

如图1所示，该基于环境取能物联网络主要由接入网关和物端节点组成。

1)假设该物联网由1个接入网关和N个物端节点组成，将这些物端节点记为NS＝{ns₁,ns₂,...,ns_N}，物端节点采用环境电磁能量补给自身能量，每隔一段时间当收集到足够一次信息发射的能量时，便会启动一次信息发送，故接入网关会收到物端节点发来的信息，在处理信息的同时，记录下对应节点信息到达的时刻，记为TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}，同时，在接入网关在非信息接收时段，测量环境电磁强度信息(μ，σ²)，其中μ为电磁强度均值，σ为电磁强度标准差；

如图2所示，所述步骤1)中的接入网关记录所有物端节点最新信息到达时刻为TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}，并记录环境电磁强度信息(μ，σ²)，为避免某些节点信息到达缺失导致最新到达时刻不准确，无法进行下一步的预测，故步骤1)中所描述的过程应包含以下步骤：

1.1)接入网关开机，使其处于工作模式，实时监听是否有物端节点发送信息；

1.2)一旦有信息到达，根据信息头部内容，获取物端节点标识信息ns_i，并记录信息到达时刻ts_i；

1.3)在非信息到达时刻，记录环境电磁强度信息，并对环境电磁强度均值μ和方差σ²进行更新；

1.4)连续记录每个节点不低于4条信息到达时刻，每个节点共产生不低于3条信息到达间隔，记为Int_i,1,Int_i,2,Int_i,3，若相邻两个信息到达间隔均低于20％，如下：

则认为信息按序到达，没有出现信息缺失，当前时刻为准确最新时刻；

1.5)当所有节点的均满足步骤1.4)要求时，接入网关完成了对于最新信息接收时刻的更新工作，即TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}和环境电磁强度信息的更新工作，转步骤2)，否则，再次进入步骤1.2)。

(二)构建物端节点下一条信息到达时间区间模型

2)根据最新TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}和(μ，σ²)信息，利用环境电磁取能模型以及环境取能物端节点信息发送所需最低能量E_min，推算出节点ns_i下一条信息的到达时刻的概率分布情况，设置显著性水平α，并得到对应置信空间，即

所述步骤2)中利用环境电磁强度信息(μ，σ²)和环境电磁取能模型，反推出节点收集到足够能量所需要的时间模型，并通过设置显著性水平α，得到节点ns_i下一条信息到达的时间区间。步骤2)所述获取节点ns_i的下一条信息到达时刻的置信空间包括以下步骤：

2.1)对于物端节点ns_i，其上一条信息到达时刻为ts_i，获取最新的环境电磁强度信息(μ，σ²)；

2.2)利用环境电磁能量拾取模型，如下所示：

其中，E为物端节点从环境中取得的直流能量，G_r为物端节点拾能天线增益，λ为拾能频率波长，η_PEC为整流电路效率，Δt为较小的时间间隔,可设置为一个较小常数，M为时间参数，M·Δt为时间长度，S(t)为环境电磁环境强度。

2.3)确定E为物端节点进行一次信息发送所需要的最少能量，即E＝E_min，而S(t)为环境电磁环境强度，其服从正太分布，即S(t)～N(μ,σ²)，依据中心极限定理，可以知道M·Δt服从正态分布，即

其中μ_M＝E_min/μ；

2.4)利用仿真算法获取σ_M的值，即可获得M·Δt的概率密度函数，如下所示：

2.5)设置显著性水平α，利用下面公式

获得置信区间

其中

所述步骤2.4)中，在如何获取M·Δt的概率密度函数中，通过分析得知M·Δt呈正态分布，故涉及到两个核心参数的获取，根据相关分析及经验，其均值应为E_min/μ，而其方差需要通过程序仿真来获取，步骤2.4)中获取M·Δt方差应该包括以下步骤：

