自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法及系统技术方案

本发明专利技术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系统，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化方法及系统
本专利技术涉及物联网运算
，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系统。
技术介绍
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)，源源不断地为设备系统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，已被应用到诸多系统中，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、系统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，当系统发生断电时，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，大大提升系统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，提高整个系统的启动速度。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。
技术实现思路
本专利技术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系统，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，本专利技术的技术方案为：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。本专利技术还提供一种自供能非易失传感网的时分复用节点虚拟化系统，所述虚拟化系统包括：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系统，所述虚拟化系统还包括：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系统，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系统，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。本专利技术与现有技术相比，针对能量采集场景下自供能无线传感网进行设本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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.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，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。5.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，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马恺声，李金阳，
申请(专利权)人：马恺声，
类型：发明
国别省市：北京,11