CN101572936A - 一种无线传感网络的节点能耗管理方法 - Google Patents

Abstract

无线传感网络是由很多节点通过无线射频方式彼此通信的网络结构。无线传感网络中大多数节点由电池提供电源。节点的功耗管理是无线传感网络设计中的重要问题。一个根本的解决办法是节点在多数时间内处于低功耗睡眠状态。某些特定的无线传感网络中存在运动的节点和固定的节点。网络要求运动的节点在通过固定节点时必须有效通信。这就要求运动的节点必须在固定节点附近苏醒。本算法提出一种功耗管理机制能确保运动节点低功耗并且在固定节点附近苏醒。算法的核心是运动节点具有长短周期两种睡眠模式，通常处于长周期模式，在固定节点附近被预唤醒并进入短周期模式。固定节点具有预唤醒的机制。

Description

一种无线传感网络的节点能耗管理方法

技术领域

无线传感网络系统的能耗管理方法的技术领域，特别是移动节点的能耗管理技术。

背景技术

无线传感网络是由很多节点通过无线射频方式彼此通信的网络结构。每个节点一般由传感单元、处理单元、以及通信单元组成。有些节点另外具有控制外部机械系统或电气系统的控制单元。传感单元主要的任务是将需要监测的数据通过一定的模式读入节点。通信单元是射频模块，负责在各个节点间建立统一的通信通道并相互通信。处理单元负责处理传感器接收到的数据，也负责处理通信单元数据。处理单元同时也协调节点上各个功能单元的协同。

无线传感网络在过去的十多年在学术界研究很深入。近年来，随着各种标准机构的推广和政府部门的支持，工业方面的应用正在如火如荼的展开。尽管如此，目前无线传感网络仍然没有被市场广泛采用。究其原因，其中最重要的一个问题是节点能耗始终没有有效的解决方案。无线传感网络的能耗是指各个节点的能耗。一般来说，要使无线传感节点之间能真正的实现无线连接，他们之间就不可能存在电源线，因而电池供电是根本的方式。因为电池容量有限，节点在工作状态的能耗直接关系到节点的寿命。目前一般工业无线传感产品在工作状态的耗能在几十毫安量级。考虑到电池的容量一般在几百到几千毫安时，无线传感节点一般只能处于工作状态几十个小时。对于无线传感网络要解决的多数问题，这么短的寿命市场很难接受。

尽管在全网络范围实现低功耗还存在不小的困难，对于一些特殊的应用场合，通过节点功耗的管理仍然可以使整个系统的寿命延长到几年以上。比如，一个无线传感网络由大量的移动节点和少量的固定节点构成，移动节点只需且必须和固定节点通信。移动节点因为本身的移动特性，使得节点的能量供给必须由电池来完成。固定节点因为数量少、位置固定，可以使用电网或者可充电电池供电。因为固定节点的能量趋向于无穷大而移动节点的电池容量有限，移动节点的工作时间就决定了整个系统的寿命。对于这种无线传感网络，系统的能耗管理的基本原则是计移动节点尽可能多的处于睡眠状态。移动节点的睡眠时间越长，移动节点的平均功耗就越小，它的生存时间就越长。这样整个系统的工作时间就越长，系统对于人员介入和维护的要求就越低。这样的传感网络的实际原型可以是智能车辆管理系统或者人员管理系统等。

如前文所述，节点在工作状态的能耗是几十毫安，普通电池很难维持节点长期处于工作状态。相对地，节点在睡眠状态的能耗低于几十个微安。因此，无线传感网络的移动节点总是要处于周期性的睡眠、苏醒、再睡眠、再苏醒的循环当中。如果节点的睡眠时间远大于苏醒的时间，节点的能耗将大幅度下降，在最好的情况下，也就是节点的睡眠时间相对于苏醒时间的比值远远超过了苏醒状态功耗相对于睡眠状态的功耗，即节点几乎不苏醒而总在睡眠，节点的寿命就达到了它的极限。这个极限就是电池储能相对于节点睡眠能量的比值。

然而，作为一个无线网络，任何节点都需要跟别的节点进行交互。尽管我们不需要每个节点都跟任意一个节点交互，但是至少对于我们所描述的网络，一个移动节点在移动到某个固定节点附近时必须和固定节点有效通信。如果一个移动节点的睡眠时间非常长，节点移动的速度非常快，节点就可能失去和固定节点的通信机会。对于这样的网络，我们当然可以降低移动节点的睡眠周期，保证移动节点在有效的通信范围内苏醒并正常工作。但是，这种方法的局限，像前文论述的一样，降低了节点的睡眠时间，从而减少了节点的生存寿命。

发明内容

一个大规模无线传感网络，由大量的移动节点和少量的固定节点组成。移动节点需要在绝大多数时间里处于周期性的睡眠状态。本发明所要解决的问题是在这样的网络中移动节点保持接近理想的使用寿命，同时也能有效的跟固定节点进行通信。

