專利名稱：IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的組成部分，負(fù)責(zé)信息的采集、處理和傳輸，無線傳感器節(jié)點體積微小，通常使用的是能量有限的電池。由于傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力和通信能力非常有限，因此需要與距離較遠(yuǎn)的基站進(jìn)行頻繁通信。由時間衡量的網(wǎng)絡(luò)生存時間-網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的能量被耗盡或不再提供有效的事件檢測，直接影響網(wǎng)絡(luò)的有效性。由于傳感器節(jié)點個數(shù)多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達(dá)，所以無線傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。傳感器節(jié)點由有限容量的電池供電。電池能量的有效利用對傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間很關(guān)鍵，如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的嚴(yán)重挑 戰(zhàn)?，F(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由控制單元、傳感單元、電源單元、通信単元等部分組成。在網(wǎng)絡(luò)實際運行過程中，能耗主要來源于處理、傳感和無線傳輸三個操作。處理的能量消耗主要是由于微處理器執(zhí)行指令的能量消耗，處理器處于激活狀態(tài)與睡眠狀態(tài)時的能量消耗有很大差別。傳感器的能量消耗主要包括變換器(Transducer)、前端處理、A/D轉(zhuǎn)換等操作，其能量消耗根據(jù)傳感器的種類不同而有所不同，較低能耗傳感器包括溫度，光強，加速度傳感器等；較高能耗傳感器包括圖像，視頻傳感器等。隨著集成電路エ藝的進(jìn)歩，處理器和傳感器模塊的功耗越來越低，絕大部分能量消耗在無線通信模塊上。在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，無線模塊可能處于四種狀態(tài)發(fā)送、接收、空閑以及睡眠，這四種狀態(tài)下的能耗是不一祥的。無線通信能耗主要是無線模塊在收發(fā)數(shù)據(jù)及空閑偵聽時的能耗。為了有效節(jié)省能量，應(yīng)該盡可能使無線模塊睡眠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供ー種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般比較微小，大多采用電池供電，而且節(jié)點數(shù)量大，更換電池比較麻煩，所以節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中比較重要的部分。本發(fā)明分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的節(jié)能方法以及傳感器節(jié)點的各個模塊能耗，結(jié)合具體的節(jié)點進(jìn)行各個模塊的能耗測試，去除能耗大并且不重要的器件。在此基礎(chǔ)上，在分析了 MCU即ATmegal28與射頻芯片CC2420相關(guān)參數(shù)后，設(shè)計了節(jié)點休眠的機制和ー種整個網(wǎng)絡(luò)同步的休眠機制，提出了傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠的調(diào)度算法和命令幀格式，最后總結(jié)了建筑物內(nèi)節(jié)點的工作方式。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下為節(jié)點配置低功耗且支持休眠機制的處理器和無線收發(fā)模塊，將網(wǎng)絡(luò)生存時間劃分為若干等長時間段，每個時間段包括調(diào)度階段和穩(wěn)定階段，在調(diào)度階段，每個節(jié)點向周圍發(fā)送廣播包，告訴鄰居節(jié)點自己的信息，該信息包括自己的ID號、剰余能量、位置，節(jié)點了解到所有鄰居節(jié)點的位置后就能判別能否覆蓋監(jiān)控區(qū)域，然后節(jié)點依據(jù)各自的剩余電量來決定休眠優(yōu)先權(quán)，剰余電量高的節(jié)點優(yōu)先權(quán)低，剩余電量低的節(jié)點優(yōu)先權(quán)高，如果多個節(jié)點的剩余電量一祥，則以節(jié)點ID號作參考，ID號小的優(yōu)先級高，在一個節(jié)點判決之后，該節(jié)點要向周圍節(jié)點發(fā)送狀態(tài)信息包，告訴鄰居節(jié)點自己的狀態(tài)是否休眠，休眠多長時間，鄰居節(jié)點在收到狀態(tài)包后，就知道發(fā)包節(jié)點的狀態(tài)，如果對方確定休眠，就要把該節(jié)點從自己的鄰居表中刪除，以免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通問題。節(jié)點如果不滿足睡眠條件，則在當(dāng)前時間段的穩(wěn)定階段內(nèi)保持活躍狀態(tài)，負(fù)責(zé)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行感知、監(jiān)測以及數(shù)據(jù)傳輸；如果滿足睡眠條件，則將處理器設(shè)置成休眠模式，將無線收發(fā)模塊設(shè)置成掉電模式，進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)，直到進(jìn)入下ー個調(diào)度階段。同時，為了保證上述過程的實現(xiàn)，在鄰居發(fā)現(xiàn)過程中，為了防止多節(jié)點同時廣播信息包，節(jié)點采用隨機等待方式來發(fā)送，或者由協(xié)調(diào)者為每個節(jié)點分配ー個發(fā)送時隙，節(jié)點在規(guī)定的時隙發(fā)送信息包，以避免沖突。當(dāng)節(jié)點的計算和通信模塊處于空閑狀態(tài)時，將這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)； 另外，本發(fā)明還通過采用以下方法中的一部分或全部來減少節(jié)點的能量消耗對傳感器節(jié)點采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，去除冗余，僅發(fā)送有用信息；鏈路層采用優(yōu)化措施，包括沖突避免與糾錯；設(shè)計路由協(xié)議時，均勻使用節(jié)點能量和數(shù)據(jù)融合；保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有“合適的”節(jié)點處于激活狀態(tài)以保證網(wǎng)絡(luò)連通性，使暫時不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點處于休眠狀態(tài)，將數(shù)據(jù)中繼任務(wù)均衡地分布在所有節(jié)點上，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)整體節(jié)能的目的；在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計時，減少控制報文的數(shù)量，同時通過報頭壓縮策略減少報頭長度，從而減少通信流量，達(dá)到降低能耗的目的。