无线网格网络中的数据收集方法及用于其实现的设备与流程

1.本发明涉及一种用于在无线网格网络中从传感器通信设备收集数据的方法，所述无线网格网络被布置用于使用时间复用的无冲突路由。


背景技术：

2.网格网络是最通用的网络拓扑，其中一般而言，能够在此网络中连接的任何两个设备之间建立连接，也就是说，这些设备能够彼此直接通信并且向彼此传递消息。能够在任何两个设备之间建立连接的网格网络被称作全连接网格网络，但是在实践中，处理仅一些设备彼此连接并且能够建立连接的情况更常见。
3.在无线网格网络中，设备通常在无线电频带中以无线方式彼此通信。因此，两个通信设备之间的直接连接通常受到这些设备的通信范围限制；在通信范围之外的设备不能与彼此建立直接连接。因此，消息被以称作分组的数据块发送，其中分组承载关于其接收者的信息并且在通用网格网络中被从发送者起逐渐从一个设备转发到下一个设备，直到它们到达接收者为止。定义路径，即确定分组将通过哪些设备转发被称为路由。路由的目的是为了确保分组从发送者到接收者的最可靠且最快速的递送。
4.由于在通用无线网格网络中通常事先不知道哪些设备能够与彼此建立连接，所以尤其由于作为不同连接的组合产生的可能路径的数目，路由是相对复杂的技术和算法问题，其中涉及n个设备的网络中的可能连接总数小于或等于由公式nmax＝n*(n-1)/2给出的数目nmax。
5.根据专利[p1]的基于在此网络中创建通用无线网格网络的功能布置和路由技术的解决方案保证可靠且高效的消息递送。然而，随着连接到网络的通信设备的数目增加，响应时间和开销在需要收集来自更多设备的数据时增加。此事实尤其对常常为传感器的电池供电的设备来说，导致更高的功耗，并且因此导致传感器设备的电池寿命受限。
[0006]
专利[p2]中呈现的解决方案以及根据[p1]的有序网络的益处用建立的路由结构并且使用定向洪泛大体上改进具有分组传输的有序无线网格网络中的数据收集的时间效率。然而，电池供电的传感器设备通常在休眠模式下操作，并且只有当它们需要通信时才唤醒到通信模式，这在此数据收集方法中必须被事先调度。在这种情况下影响传感器设备的能量效率的技术限制是需要恰恰刚好在接收到初始消息之前唤醒它，使得感测设备能够接收消息并且执行适当的序列。较早的唤醒由于在能量密集通信模式下花费更多时间而导致效率降低，这对电池供电的设备来说是不合需要的，然而较晚地唤醒导致初始化消息的丢失和路由失败。由于需要使用功耗非常低的精确定时器，所以精确的定时然后通常意味着更高的经济成本。此外，即使在传感器设备上实现了准确的定时，它们的能量效率也可以进一步降低，例如如果控制网络设备(c)忙于执行来自父系统的优先级命令并且因此晚于预定的发送初始化分组。类似地，如果初始化消息例如由于环境干扰未到达传感器设备，则它失败。在这些情况下，传感器设备必须在接收模式下等待较长的时间，在接收模式下功耗比在休眠模式下高几个数量级。
[0007]
所提及的[p2]的缺点大部分通过下述来自具有消息的分组传输的无线网格网络中的通信设备的数据聚集方法来消除，该方法优化电池供电的传感器设备的能量效率。
[0008]
参考文献列表
[0009]
[p1]欧盟/美国专利“mesh”[0010]
a.cz 305 446
[0011]
b.ep 2 458 825
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c.us 8,681,656
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[p2]欧盟/美国/日本专利“frc”[0014]
a.cz 306 142
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b.ep 2 846 584
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c.us 9,615,308
[0017]
d.us 10,079,664
[0018]
e.jp 6 333 120


