基于可动态调节发射功率的低功耗传感器的通信方法及系统与流程

本发明涉及无线传感器，尤其涉及一种基于可动态调节发射功率的低功耗传感器的通信方法及系统。

背景技术：

1、无线传感器（wireless sensor）是一种能够感知周围环境（如温度、湿度、压力、光照、振动、气体浓度等），并将这些物理量转换为电信号，通过无线通信方式（如zigbee，lora，nb-iot，5g，wi-fi 6等）将数据传输到处理中心或云端的装置。无线传感器及其组成的无线传感器网络（wsn，wireless sensor network）是物联网（iot）的核心组成部分。

2、微功率无线传感器（low-power wireless sensor）通常指发射功率在毫瓦（mw）甚至微瓦（μw）级别的无线传感设备，是无线传感器网络中专门针对低功耗、长续航、低成本需求而设计的一类传感器节点，在难以布线、需要长期无人值守或电池更换成本极高的场景中起着至关重要的作用。无线传感器网络中，微功率无线传感器节点往往依赖电池或能量采集供电，通信模块是能耗占比最大的部分之一。为保证通信可靠性，现有做法往往固定发射功率或者人为预设多个功率挡位切换策略。固定发射功率时，所有节点的发射功率都是按照最大可用功率设计，没有考虑实际的通信参与角色之间的链路预算（很多节点可能都不需要用最大功率），容易造成能耗浪费，尤其是在距离短或信道良好时，也易导致网络间干扰，影响多节点系统的稳定性；功率挡位切换策略依赖人工配置或静态场景建模进行功率调节，缺乏动态适应环境变化的能力，接收端的接收灵敏度未参与调节判断，容易导致过度冗余功率输出。

3、在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

4、无线传感器网络中，微功率无线传感器的发射功率为固定设置或人为预设多个功率挡位，难以兼顾通信可靠性及能耗节约的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于可动态调节发射功率的低功耗传感器的通信方法及系统，以解决现有技术中存在的无线传感器网络中，微功率无线传感器的发射功率为固定设置或人为预设多个功率挡位，难以兼顾通信可靠性及能耗节约需求的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供的一种基于可动态调节发射功率的低功耗传感器的通信方法，包括以下步骤：s100：以中心节点作为主节点，低功耗传感器作为从节点，构建传感器网络，从节点构造心跳上报帧发送给主节点，主节点收到所述心跳上报帧后向从节点发送确认帧；s200：通过确认帧获取低功耗传感器的接收信号强度、帧错误率，基于接收信号强度、帧错误率构建信道质量评分模型，计算出所述低功耗传感器的信道质量分数，输出第一功率调节策略；s300：传感器网络的从节点基于接收的确认帧中提取有效反馈信息，分析接收质量指标，并通过与历史数据结合判定信道质量趋势，输出第二功率调节策略；s400：基于第一功率调节策略、第二功率调节策略，动态调节低功耗传感器的发射功率挡位，进行低功耗传感器网络的通信。

4、优选的，s200步骤中，所述信道质量评分模型为：

5、

6、，

7、

8、，

9、其中，为权重系数，为接收信号强度rssi的映射函数，将信号强度dbm值映射为[0,1]区间，，表示帧错误率。

10、根据权利要求2所述的基于可动态调节发射功率的低功耗传感器的通信方法，其特征在于，所述第一功率调节策略包括：信道质量评分模型的信道质量分数为0.8~1.0时，降低一挡功耗传感器的发射功率；信道质量评分模型的信道质量分数为0.6~0.8时，保持低功耗传感器的发射功率；信道质量评分模型的信道质量分数为0.4~0.6时，提高低功耗传感器一挡发射功率；信道质量评分模型的信道质量分数小于0.4时，提高低功耗传感器两挡发射功率或进行数据重传。

