【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及物联网的无线通信与边缘计算，主要涉及无线传感网络在面向建筑监测数据采集的低功耗机制及无线通信效率，尤其涉及一种低功耗无线传感器的群读通信方法及装置。
技术介绍
1、随着物联网无线通信、传感器及边缘计算等相关技术的发展，对各类建筑对象进行在线数据采集监测，对于建筑健康状态评估、安全隐患识别及预警，具有极为重要的价值。
2、通过在建筑物内部（包括构件表面、内部及连接间隙）预埋分布式低功耗无线传感器节点阵列，可以对目标建筑整体及局部区域的传感状态变量进行实时数据采集，对目标建筑在安全、健康、运行、环境及能耗等方面进行更加全面、准确地监测评估；所述传感状态变量包括可观测的结构形态变量及与内部形变、损伤老化相关的物理变量。
3、面向建筑监测的无线传感网络为面向传感状态变量数据采集监测的一种低功耗物联网（lpiot）。所述无线传感网络由若干无线协同基站和分布式低功耗无线传感器节点构成。所述协同基站作为群读主机，对其无线覆盖区域内的无线传感器节点，通过激励群读对所述传感器节点上传的传感状态变量进行采集监测。所述协同基站对作为感知对象设备的无线传感器节点，基于低功耗无线模式管理提供数据采集及感知服务；所述感知服务包括对所述传感器节点进行的激励唤醒、模式调整、数据采集及监测计算。
4、所述协同基站对分布式无线传感器节点提供数据采集及协同计算服务。所述协同基站被协同主机所管理，所述协同主机对边缘物联网节点的设备状态及数据通信过程进行管理。所述协同主机为一种系统设备角色，根据系统设备角色拓扑关系，所述
5、作为建筑监测设备的无线传感器节点包括预埋于目标建筑区域的分布式无线传感器节点和/或被设置于观测点的观测设备。
6、考虑到在线建筑监测的长期性、预埋施工的防水及安装成本问题，分布式无线传感器节点应该优先采取一种低成本、小体积、封闭结构、可以被瞬态触发唤醒进入工作状态的超低功耗无线装置，包括可被无线激励获得暂态能量的无源节点或具有一次性超长电池工作寿命（如几十年）的有源节点，尤其对于那些不可充电的内层节点（预埋于构件内层或连接缝隙之中的传感器节点）。
7、相比而言，少量的表层节点（包括表层预埋或表面安装）可以通过表面/表层接收耦合而获得电源供电或充电，则并不强求具有与内层节点类似的超低功耗，也可以接受适当的可充电电池续航时间（如几个月以上）。例如，表层节点可以通过以下方式获得电源能量：1)有源电池充电：通过接收无线/电磁感应或太阳能对内置电池充电；2)无源激励感应：以无源rfid方式被激励，包括被主机（基站或中继）无线激励，或被电磁感应所激励。
8、现有无线传感网络技术对分布式低功耗无线传感器节点的群读通信，缺乏更有针对性解决方案，主要包括：
9、1)无线低频传输：优点是无线低频传输对建筑构件的穿透力强；但单纯无线低频通信方式，相对高频传输来说无线低频通信时间更长，导致传感器节点瞬态功耗较大、无线信道时隙利用率低。
10、2)无线同步mesh网络：需要建立网络同步，比较适合于上传数据相对频繁的无线网络通信。由于建筑构件内部的无线衰减较大，维持mesh网络同步本身的功耗代价相对较高，尤其对于需要长时间待机休眠的超低功耗应用。
11、3)无线待机功耗问题：面向建筑监测应用的无线传感网络，通常无线传感器节点的无线射频通信的间隔时间很长（例如间隔数小时甚至数天），有必要关闭射频前端置身于无源状态；但是需要解决如何在必要时触发唤醒处于无源状态或深度睡眠状态的无线传感器节点。
12、4)无线响应功耗问题：无论定时主动还是被动应答上传，都存在大量非必要的无线通信。为了避免不必要的无线射频功耗，主机在数据采集监测时应允许那些没有状态变化（指被测信号无变化或微小变化）的目标节点不予无线响应或应答，除非很少频次地需要进行强制性的群读数据采集（如测试校正）。
13、5)无线群读通信效率：群读通信效率主要在于对被群读节点给予高效选择及应答信道分配，不仅要避免节点应答信道时隙冲突、减少信道时隙浪费，还需要对目标群读节点的应答优先级进行指示。现有群读通信技术对应答信道时隙冲突调整缺乏效率，且应答优先级与节点状态变化缺乏应有的关联性。
14、因此，在考虑面向建筑监测数据采集系统需求的背景下，基于无线传感网络，如何在被测信号变量未发生跳变时使无线传感器节点更长时间处于无源状态或深度休眠状态，如何避免或减少对无线传感器节点不必要的射频激励群读，如何对目标群读节点进行高效选择、激励群读及数据采集，对分布式低功耗无线传感器节点实现低功耗、高效率的群读通信，成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于，在对低功耗无线传感器的群读通信过程，如何使传感器节点在被测信号变量未发生跳变时处于无源状态或深度休眠状态，以避免对群读主机的无线激励群读信号进行不必要的射频接收及群读应答；如何根据接收到的同步群读信号，识别自身节点是否隶属于目标群读节点，如何获得无线同步匹配及应答信道时隙，如何发送同步应答信号及应答数据帧。
2、为解决上述问题，本专利技术提出了一种低功耗无线传感器的群读通信方法、装置及系统。
3、第一方面，本专利技术公开了一种低功耗无线传感器的群读通信方法，无线传感网络中无线群读主机以同步群读方式获得低功耗无线传感器节点在不同的应答信道时隙发送的状态应答数据帧，具体包括以下步骤：所述传感器节点被前置触发唤醒后进行信号采样检测，根据被测信号变量的状态跳变程度，对天线射频前端设置射频接收模式，使节点自身进入不同等级的休眠状态；所述传感器节点被无线激励唤醒，在预定的无线同步信道接收所述群读主机发送的同步群读信号，所述同步群读信号包含码域信道标识；所述传感器节点基于自身节点编码根据所述码域信道标识，分配映射获得相应的应答信道时隙，在所述应答信道时隙发送同步应答信号。
4、可选地，所述传感器节点处于无源状态或深度休眠状态时，当所述前置触发唤醒后获得信号变量的状态跳变程度达到预设的跳变阈值时，设置所述天线射频前端进入允许射频接收的浅度睡眠状态。