技术实现要素：

[0019]
本发明的主题是[p1]中描述的在具有分组消息传输并且被布置用于使用时间复用和虚拟路由号的无线网格网络中从通信设备收集数据的方法。
[0020]
本发明的实质是传感器设备不直接参与数据聚集的过程，而是它们异步地发送数据并且将其数据存储在路由设备(n)的存储器中，然而数据聚集的过程由控制设备(c)通过广播初始消息来发起。在接收到初始消息之后，并且基于此消息中的控制数据，路由节点(n)随后将存储的数据与其他确认收集消息合并，并且在确认帧期间将它们从具有最高虚拟路由号(vrn)的路由设备(n)顺序地发送到具有最低虚拟路由号(vrn)的路由设备。以这种方式，路由设备(n)提供传感器数据的聚集。
[0021]
与[p2]中描述的聚集方法不同，传感器设备(s)不再参与数据聚集，而是它们通常在某种周期性模式下在不用提示的情况下发送其数据，所以它们不必等待初始消息。这种传感器设备通信的方式导致其能耗显著降低。
[0022]
另外，因为传感器设备(s)不参与数据聚集，所以当在路由通信设备(n)上存储并处理它们的数据时，用于收集数据的时间显著地减少，因为在确认帧中不需要将时隙专用于传感器设备(s)，而仅专用于路由通信设备(n)。
[0023]
本发明也提供一种实现所描述的从传感器通信设备(s)收集数据的方法的路由设备。这样的设备必须包括部分地或全部地专用于存储从传感器接收到的数据的存储器，以及实现初始化消息的解释和聚集逻辑的控制单元。
附图说明
[0024]
图1示出网络拓扑的示例，其中包含三个路由设备和六个传感器设备的网络拓扑的示例，
[0025]
图2示出中继器及其框图，即专用存储器设备实现方式的示例及其框图，
[0026]
图3示出表1，其中示出聚集过程，即示出图1所示的示例网络拓扑的数据采集和合并序列。
具体实施方式
[0027]
本发明提供一种用于在具有分组消息传输的无线网格网络中从传感器通信设备收集数据的方法，所述无线网格网络被布置用于使用时间复用和虚拟路由号(vrn)进行无冲突路由。
[0028]
这样的拓扑布置的示例被示出在图1中。该示例包括控制通信设备c和指配有虚拟路由号r1至r3的三个路由通信设备n1至n3，其中实线示出此网格网络拓扑布置内的直接链路。另外，网格包括标记为s1至s6的六个传感器通信设备。在此示例中，每个传感器设备s1至s6的虚线显示哪些路由设备能够在此拓扑布置中接收其传输/数据。感测设备周期性地发送实际数据，该数据被存储在其范围内的路由设备的存储器中，由此每个路由通信设备在接收到与帧开始时间相对地同步的初始消息时，选择要从所接收到的存储在其存储器中的感测数据收集的期望数据，其可以是一个或多个比特，并且随后将这些比特插入到被寻址到控制网络设备c的收集确认消息中。从具有较高虚拟路由号的路由设备到具有较低虚拟路由号的路由设备顺序地执行确认帧期间的数据聚集。以这种方式，通过路由设备的来自个别传感器设备的传感器数据的聚集与解决方案[p2]相比导致通信帧的大规模减少，正如在这种特定情况下可见的一样。对于如图1所示的拓扑布置中的实际数据聚集的简单可视化，在表1中描绘了个别路由设备在接收初始消息之前的存储器状态，即所存储的传感器数据，这里形式为传感器的在示例中出于说明性目的取值1至6的序列号。随后，在确认帧的不同时隙之上顺序地捕获每个路由设备上的聚集状态。路由设备在传送由它们聚集的数据之后，终止聚集周期，在表中表示为结尾。
[0029]
插入到初始化消息中的附加信息可以是传感器和/或路由设备的列表，例如形式为比特字段，其数据将被选择，或者能够插入所请求类型的数据的定义，例如关于超过某个物理量的极限值的温度数据或比特信息。在这种情况下，基于解释，可以选择仅特定数据并且随后在此附加信息的基础上加以聚集。例如，这在优化具有不同类型的传感器设备的异构遥测网络的情况下可能是有利的，其中来自被设计用于监视慢事件的传感器的数据不需要为可用的，并且因此不需要和关键数据一样经常地加以收集。
[0030]
例如，附加信息也可以包括在确认帧开始之前对延迟的要求，这例如在具有不同计算能力的路由设备的网络中对当已执行了更加计算密集的选择和聚集操作时个别路由设备的时间同步而言可能是有利的，在该情况下某个路由通信设备可能由于聚集操作的较长的执行时间而在确认帧期间被延迟或错过其相应的时隙。
[0031]
通过将附加信息插入到初始化消息中并且然后如描述的那样在路由设备处解释它，遥测系统因此能够针对特定应用被进一步优化并且带来附加益处，诸如提高数据收集速率、减少传输信道上的负载、或确保整个数据收集方法的较高可靠性。
[0032]
在无线网格网络中实现所描述的数据收集方法的设备的示例可以是被示出为在图2中包括其框图的中继器，包括完全专用于存储传感器数据的外部ram(mem)和包括微控制器(cpu)的收发器模块，所述微控制器解释初始化消息并且选择期望传感器数据以进行聚集。
[0033]
具有部分地专用的存储器的传感器设备实现方式的示例可以是除了微控制器之外还包含足够大的fram存储器的收发器模块，所述足够大的fram存储器由于其有利性质(10
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次写入寿命、快速写入和读取速度)，不仅被用于存储传感器设备数据，而且因为它是
非易失性的，所以也被用于存储配置和安全信息。
[0034]
工业可用性
[0035]
本发明能够用于使遥测网络中的通信变得更高效。对于电池供电的传感器设备，本发明呈现大体上提高通信过程的能量效率并且因此大体上延长电池更换周期的机会。它具有低硬件资源要求并且其实现方式是经济上有趣的。