11、优选的，s300步骤具体包括：s310：传感器网络的主节点接收确认帧，并对确认帧的合法性进行校验；s320：基于确认帧提取接收信号强度rssi、帧错误率per、帧序列号；s330：通过最近接收的多个确认帧构建定长滑动窗口，基于定长滑动窗口动态计算多个确认帧的接收信号强度rssi均值、帧错误率per均值；s340：当接收信号强度rssi均值上升或帧错误率per均值下降时，下调一挡低功耗传感器的发射功率；当接收信号强度rssi均值下降或帧错误率per均值上升时，上调一挡低功耗传感器的发射功率；当接收信号强度rssi均值或帧错误率per均值无变化时，保持低功耗传感器当前的发射功率。

12、优选的，s400步骤中，通过以下方式动态调节低功耗传感器的发射功率挡位：若第一功率调节策略、第二功率调节策略的结果一致，直接进行低功耗传感器的发射功率调整；若第一功率调节策略、第二功率调节策略的结果一致，采用第一功率调节策略进行低功耗传感器的发射功率调整；若第二功率调节策略未成功获取，采用第一功率调节策略进行低功耗传感器的发射功率调整；若第一功率调节策略未成功获取，低功耗传感器的发射功率维持原功率不作调整。

13、优选的，在动态调节低功耗传感器的发射功率挡位后，若传感器网络出现链路中断或通信失败时通过回退复原操作恢复连接。

14、优选的，当满足以下任一条件时，判断为传感器网络出现链路中断或通信失败：连续预设次数发送数据未收到确认帧；确认帧中接收信号强度rssi低于最低阈值；当前功率调整后帧错误率上升至0.5以上；超过预设反馈等待时间未收到任何反馈；进行回退复原操作时，当前功率挡位为l，连续失败后尝试回退至更高功率挡位l+1；若回退两个更高功率挡位后仍出现传感器网络链路中断或通信失败，则重置低功耗传感器为中等功率挡位；且所有复原回退操作均作为下次低功耗传感器启动的初始化参数。

15、优选的，在动态调节低功耗传感器的发射功率挡位后，若通信成功将对应低功耗传感器节点的发射功率进行记录，并对节点id、上次通信成功的发射功率、最近信道评分、最近通信时间戳、连续稳定通信次数、是否锁定功率挡位进行记录；若连续通信失败超过预设次数，则清除该低功耗传感器节点的发射功率信息。

16、优选的，在动态调节低功耗传感器的发射功率挡位前，若当前功率等于最低允许发射功率或最近预设时间发生通信失败，则不进行低功耗传感器的发射功率挡位下调。

17、一种基于可动态调节发射功率的低功耗传感器的通信系统，用于运行以上任一项所述的基于可动态调节发射功率的低功耗传感器的通信方法，包括信道状态检测模块、接收反馈分析模块、功率调整控制器、复原模块、发射功率管理器及最低功率配置模块；所述信道状态检测模块通过确认帧获取低功耗传感器的接收信号强度、帧错误率，基于接收信号强度、帧错误率构建信道质量评分模型，计算出所述低功耗传感器的信道质量分数，输出第一功率调节策略；所述接收反馈分析模块基于接收的确认帧中提取有效反馈信息，分析接收质量指标，并通过与历史数据结合判定信道质量趋势，输出第二功率调节策略；所述功率调整控制器基于第一功率调节策略、第二功率调节策略，动态调节低功耗传感器的发射功率挡位；所述复原模块用于进行低功耗传感器的发生功率挡位回退复原操作；所述发射功率管理器用于进行维护每个低功耗传感器的最优发射功率；所述最低功率配置模块用于进行低功耗传感器的最小发射功率限制。

18、实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

19、本发明通过信道状态评估、数据包接收质量分析得到第一功率调节策略、第二功率调节策略，实时动态调节低功耗传感器的发射功率挡位，以实现通信可靠性与能耗的双重优化，每个从节点的发射功率在满足其与主节点之间的通信成功率要求的前提下，能最大程度的节省能量，延长电池使用寿命。