能量收集传感器网络、能量收集节点及方法技术

本发明专利技术涉及能量收集传感器网络、能量收集节点及方法。本发明专利技术提供了使用信标方案的EHSN通信协议以促进多个低功率传感器节点之间的通信。在示出的实施方式中，所期望的传感器数据通过一组中间中继节点从起点传感器至目的地节点流动通过一系列传感器节点。使用接收器启动的信标方案进行从一个节点至另一节点的发送，其中，当节点收集到中继数据的足够的能量时通过每个节点发送信标。基于哪个节点已经收集了足够的能量(并且广播了合适的信标)，以及哪个节点被最佳定位为将数据转发至目的地节点，从网络中的节点的总集合中适时地选择中继节点的特定集合。

【技术实现步骤摘要】
能量收集传感器网络、能量收集节点及方法
本公开总体涉及传感器网络，并且更具体地，涉及用于能量收集传感器的网络的多跳网络协议。能量收集传感器网络(EHSN)可以应用在许多领域中，包括飞机座舱系统、制造设施等。
技术介绍
低功率传感器当前需要电池运作。因为电池需要定期更换，由于维护成本，所以由于维护成本，低功率传感器对于广泛分布(例如，遍及飞机的数千个)或者难达到的位置(例如，诸如飞机发动机)是不理想的。此外，由于电池泄漏的危险引起的环境问题，电池供电的传感器网络不适合用于一些应用。可以使用具有能量收集性能的低功率传感器代替电池供电的传感器，但是如果由于能源的无法预测和随机性发生的数据发送链中的一个传感器缺乏继续发送的电力，则从传感器至传感器的数据发送可能出现故障。为了避免这种数据发送故障，需要EHSN通信协议来促进能量收集装置之间的数据发送。
技术实现思路
在示例性实施方式中，本专利技术提供了使用信标方案促进多个低功率传感器节点之间的通信的EHSN通信协议。在示例性实施方式中，期望的传感器数据通过一组中间中继节点从起点传感器至目的地节点流动通过一系列传感器节点。使用接收器启动的信标方案进行从一个节点至另一节点的发送，其中，当它们收集到中继数据的足够的能量时通过每个节点发送信标。基于哪个节点已经收集了足够的能量(并且广播了合适的信标)，并且哪个节点被最佳定位为将数据转发至目的地节点，从网络中的节点的总集合中适时地选择中继节点的特定集合。本公开的一个实施方式采用能量收集传感器网络的形式。专利技术的网络包括：操作为节点的多个能量收集传感器，其中，每一个能量收集传感器被配置为根据预定义的通信协议进行操作。此外，网络包括被配置为与能量收集传感器无线通信的服务器。预定义的通信协议包括接收状态，在该接收状态中，节点发送向其他节点指示所述节点是醒的且具有足够的能量来接收和重新发送数据包的准备接收(RTR)信标。本公开的另一实施方式采用能量收集节点的形式。专利技术的节点包括能量收集装置；能量存储装置；微控制器；以及无线收发器。微控制器和无线收发器由能量存储装置供电。微控制器被配置为根据预定义的通信协议操作能量收集节点，其中，所述收发器发送指示所述节点是醒着并且具有足够的能量从另一节点接收数据包并重新发送所述数据包的RTR信标。本公开的另一实施方式采用通过能量收集传感器网络中的每个节点所采用的方法的形式。专利技术的方法包括以下步骤。节点保持在睡眠状态下直到收集了预定阈值的能量。一旦收集到预定阈值的能量，节点基于非确定性函数进入发送状态或接收状态。在接收状态下，节点发送指示该节点准备接收数据的RTR信标，并且从第二节点接收数据。在发送状态下，节点等待来自另一节点的RTR信标，确定任何其他节点是否当前正在发送数据，并且如果没有其他节点当前正在发送数据，则它将数据发送至RTR信标的发送器。如果另一节点当前正在发送数据，则第一节点延迟发送直到信道未被占用。以下描述其他特征。附图说明图1示意性地描述了广域能量收集传感器网络的示例性实施方式。图2示意性地描述了能量收集传感器的示例性实施方式。图3是专利技术的EHSN通信协议的流程图。图4是用于两个节点的示例性时序图。具体实施方式在以下部分中，首先提供了根据本公开的EHSN的示例性实施方式的概述。接下来是专利技术的通信协议的各个方面的更详细的说明，包括与可替换的方法的比较、EHSN媒体存取控制(MAC)协议、接收器和发送器操作模式的详情、以及机会中继。概述本公开解决在能量收集装置之间调度和路由的突出问题，允许这样的装置用于大型部署、飞机座舱和工厂车间应用的联网。无线传感器网络指的是低功率装置的集合(和潜在的大集合)，每个低功率装置能够测量事件(例如，故障、接近度等)的环境数据(例如，温度、压力、健康等)或者存在并且将这些测量结果无线通信至中央处理服务器。无线传感器使得能够在其中布线是不切实际的环境中、并且尺寸、重量、和功率(SWAP)受限制的环境中进行部署。当前，传感器网络部署受到成本和电池寿命的限制，尤其在其中由于传感器的数量或位置而导致的替换节点和电池是不可行或不切实际的环境中。为了克服这些问题，研究人员已经考察了利用能量收集技术来生成用于传感器操作的能量。从太阳、风力、温度梯度或者振动收集能量可以通过提供可再生能源显著地提高传感器网络的寿命。然而，需要通信协议来在不确定的和可变的能量补充过程中提供确定性网络保证。多跳EHSN网络协议解决了能够在能量收集传感器节点之间的通信和联网问题，这促进了广域部署。在这些环境中，由于长距离发送和多径衰退分布(multipathfadingprofile)的功率要求导致单跳、基于基础设施的图像可能是不可实行的。然而，为了使网络能够与能量收集节点融合在一起，每个发送器需要了解通信链中的下一个接收器具有足够的能源来接收和中继数据包而不依赖集中控制或者整体同步化。所公开的EHSN通信协议利用以下原理解决了解决这些问题：接收器启动的信标发现具有用于接收和重新发送的足够能量的中继器，并且适时中继转发数据包而不依赖传统的固定路径。为了调度和路由这两个目的，本公开使用信标。图1示意性地描述了包括服务器100以及由参考标号200-1至200-9表示的多个传感器节点的EHSN。在图1的示例性网络中，阴影节点(节点200-1、200-4、200-5、200-6和200-7)假设具有用于发送和接收的足够的能量，而剩余节点(节点200-2、200-3、200-8和200-9)假设不具有用于发送或接收的足够的能量。这表示能态的时间上的快照，随着时间的过去，能量将被收集并且最终节点将具有用于通信的足够的能量。在这个网络模型中，节点被设计成将数据传送至服务器100。服务器可以由电池或者由电气设施供电，但是节点由能量收集装置供电。节点根据它们的相应的能级在睡眠状态和唤醒状态之间转变。每个节点要求足够的电力来发送和接收数据，并且在唤醒状态下保持空闲。在一个示例性环境中，例如，为了诸如外表面上的冰检测、内部内的座舱压力测量、接近感应和发动机安全监控的目的，EHSN被部署在整个飞机上。这样的环境中可能的能源包括光电的(太阳能、内部照明等)、振动的(压电的)、温度梯度、气压、机械的(例如，按钮)、以及周围RF能量。图1的示例性实施方式采用了新的EHSN通信模式。然而电池供电的网络的目标是使寿命(节点始终是可用的但是需要保存能量)最大化，EHSN的目标是使经受能量收集限制条件的服务生产量/质量最大化。用于电池供电的传感器网络的低能量网络协议对于EHSN不是最佳的。在EHSN中，大部分能量消耗是用于通信的目的，因为数据的发送和接收需要相对大量的能量，并且甚至空闲收听也需要能量使用。当节点耗尽它的能量时，它进入睡眠状态和休眠直到已经收集了足够的能量。EHSN的关键挑战在于能量收集过程是无法控制的并且时间是未知的。换言之，不了解节点何时已经收集了足够的能量以重新进入唤醒状态。进而这使得难以提供确定性的网络保证。图2是能量收集传感器200的示意图或框图。能量收集传感器200包括本领域中的技术人员很好地理解的硬件元件。在这个实施方式中，能量收集传感器200包括将电能214供应至能量存储装置220的能量收集装置21本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量收集传感器网络，包括：操作为节点的多个能量收集传感器(200‑1、200‑2、…)，其中，所述能量收集传感器中的每一个被配置为根据预定义的通信协议进行操作；以及服务器(100)，被配置为与所述能量收集传感器无线通信；其中，所述预定义的通信协议包括接收状态，在所述接收状态中，节点发送向其他节点指示所述节点是醒的且具有足够的能量来接收和重新发送数据包的准备接收信标。