技术特征：
1.一种用于在无线网格网络中从通信设备收集数据的方法，所述无线网格网络具有基于分组的消息传输并且被布置用于使用时间复用和存储在路由通信设备(n)中的虚拟路由号(vrn)进行无冲突路由，并且表达离控制通信设备(c)的距离，其中，每个网格网络包括至少一个控制通信设备(c)、一组路由通信设备(n)和一组传感器设备(s)，其特征在于，其中，每个路由通信设备(n)接收并存储从所述传感器设备(s)异步地发送的传感器数据，并且在接收到来自所述控制通信设备(c)的初始消息时，从存储在其中的所述传感器数据中选择并设置一个或多个比特，其然后在时间被同步到初始帧的确认帧期间与从具有较高虚拟路由号(vrn)的路由通信设备(n)接收到的确认收集消息合并，以随后在所述确认帧的对应时隙中发送如此合并的它们。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制通信设备(c)将附加信息插入到初始化消息中，所述路由通信设备(n)解释所述附加信息并且取决于所述解释的结果而设置一个或多个比特。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述确认帧可以由所述控制通信设备(c)取决于在所述初始消息中插入的附加信息进行时移。4.一种用于在可路由通信设备(n)上实现根据权利要求1、2或3所述的方法的设备，其特征在于，所述设备包括：存储器(memd)，所述存储器的一部分专用于存储接收到的传感器数据；以及控制单元(cpu)，所述控制单元解释初始消息并根据权利要求1、2或3中的任一项提供数据聚集。5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，整个存储器(memd)被完全专用于接收异步传感器数据。

技术总结
本发明涉及无线网格网络中的数据收集方法及用于其实现的设备。用于在无线网格网络中从通信设备收集数据的方法，无线网格网络具有基于分组的消息传输并且被布置用于使用时间复用和存储在路由通信设备中的虚拟路由号进行无冲突路由，并表达离控制通信设备的距离，每个网格网络包括至少一个控制通信设备、一组路由通信设备和一组传感器设备，每个路由通信设备接收并存储从传感器设备异步地发送的传感器数据，并在接收到来自控制通信设备的初始消息时，从存储在其中的传感器数据中选择并设置一个或多个比特，其然后在时间同步到初始帧的确认帧期间与从具有较高虚拟路由号的路由通信设备接收到的确认收集消息合并，以随后在该确认帧的对应时隙中发送。该确认帧的对应时隙中发送。该确认帧的对应时隙中发送。


技术研发人员：弗拉迪米尔
受保护的技术使用者：米科洛里斯克公司
技术研发日：2021.09.03
技术公布日：2022/3/8