一种面向大规模可充电物联网的监测系统及分布式协议的制作方法

本发明涉及通信保护技术领域，特别涉及一种面向大规模可充电物联网的监测系统及分布式协议。

背景技术：

物联网监测系统要求能够及时接收各个物联网节点的监测数据，往往涉及到节点电量问题。由于物联网节点体积小巧，携带电量有限，定期更换节点电池是工业界的主流方案。然而，未来通信设备具有高速传输、海量连接、能耗巨大等特点，大规模且频繁更换节点电池不切实际。因此，为节点充电成为解决该问题的重要技术手段。

当前，利用太阳能采集技术为节点充电的方式被广泛应用，但是，该技术的能源不可控制，无法提供稳定能量。另一种充电方法，无线充电技术可以为节点提供可控能量，但是，该技术中的电感耦合方式需要发送端与接收端彼此接触；磁耦合谐振方式所需的设备巨大体积不适合物联网节点；电磁辐射方式在传输过程中衰减明显。而基于射频波束赋形技术的充电方式，通过分布射频能源将能量集中发送为节点充电，可以克服如上几种方式的不足，完成远距离充电。

但是，现有的基于射频波束赋形技术的可充电物联网监测系统存在以下问题：在充电策略方面，当前技术忽略了非线性射频能量转换过程和时变信道对能量与数据传输造成的影响，降低了充电决策的准确性，影响节点充电效果；在数据采集方面，当前技术大多采用单跳网络，缺少与多跳网络的路由选择和链路调度相结合，不能从提升节点能量和降低节点能耗两个方面提高节点能量利用效率；在网络规模方面，当前技术大多考虑基于单个射频能源的充电方式，且射频能源需要连接主干电网，从而限制了物联网的网络规模、覆盖范围以及部署环境。因此，有必要研究出能解决如上问题的新的可充电物联网监测系统。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向大规模可充电物联网的监测系统，该系统能够做出合理公平的充电决策，可应用在网络规模大、覆盖范围广以及部署环境差的可充电物联网中。

本发明的第二目的在于提供一种分布式协议，该协议能够使监测系统中的射频能源模块根据本地信息完成充电，使节点根据本地信息完成数据采集和传输，达到监测系统节点间的数据公平采集的目的。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种面向大规模可充电物联网的监测系统，包括物联网节点和多个射频能源模块，其中，

物联网节点包括用于采集环境数据的采集节点、中继节点和汇聚节点，采集节点连接中继节点，并根据自身的数据发送概率向中继节点传输节点数据，中继节点连接汇聚节点，并根据自身的数据发送概率向汇聚节点传输节点数据；

每个射频能源模块用于采集能量，并基于能量的发送功率，通过射频波束赋形产生的射频信号向周围的采集节点和中继节点发送对应的能量。

优选的，射频能源模块包括用于采集太阳能的太阳能电池板、第一可充电电池、第一处理器和天线阵列，太阳能电池板通过第一可充电电池连接天线阵列，处理器连接并控制第一可充电电池和天线阵列，天线阵列的每个天线都具有经第一处理器计算得到的发送功率；

采集节点包括第一射频天线、第一射频能量采集电路、第二可充电电池、传感器、第一数据存储单元、第一数据天线和第二处理器，其中，第一处理器连接并控制第一射频能量采集电路、第二可充电电池、传感器和第一数据存储单元；第一射频天线通过射频信号连接天线阵列，并且通过第一射频能量采集电路连接第二可充电电池；第二可充电电池连接第二处理器、传感器和第一数据存储单元；第一数据存储单元连接传感器和第一数据天线；

中继节点包括第二射频天线、第二射频能量采集电路、第三可充电电池、第二数据存储单元、第二数据天线，其中，第二射频天线通过射频信号连接天线阵列，并且通过第二射频能量采集电路连接第三可充电电池；第三可充电电池连接第二数据存储单元；第二数据存储单元连接第二数据天线，第二数据天线无线连接第一数据天线；

汇聚节点包括第三数据天线、固定电源和数据分析单元，固定电源和第三数据天线连接数据分析单元，第三数据天线无线连接第二数据天线。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种应用于本发明第一目的所述的面向大规模可充电物联网的监测系统的分布式协议，包括：