5、可选地，所述群读主机通过发送无线激励信号，使所述传感器节点获得无线激励唤醒；所述无线激励信号包括以下方式之一或组合：方式一，由协同基站远场发送或由中继节点近场发送无线低频激励信号，所述传感器节点的天线射频前端通过耦合接收射频信号而获得激励唤醒；方式二，向预埋的电磁激励总线传送低频激励信号，经过传感器节点的临近区域产生电磁激励信号，所述传感器节点的电磁感应模块通过电磁感应而获得激励唤醒。
6、可选地，所述码域信道标识为用于指定或限定目标群读节点的码域范围，并对节点码域映射分配相应的应答信道时隙；所述传感器节点接收到所述群读主机发送的同步群读信号后，通过识别所述码域信道标识，判断自身节点编码是否隶属于当前目标群读节点。
7、可选地，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，无线传感网络中无线群读主机以同步群读方式获得低功耗无线传感器节点在不同的应答信道时隙发送的状态应答数据帧，具体包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点处于无源状态或深度休眠状态时，当所述前置触发唤醒后获得信号变量的状态跳变程度达到预设的跳变阈值时，设置所述天线射频前端进入允许射频接收的浅度睡眠状态。
3.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述群读主机通过发送无线激励信号，使所述传感器节点获得无线激励唤醒；
4.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述码域信道标识为用于指定或限定目标群读节点的码域范围，并对节点码域映射分配相应的应答信道时隙；
5.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述群读主机通过发送同步群读信号使所述传感器节点获得无线同步匹配；
6.如权利要求1至5任一项所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点
7.如权利要求1至5任一项所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点根据所述码域信道标识，基于自身的节点编码映射计算相应的应答信道时隙，具体为以下方式之一或组合：
8.如权利要求1至5任一项所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点根据所述码域信道标识映射计算对应的应答信道时隙，按照以下方式之一或组合，选择发送同步应答信号的方式为脉冲应答信号或状态应答数据帧：
9.如权利要求6所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述群读主机对接收到的所述传感器节点发送的脉冲应答信号，通过以下识别方式之一或组合，获得所述信道码域分布：
10.如权利要求1至5任一项所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述群读主机根据当前目标群读节点的信道码域分布反馈调整所述码域信道标识，具体为以下方式之一或组合：
11.如权利要求1至5任一项所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点在成功上传一次状态应答数据帧之后，至少完成一次新的信号采样，且当获得的信号变量的状态跳变程度达到预定的跳变阈值时，设置自身节点的天线射频前端进入允许射频接收的状态。
12.一种低功耗无线传感器的群读通信装置，所述装置即无线传感器节点装置，其特征在于，所述装置接收到无线群读主机发送的同步群读信号后，在不同的应答信道时隙发送状态应答数据帧，所述装置由以下模块构成：
...【技术特征摘要】
1.一种低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，无线传感网络中无线群读主机以同步群读方式获得低功耗无线传感器节点在不同的应答信道时隙发送的状态应答数据帧，具体包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点处于无源状态或深度休眠状态时，当所述前置触发唤醒后获得信号变量的状态跳变程度达到预设的跳变阈值时，设置所述天线射频前端进入允许射频接收的浅度睡眠状态。
3.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述群读主机通过发送无线激励信号，使所述传感器节点获得无线激励唤醒；
4.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述码域信道标识为用于指定或限定目标群读节点的码域范围，并对节点码域映射分配相应的应答信道时隙；
5.如权利要求1所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述群读主机通过发送同步群读信号使所述传感器节点获得无线同步匹配；
6.如权利要求1至5任一项所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点根据所述码域信道标识，基于自身的节点编码在对应的应答信道时隙发送脉冲应答信号；
7.如权利要求1至5任一项所述的低功耗无线传感器的群读通信方法，其特征在于，所述传感器节点根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：张淼，徐力，苏乐辉，戴春赟，黄松健，陈森鹏，孟新红，吴宗波，庄银霞，邓玉鹏，钱德志，
申请(专利权)人：泉州信息工程学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。