【技术特征摘要】
2016.12.14 US 15/379,1441.一种能量收集传感器网络，包括：操作为节点的多个能量收集传感器(200-1、200-2、…)，其中，所述能量收集传感器中的每一个被配置为根据预定义的通信协议进行操作；以及服务器(100)，被配置为与所述能量收集传感器无线通信；其中，所述预定义的通信协议包括接收状态，在所述接收状态中，节点发送向其他节点指示所述节点是醒的且具有足够的能量来接收和重新发送数据包的准备接收信标。2.根据权利要求1所述的能量收集传感器网络，其中，所述预定义的通信协议进一步包括睡眠状态和发送状态。3.根据权利要求2所述的能量收集传感器网络，其中，多个所述能量收集传感器的一个能量收集传感器保持在所述睡眠状态下直到该能量收集传感器收集了预定阈值的能量。4.根据权利要求2所述的能量收集传感器网络，其中，每个节点使用一个或多个接收的准备接收信标路由数据包。5.根据权利要求2所述的能量收集传感器网络，其中，所述预定义的通信协议包括媒体存取控制协议。6.一种能量收集节点，包括：能量收集装置(210)；能量存储装置(220)，耦接至所述能量收集装置；微控制器(240)；以及无线收发器(250)，耦接至所述微控制器；其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：马修·R·约翰斯顿，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US