构建可充电物联网的数据采集树，其中，可充电物联网的采集节点作为叶子节点，汇聚节点作为根节点；

基于数据采集树，监测系统的射频能源模块通过能量时隙对子节点进行充电，同时，父节点通过数据时隙对子节点进行数据采集。

优选的，能量时隙包括：

(1)能量广播阶段：射频能源模块通过广播方式向子节点发送初始能量，子节点在接收到初始能量之后，根据功率估测信道的质量；

(2)能量分配阶段：子节点监测自身可充电电池的能量状态，当能量低于阈值，子节点通过广播方式向射频能源模块发送能量请求；

射频能源模块根据接收到的多个能量请求中的节点数据和能量状态以及对应信道的质量，通过线性规划模型确定其内部的天线阵列中各个天线的发送功率；

(3)能量传输阶段：射频能源模块根据发送功率为对应的子节点充电。

更进一步的，线性规划模采用隐马尔科夫模型，并且在线性规划模型中设置四种状态参数的均值，分别为94.6、76.0、45.6和17.9mw/cm²，四种状态参数的方差分别为：0.31，1.55，1.48和0.71。

更进一步的，线性规划模型的优化目标为：最大化所有发送能量请求的子节点的采集能量；

线性规划模型包含多个约束，分别为：

(1)最大传输功率约束：射频能源模块分配到其天线阵列中各个天线的功率不超过射频能源模块的最大发送功率；

(2)总能量发送约束：射频能源模块发送总能量不超过自身可充电电池中的能量；

(3)节点接收能量约束：子节点接收到的射频能量不超过自身可充电电池中的剩余空间；

(4)非线性射频能量转换约束：子节点的能量采集功率与自身射频天线的接收功率呈现非线性特性。

更进一步的，在非线性射频能量转换约束中，通过分段函数表示子节点的能量采集功率与射频天线的接收功率之间的非线性射频能量转换过程，具体如下：

设定函数f(.)表示非线性转换过程，函数f(.)的输入值为节点天线的接收功率，返回值为节点的能量采集功率；

根据子节点的射频能量采集电路的实际测量，得到函数f(.)的n个点，点用表示，其中，表示第n个点对应的天线接收功率；pn表示第n个点对应的能量采集功率，1≤n≤n；

采用如下公式确定子节点采集的能量：

其中，表示节点i对应的第n个非零正数λ；ν(m)表示可被射频能源m充电的节点的集合；表示节点i的天线接收功率；pi表示节点i的能量采集功率；公式和组成一个凸组合，用于计算子节点的能量采集功率。

优选的，数据时隙包括：

(1)数据请求阶段：子节点根据自身数据和能量状态决定是否对父节点发送数据请求；

父节点在接收到多个子节点的数据发送请求之后，根据其数据接收表格从子节点中选择出候选节点；

(2)数据计算阶段：候选节点根据其父节点和自身的数据及能量状态计算与父节点之间的最大数据发送量，并基于最大数据发送量设置各个候选节点对应的数据发送概率；

(3)数据发送阶段：各个候选节点根据自身的数据发送概率向父节点发送节点数据。

更进一步的，父节点的数据接收表格通过如下公式确定：

其中，表示父节点i从其子节点j已经接收到的数据量；lj表示在子节点j后代中采集节点的个数；表示数据接收表格中记录的数字；

父节点根据其数据接收表格从子节点中选择出候选节点，具体是：父节点i选择数据接收表格中最小值对应的子节点作为候选节点，并给候选节点发送确认消息。

优选的，数据采集树基于rpl协议构建而成。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明面向大规模可充电物联网的监测系统，包括物联网节点和多个射频能源模块，其中，物联网节点包括用于采集环境数据的采集节点、中继节点和汇聚节点，采集节点连接中继节点，并根据自身的数据发送概率向中继节点传输节点数据，中继节点连接汇聚节点，并根据自身的数据发送概率向汇聚节点传输节点数据；每个射频能源模块用于采集能量，并基于能量的发送功率，通过射频波束赋形产生的射频信号向周围的采集节点和中继节点发送对应的能量。本发明监测系统能基于节点的本地信息公平采集节点数据和基于多个射频能源为节点合理分配充电量，从而做出正确充电决策，提高了节点能量利用效率，因此可应用在网络规模大、覆盖范围广以及部署环境差的可充电物联网中。