3.1)根据物端节点实际配置情况，设置参数G_r,λ,η_PEC,E_min；

3.2)根据检测到的环境电磁强度信息，设置参数(μ，σ²)；

3.3)设置共需产生的数据个数N，通常设置N≥10000；

3.4)产生符合正态分布(μ，σ²)的数据X组，其中X≥1.5×E_min/(μ·Δt)；

3.5)利用步骤3.4)产生的数据利用公式(1)进行求和，找到M₀，使得

记录下M₀·Δt的值；

3.6)统计产生的M₀·Δt的值的个数，查看是否到达了N，如果到达了N，转步骤3.7),否则转步骤3.4)；

3.7)利用所产生的N组M₀·Δt数据，计算其均方差

(三)进行时间序列融合

3)根据步骤2)得到的各个节点的下一条信息的到达时刻的置信空间，对各个区间进行合并，获得接入网关唤醒时刻序列，记为

所述步骤3)中将各个节点的下一条信息的到达时刻的置信空间集合记为

因为其中可能存在互相重叠以及时间区间较为靠近而可能带来的频繁切换问题，故需要进行时间序列的合并工作，步骤3)中对各个时间序列进行合并应该包括以下步骤:

4.1)将各个节点的下一条信息的到达时刻的置信空间，如

按照

的值进行升幂排序，不妨令排序后的时间序列为

4.2)任取i，其中1≤i≤N-1，若

且

则将

合并为

若

且

咋将其合并为

进而完成对所有时间序列排序，即所有序列不存在时间交集，不妨令其符号为

4.3)对步骤2.2)产生的无交集的时间序列

任取i，其中1≤i≤H-1，若

则将

合并为

最后将合并后的时间序列记为

Δt_min的大小由下式决定：

其中，E_p-on为接入网关从休眠状态进入工作状态所需要消耗的能量，E_p-off为接入网关从工作状态进入休眠状态所需要消耗的能量，P_active为接入网关处于工作状态时的功耗，P_sleep为接入网关处于休眠状态时的功耗。

(四)物端节点依据时间序列进入工作/休眠模式

4)根据步骤3)获得的接入网关唤醒时刻序列，按照该时间顺序对接入网关进行控制，一旦进入该时间序列，则将接入网关从休眠状态进入工作状态，在收到信息后更新对应节点的信息到达时刻，而接入网关在工作状态下的非信息到达时刻测量环境电磁强度信息并更新(μ，σ²)，而当前时刻不在唤醒时刻序列中时，将接入网关设置为休眠状态，直到当前时刻

返回步骤2)。

如图3所示，接入网关按照之前步骤所得到的时间序列

进行工作和休眠模式切换。

总之，本发明方法通过监测环境电磁强度信息，并利用环境电磁取能模型，得到基于环境电磁取能的物端节点获取一定能量所需时间的概率分布情况。此外，通过设置显著性水平，获取置信区间，即下一条信息到达时刻的估计时间序列，并对所有节点的下一条信息到达时刻的置信区间进行有效合并，有效解决此类网络中接入网关需要实时监听信息的问题，以及由此带来的高功耗问题。本发明针对环境电磁取能物联网中接入网关的高功耗问题，通过引入环境电磁取能模型，预估物端节点信息到达时刻，合理调整接入网关工作/休眠模式切换，降低接入网关功耗，进而降低整网功耗。

Claims (4)

1.一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法，其特征在于，用于由1个接入网关和N个物端节点组成的物联网，N个物端节点记为NS＝{ns₁,ns₂,...,ns_N}，包括以下步骤：

1)物端节点采用环境电磁能量补给自身能量，每隔一段时间当收集到足够一次信息发射的能量时，启动一次信息发送，此时接入网关收到物端节点发来的信息，在处理信息的同时，记录下对应节点信息到达的时刻，N个物端节点信息到达的时刻记为TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}；同时，接入网关在非信息接收时段，测量环境电磁强度信息(μ，σ²)，其中μ为电磁强度均值，σ为电磁强度标准差；

2)根据最新的TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}和(μ，σ²)信息，利用环境电磁取能模型以及物端节点发送信息所需的最低能量E_min，推算出节点ns_i下一条信息的到达时刻的概率分布情况，设置显著性水平α，并得到对应置信区间

具体方式为：

2.1)对于物端节点ns_i，其上一条信息到达时刻为ts_i，获取最新的环境电磁强度信息(μ，σ²)；

2.2)建立环境电磁能量拾取模型：

其中，E为物端节点从环境中取得的直流能量，G_r为物端节点拾能天线增益，λ为拾能频率波长，η_PEC为整流电路效率，Δt为时间间隔常数，M为时间参数，M·Δt为时间长度，S(t)为环境电磁环境强度；