一个大规模无线传感网络，由大量的移动节点和少量的固定节点组成。移动节点一般安装在运动物体上，比如人员或者车辆，由电池供电。固定节点可以是永久地修建在特定地点的专用设备，由市电供电；或者是短暂地布置在某地点的设备，由可充电电池供电。不论是何种方式，固定节点的显著特点是能量储备相对于系统寿命来说非常大，取之不尽。在考虑系统内节点通信时，它的能耗不必关注。

无线传感网络中的节点通过无线射频方式通信。每个节点都有射频单元。有些设备的射频单元包含发送单元，有些包含接收单元，有些二者兼而有之。无线传感网络的信息接收节点在通信时必须打开接收器，否则它不能收到发送节点的信息。

在我们所描述的无线传感网络中，移动节点因为能耗有限，必须周期性的处于睡眠状态。移动节点在绝大多数时间里处于睡眠状态。节点的状态包括睡眠、苏醒并处理事务、再睡眠、再苏醒。定义T为节点从睡眠开始到即将进入下次睡眠的时间，Ts为睡眠时间，Tw为工作时间。为了能够使移动节点的能耗最小，在我们的设计中，移动节点的Ts远远大于Tw。

移动节点的睡眠时间Ts很长，假设它的移动速度很快，当它高速经过固定节点时，有很大的机会不能及时苏醒。举例来说，如果汽车上的节点的睡眠周期Ts为10秒，移动速度为60公里每小时，即15米每秒，在节点睡眠的时候，它可以移动150米的距离。假定节点的无线射频覆盖范围是几十米，移动节点将有很大的机会错过固定的收费站节点。这样它就不能和固定节点进行通信。

为了解决移动节点速度快睡眠时间长造成的通信问题，本发明中提出一种方法。即移动节点在快到达固定节点时自动缩短睡眠周期。这就要求固定节点具有预激活机制，在距离固定节点比较远的地方都能够发送预激活帧，而移动节点在预激活条件下实施暂时的短睡眠周期。

移动节点在正常情况下实施长睡眠周期。在被激活条件下，移动节点使用短睡眠周期。移动节点短睡眠周期可以确保节点在一次睡眠周期里，只经过很短的距离，从而在固定节点附近时苏醒并有效通信。具体的短周期的大小取决于移动节点的移动速度和节点间射频的覆盖范围。比如在上述的例子中，短周期可以定为1秒。移动节点在完成和固定节点通信后，返回长睡眠状态。

在我们设计的无线网络系统中，移动节点在被预激活后不允许长时间处于短睡眠状态。因为那样系统的能耗相对较高，不符合我们的设计构想。我们通过一个短睡眠工作时间上限来防止节点陷入此状态。当移动节点在短睡眠状态工作时间超过此上限后，系统自动返回长睡眠状态。

移动节点从短睡眠状态转回正常状态后，有可能仍然处于固定节点的预激活帧覆盖范围。为了避免节点反复进入预激活状态，在我们的设计中，系统在重新返回长睡眠状态后，在一定的时间内不再响应预激活帧。

固定节点的预激活机制采用两种模式。一种方式为固定节点安装大大线，它的射频覆盖范围很大，可以确保在移动节点以设计最大速度经过固定节点时及时预激活移动节点。值得指出的是，在这种方式下，移动节点和固定节点的覆盖范围非对称。移动节点仍然保持小的射频覆盖范围。在移动节点进入固定节点的射频覆盖范围后，它的信息可能被固定节点收到，也可能不能到达固定节点。如果移动节点没有收到固定节点的确认，也即发送失败，移动节点保持预激活状态。当移动节点的信息被固定节点接收到后，移动节点返回正常睡眠状态。

同定节点被激活的另一种方式为安装固定节点系统，即在离原来的固定节点一定的距离安放一个移动节点预激活器。在我们所描述的系统中，移动节点预激活器安放在移动节点的来向上。当移动节点经过预激活器时被激活。当到达固定节点时，就可以进行有效通信。

附图说明

图1是本发明所描述的无线传感网络的示意图

图2是本发明所描述的移动节点的工作流程示意图

图3是本发明所描述的固定节点长射频覆盖范围的预激活机制示意图

图4是本发明所描述的固定节点周围布置预激活器机制的示意图

具体实施方式

下面就通过附图和具体实例对本发明做进一步详尽的说明。

如图1所示的无线传感网络由固定节点和移动节点组成。固定节点的本质特征是节点的供给能量非常大，其能耗在系统设计中可以不做考虑。移动节点的本质特征是节点的供给能量有限，在绝大多数的时间里必须处于睡眠状态。我们设计的网络模型要求移动节点在经过固定节点时必须和固定节点进行有效通信。其中一个例子是车辆管理系统。每个机动车辆内置一个射频模块，用电池供电。射频模块内包含车辆相关的电子信息。车辆在我们所描述的系统中是移动节点。公路收费站、检查站是可能的固定节点，可以由市电供电。因为巡警的手持设备电能充足，可以充电，所以巡警拿一个手持设备在公路边临时设定的车辆监测点也是一个固定节点。车辆在经过收费站或者是临时监测点时必须和同定节点通信，发送车辆信息，接收数据或者控制信息。