(2)本发明监测系统基于波束赋形技术，通过在射频能源模块中设置天线阵列，在采集节点和中继节点设置射频天线，实现将能量集中发送给节点充电。这种方式可减少能量传输衰减，完成远距离充电。此外，该方式还可以根据节点需求，控制能量传输方向和发送功率，动态调节充电过程。

(3)本发明综合考虑了时变网络环境中的节点能量状态、无线信道状态、非线性射频能量转换过程、路由选择、多射频能源协作等因素，提出了分布式协议，并且基于该分布式协议，射频能源模块能够根据本地信息分配各个天线的发送功率为节点进行充电，充电效果佳；同时，节点能够根据本地信息完成数据采集的公平分配与多跳传输，不需要通过全局信息，就能达到各个物联网节点间数据的公平采集的目的，因此本发明分布式协议可应用于面向大规模可充电物联网的监测系统。

附图说明

图1是本发明面向大规模可充电物联网的监测系统的示意图。

图2是图1中射频能源模块的结构图。

图3是图1中采集节点的结构图。

图4是本发明分布式协议的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种面向大规模可充电物联网的监测系统，如图1所示，包括物联网节点和多个射频能源模块。

在本实施例中，监测系统网络环境参数为：网络工作时间为100个时隙，每个时隙的信道状态不变，时隙之间信道状态变化，路径损耗参数和其标准差分别为2.5和8db。信道带宽为200khz，噪声功率为-95dbm/hz。

其中，物联网节点包括用于采集环境数据的采集节点、中继节点和汇聚节点，采集节点连接中继节点，并根据自身的数据发送概率向中继节点传输节点数据，中继节点连接汇聚节点，并根据自身的数据发送概率向汇聚节点传输节点数据。

每个射频能源模块用于采集能量，并基于能量的发送功率，通过射频波束赋形产生的射频信号向周围的采集节点和中继节点发送对应的能量。

如图2所示，射频能源模块包括太阳能电池板、第一可充电电池、第一处理器和天线阵列，太阳能电池板通过第一可充电电池连接天线阵列，处理器连接并控制第一可充电电池和天线阵列。太阳能电池板用于采集太阳能，太阳能转成的电能存储在第一可充电电池中。第一处理器用于根据射频能源模块的能量状态、无线信道状态即信道质量和能量状态来计算天线阵列中各个天线的发送功率，使得每个天线都有对应的发送功率。天线阵列负责根据发送功率向物联网节点发射对应的能量射束，为物联网节点进行远程充电。能量射束即是射频波束赋形产生的射频信号。

在本实施例中，太阳能电池板为30×30cm²。射频能源可充电电池容量10j。射频能源最大发送功率为10w。

如图3所示，采集节点包括第一射频天线、第一射频能量采集电路、第二可充电电池、传感器、第一数据存储单元、第一数据天线和第二处理器。其中，第一处理器连接并控制第一射频能量采集电路、第二可充电电池、传感器和第一数据存储单元。第一射频天线通过射频信号连接天线阵列，并且通过第一射频能量采集电路连接第二可充电电池，第一射频天线负责接收来自射频能源模块的能量。第一射频能量采集电路负责将射频能量转换成直流电能，该过程具有非线性特性。第二可充电电池负责存储直流电能，并且连接第二处理器、第二处理器、传感器和第一数据存储单元，作为这些元器件的电源。传感器负责消耗电能来采集环境信息，第一数据存储单元连接传感器和第一数据天线，第一数据存储单元负责暂存传感器采集的数据，第一数据天线负责将第一数据存储单元存储的数据发送出去。

在本实施例中，采集节点性能如下：

采集一个比特数据的能耗为150nj，传输一个比特数据的能耗为300nj，接收一个比特数据的能耗为300nj。节点数据存储单元容量为64kb。节点可充电电池容量为100mj。数据发送功率为+0dbm。

中继节点包括第二射频天线、第二射频能量采集电路、第三可充电电池、第二数据存储单元、第二数据天线，其中，第二射频天线通过射频信号连接天线阵列，并且通过第二射频能量采集电路连接第三可充电电池，第三可充电电池连接第二数据存储单元。第二数据存储单元连接第二数据天线，第二数据天线无线连接第一数据天线。第二数据存储单元负责暂存接收到的节点数据，第二数据天线负责接收节点数据，以及将第二数据存储单元存储的数据发送出去。