2.3)确定E为物端节点进行一次信息发送所需要的最少能量，即E＝E_min，S(t)为环境电磁环境强度，其服从正态分布，即S(t)～N(μ,σ²)，且M·Δt也服从正态分布，即

其中μ_M＝E_min/μ；

2.4)利用仿真方法获取σ_M的值，进而获得M·Δt的概率密度函数：

2.5)设置显著性水平α，利用下式获得置信区间

其中，

3)根据步骤2)得到的各个节点的下一条信息的到达时刻的置信区间，对各个区间进行合并，获得接入网关唤醒时刻序列，记为

4)根据步骤3)获得的接入网关唤醒时刻序列，按照时间顺序对接入网关进行控制，一旦进入该序列，则将接入网关从休眠状态转入工作状态，在收到信息后更新对应节点的信息到达时刻，接入网关在工作状态下的非信息到达时间中测量环境电磁强度信息并更新(μ，σ²)，若当前时刻不在唤醒时刻序列中，则将接入网关设置为休眠状态，直到当前时刻

返回步骤2)。

2.根据权利要求1所述的一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法，其特征在于，步骤1)的具体方式为：

1.1)接入网关开机并处于工作模式，实时监听是否有物端节点发送信息；

1.2)一旦有信息到达，根据信息头部内容，获取物端节点标识信息ns_i，并记录信息到达时刻ts_i；

1.3)在非信息到达时刻，记录环境电磁强度信息，并对环境电磁强度均值μ和方差σ²进行更新；

1.4)连续记录每个节点不低于4条信息到达时刻，每个节点共产生不低于3条信息到达间隔，记为Int_i,1,Int_i,2,Int_i,3，若相邻两个信息到达间隔均低于20％，即：

则认为信息按序到达，没有出现信息缺失，当前时刻为准确最新时刻；

1.5)当所有节点的信息到达时刻均满足步骤1.4)的要求时，接入网关完成了对于最新信息接收时刻的更新工作，即TS＝{ts₁,ts₂,...,ts_N}和环境电磁强度信息的更新工作，转步骤2)，否则，再次进入步骤1.2)。

3.根据权利要求2所述的一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法，其特征在于，步骤2.4)中获取σ_M的值的具体方式为：

2.4-1)根据物端节点实际配置情况，设置参数G_r,λ,η_PEC,E_min；

2.4-2)根据检测到的环境电磁强度信息，设置参数(μ，σ²)；

2.4-3)设置共需产生的数据个数N，N≥10000；

2.4-4)产生符合正态分布(μ，σ²)的数据X组，其中X≥1.5×E_min/(μ·Δt)；

2.4-5)利用步骤2.4-4)产生的数据利用公式(1)进行求和，找到M₀，使得

记录下M₀·Δt的值；

2.4-6)统计产生的M₀·Δt的值的个数，查看是否到达了N，如果到达了N，转到步骤2.4-7),否则转到步骤2.4-4)；

2.4-7)利用所产生的N组M₀·Δt数据，计算其均方差

得到σ_M的值。

4.根据权利要求2所述的一种面向环境电磁取能的物联网超低功耗运行方法，其特征在于，步骤3)的具体方式为：

3.1)将各个节点的下一条信息的到达时刻的置信区间

按照

的值进行升幂排序，排序后的时间序列为

3.2)任取i，其中1≤i≤N-1，若

且

则将

合并为

若

且

则将其合并为

完成对所有时间序列的合并，此时所有序列不存在时间交集；

3.3)对步骤3.2)产生的无交集的时间序列

任取i，其中1≤i≤H-1，若

则将

合并为

最后将合并后的时间序列记为

Δt_min的大小由下式决定：

其中，E_p-on为接入网关从休眠状态进入工作状态所需要消耗的能量，E_p-off为接入网关从工作状态进入休眠状态所需要消耗的能量，P_active为接入网关处于工作状态时的功耗，P_sleep为接入网关处于休眠状态时的功耗。

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