本发明的核心思想是移动节点的能耗管理。这些移动节点在通常情况下处于长睡眠周期。这个睡眠周期可以确保节点达到近乎理想的寿命。比如安装在车辆中的射频模块睡眠时的功耗大约是几十个微安，苏醒后的功耗大约是几十个毫安。射频模块在苏醒后的工作时间大约是20毫秒。我们的模块的设计长睡眠周期超过20秒，这样节点的寿命就取决于睡眠功耗而达到近乎理想的寿命。移动节点在到达固定节点附近时进入一种预激活的状态。在预激活状态，节点的睡眠周期变得很短，比如1秒，从而确保在运动状态下仍然能和固定节点通信。移动节点的工作过程如图2所示，可以用下述的过程来说明。

步骤一：节点从睡眠中苏醒，开启射频接收器，等待预激活帧。

步骤二：如果收到预激活帧，节点按预定程序发送信息帧，试图完成通信。假设节点距离固定节点非常近，可以和固定节点通信，节点就保持原睡眠周期。如果节点发送的信息帧没有得到固定节点确认，节点就进入预激活状态，开始短睡眠周期。

步骤三：移动节点在短睡眠情况下苏醒，试图完成通信，通信完成就恢复长睡眠周期。通信失败就保持短睡眠周期。为了保护移动节点的电池储量，如果移动节点在短睡眠周期时间超过一定限度，节点将自动恢复到长睡眠周期。

移动节点中的设备由下边的两个模块构成。单片机微处理器和射频收发模块。单片机微处理器中存储节点的信息，比如，车辆信息，车主信息等，也存储包含有上述同步方法的固件。射频收发模块采用符合国际标准的收发器芯片。

本发明中的固定节点的预激活方法有两种，如图3和图4所示。图3中的方法是固定节点具有很大的射频发射功率，可以覆盖比较大的范围。比如说节点安装有功率放大器，因而射频的覆盖范围大。或者节点安装有定向天线。在高速公路汽车的来向上安装有定向天线可以保证汽车在到达管理站点前进入预激活状态。

图4中的方法是在固定节点附近安装分离的预激活器。比如在高速公路的来向上安装一个射频发送节点。它周期性的发送移动节点预激活帧到高速公路上。车辆上安装的移动节点在接收到预激活帧以后就处于预激活状态了。预激活器只发送信息而不接收移动节点发出的信息帧。

Claims (12)

1、一种无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于在该特定无线传感网络系统中，网络中的固定节点提供一种预激活机制，移动节点通过这种预激活机制调节自身的睡眠周期来获得最大的生命期同时确保正常的通信。

2、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于该网络中固定节点之间不需要通信，移动节点之间也不需要通信，当移动节点经过固定节点时必须和固定节点通信。

3、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于网络中的移动节点处于运动状态，由电池供电，能量有限，必须长时间处于睡眠状态来保持低能耗。

4、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于网络中的固定节点位置固定，电量充足，不需进入睡眠状态，可以一直处于工作状态。

5、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于网络中的移动节点内部保存有节点相关的信息，在监测到周围的固定节点时和固定节点通信，交换信息。

6、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于网络中的移动节点总是周期性的睡眠，节点睡眠时间相对于被唤醒后的工作时间非常长，超过二至三个数量级，移动节点总是在睡眠很长时间后快速苏醒并工作很短的时间就再次进入睡眠状态。

7、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于网络中的固定节点总是不间断的发送预激活帧到周围的空间。

8、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于网络中的移动节点通过检测固定节点发送的预激活帧来判断周围固定节点的存在，移动节点的工作流程包括下边的步骤：

步骤一：节点从睡眠中苏醒，开启射频接收器，等待预激活帧；

步骤二：如果收到预激活帧，节点按预定程序发送信息帧，试图完成通信；如果节点发送完自己的信息帧后收到固定节点的确认，节点就保持原睡眠周期；如果节点发送的信息帧没有得到固定节点确认，节点就进入预激活状态，开始短睡眠周期；

步骤三：移动节点在短睡眠情况下苏醒，试图完成通信，通信完成就恢复长睡眠周期；通信失败就保持短睡眠周期；移动节点处于短睡眠周期的时间超过预先设定的限度，节点将自动恢复到长睡眠周期。

9、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于固定节点的预激活机制的实质是拓展固定节点的预激活帧的覆盖范围，确保在移动节点距离固定节点还比较远的时候就接收到预激活帧。

10、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于固定节点的预激活帧的覆盖范围的大小由系统设定的移动节点运动的最高速度、移动节点的射频覆盖范围和短睡眠周期来确定；其计算方法是在移动节点以最大速度经过固定节点时能够苏醒并完成信息帧的通信。

11、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于固定节点的预激活机制的一种实现方法为在固定节点上安装一个大功率的射频发射器，在移动节点的来向上覆盖较长的距离，覆盖范围可以是全向的圆形区域或者是其他形状。

12、根据权利要求1所说的无线传感网络的节点能耗管理方法，其特征在于固定节点的预激活机制的另一种实现方法为在移动节点的来向上安装移动节点预激活器。

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