汇聚节点包括第三数据天线、固定电源和数据分析单元，固定电源和第三数据天线连接数据分析单元，第三数据天线无线连接第二数据天线，负责接收节点数据。数据分析单元负责对节点数据做进一步分析。

本实施例还公开了一种应用于如上可充电物联网监测系统的分布式协议，如图4所示，包括：

构建可充电物联网的数据采集树，其中，采集节点作为叶子节点，汇聚节点作为根节点。对于中继节点来说，采集节点是其子节点，汇聚节点是其父节点。本实施例的数据采集树具体是基于rpl协议构建而成。

基于数据采集树，监测系统的射频能源模块通过能量时隙对子节点进行充电，同时，父节点通过数据时隙对子节点进行数据采集。

其中，能量时隙包括：

(1)能量广播阶段：射频能源模块通过广播方式向子节点发送初始能量，子节点在接收到初始能量之后，根据功率估测信道的质量。

(2)能量分配阶段：子节点监测自身可充电电池的能量状态，当能量低于阈值，子节点通过广播方式向射频能源模块发送能量请求。在本实施例中，阈值设置为10mj。

射频能源模块根据接收到的多个能量请求中的节点数据和能量状态以及对应信道的质量，通过线性规划模型确定其内部的天线阵列中各个天线的发送功率。

(3)能量传输阶段：射频能源模块根据发送功率为对应的子节点充电。

在本实施例中，线性规划模型的优化目标为：最大化所有发送能量请求的节点的采集能量。线性规划模型包含多个约束，分别为：

(1)最大传输功率约束：射频能源模块分配到其天线阵列中各个天线的功率不超过射频能源模块的最大发送功率；

(2)总能量发送约束：射频能源模块发送总能量不超过自身可充电电池中的能量；

(3)节点接收能量约束：子节点接收到的射频能量不超过自身可充电电池中的剩余空间；

(4)非线性射频能量转换约束：子节点的能量采集功率与自身射频天线的接收功率呈现非线性特性。

并且，在非线性射频能量转换约束中，可通过分段函数表示子节点的能量采集功率与射频天线的接收功率之间的非线性射频能量转换过程，具体如下：

设定函数f(.)表示非线性转换过程，函数f(.)的输入值为节点天线的接收功率，返回值为节点的能量采集功率；

根据子节点的射频能量采集电路的实际测量，得到函数f(.)的n个点，点用表示，其中，表示第n个点对应的天线接收功率；pn表示第n个点对应的能量采集功率，1≤n≤n；

采用如下公式确定子节点采集的能量：

其中，表示节点i对应的第n个非零正数λ；ν(m)表示可被射频能源m充电的节点的集合；表示节点i的天线接收功率；pi表示节点i的能量采集功率；公式和组成一个凸组合，用于计算子节点的能量采集功率。

本实施例的线性规划模型采用隐马尔科夫模型，并且在该模型中设置四种状态参数的均值，分别为94.6、76.0、45.6和17.9mw/cm²，四种状态参数的方差分别为：0.31，1.55，1.48和0.71。

如图4所示，数据时隙包括：

(1)数据请求阶段：子节点根据自身数据和能量状态决定是否对父节点发送数据请求。

其中，父节点的数据接收表格可通过如下公式确定：

其中，表示父节点i从其子节点j已经接收到的数据量；lj表示在子节点j后代中采集节点的个数；表示数据接收表格中记录的数字。

父节点在接收到多个子节点的数据发送请求之后，根据其数据接收表格从子节点中选择出候选节点，具体来说，即是父节点i选择数据接收表格中最小值对应的子节点作为候选节点，并给候选节点发送确认消息。

(2)数据计算阶段：候选节点根据其父节点和自身的数据及能量状态计算与父节点之间的最大数据发送量，并基于最大数据发送量设置各个候选节点对应的数据发送概率。发送量越大，数据发送概率越高。

(3)数据发送阶段：各个候选节点根据自身的数据发送概率向父节点发送节点数据，以此来避免数据传输发生冲突。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。