本發(fā)明具有以下優(yōu)點I.節(jié)能。節(jié)能是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計最主要的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要部署在人們無法接近的場所，而且不常更換供電設(shè)備，對節(jié)點功耗要求就非常嚴(yán)格。本發(fā)明在設(shè)計過程中，采用合理的能量監(jiān)測與控制機制，將功耗要限制在幾十毫瓦甚至更低數(shù)量級。2.低成本。成本的高低是衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計好壞的重要指標(biāo)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常大量散布，只有低成本才能保證節(jié)點廣泛使用。本發(fā)明在設(shè)計中去除能耗大并且不重要的器件，力求做到無線傳感器節(jié)點的簡單化，有效地降低了成本。3.微型化。微型化是傳感器網(wǎng)絡(luò)追求的終極目標(biāo)。只有節(jié)點本身足夠小，才能保證不影響目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境；另外在戰(zhàn)爭偵查等特定用途的環(huán)境下，微型化更是首先考慮的問題之一。4.可擴展?？蓴U展性也是傳感器節(jié)點設(shè)計中必須考慮的問題。本發(fā)明設(shè)計的傳感器節(jié)點在具備通用處理器和通信模塊的基礎(chǔ)上擁有完整、規(guī)范的外部接ロ，可適應(yīng)各種不同的組件。


圖I是MCU控制寄存器MCUCR示意圖；圖2是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠機制流程圖；圖3是休眠調(diào)度算法不意圖。
具體實施例方式ー個微型傳感器節(jié)點主要由四部分組成電源，感應(yīng)單元、處理單元和收發(fā)單元。除了產(chǎn)生能量的電源單元以外，感應(yīng)單元、處理單元和收發(fā)單元都是傳感器節(jié)點的耗能源，其中數(shù)據(jù)收發(fā)單元是能量消耗的主要部分。能量控制的方法主要集中在休眠機制、數(shù)據(jù)融合、沖突避免與糾錯等方面，它們應(yīng)用于計算模塊和通信模塊的各個環(huán)節(jié)，具體分析如下I)硬件節(jié)能硬件選擇中，應(yīng)采用低功耗組件，在性能與耗電量之間進(jìn)行折中，減小系統(tǒng)整體功耗。處理器應(yīng)支持對工作電壓和工作頻率的調(diào)節(jié)，從而對處理模塊的休眠提供必要條件。同時，無線收發(fā)器的能耗與其工作狀態(tài)相關(guān)，必須考慮其啟動能耗與持續(xù)工作能耗間的關(guān)系。
2)休眠機制當(dāng)節(jié)點的計算和通信模塊處于空閑狀態(tài)時，應(yīng)將這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)，從而延長傳感器節(jié)點的生存周期。但休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量，并且產(chǎn)生時延，所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略對于休眠機制非常重要。3)數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)處理的功耗小于通信功耗。例如，傳感器節(jié)點使用無線方式傳輸I比特到100米遠(yuǎn)所消耗的能量可供處理器處理3000條指令。所以，在采用無線個域網(wǎng)WPAN為支撐技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對傳感器節(jié)點采集的大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，去除冗余，僅發(fā)送有用信息，就可以有效的減少通信量，達(dá)到節(jié)能的目的。4)鏈路層優(yōu)化鏈路層優(yōu)化包括沖突避免與糾錯。沖突引起的重傳造成很大的能量浪費，減少沖突可以有效的節(jié)約能量。錯誤檢測和校正機制也可以在給定比特錯誤率的條件下有效減少數(shù)據(jù)包的重傳，從而降低能耗。5)節(jié)能路由節(jié)能路由是在普通的路由協(xié)議基礎(chǔ)上，考慮相關(guān)的能耗因素，引入新的與電源消耗有關(guān)的衡量指標(biāo)，實現(xiàn)能耗的節(jié)約。在設(shè)計路由協(xié)議時，應(yīng)考慮兩個問題均勻使用節(jié)點能量和數(shù)據(jù)融合。6)拓?fù)涔芾鞼PAN拓?fù)涔芾淼哪康氖潜ＷC網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有“合適的”節(jié)點處于激活狀態(tài)以保證網(wǎng)絡(luò)連通性，使暫時不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點處于休眠狀態(tài)。拓?fù)涔芾響?yīng)盡可能地將數(shù)據(jù)中繼任務(wù)均衡地分布在所有節(jié)點上，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)整體節(jié)能的目的。7)報文控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要控制報文和報頭來維護(hù)其正常運行，但控制報文和報頭并不是用戶所需的數(shù)據(jù)，因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計時，應(yīng)盡量減少控制報文的數(shù)量，同時，通過報頭壓縮等策略，減少報頭長度，從而減少通信流量，達(dá)到降低能耗的目的。其中硬件部分的選擇關(guān)系到整個節(jié)點的整體能耗，必須要選擇能耗低的組件，并且在節(jié)點上有耗能多且基本沒用的組件，所以還要去除冗余組件來節(jié)省能量；休眠機制是節(jié)能的另一重要部分，因為傳感器節(jié)點不是每刻都要傳遞信息，且無線發(fā)送接收模塊是耗能最多的模塊，所以適時讓節(jié)點休眠可大幅度減少能耗。鑒于硬件節(jié)能和休眠機制切換是耗能的兩個重要部分，下面主要介紹硬件節(jié)能及軟件部分的休眠機制節(jié)能，其中硬件部分主要介紹ATmegal28單片機和CC2420無線收發(fā)芯片，以及分析如何去除冗余組件等問題；休眠機制部分主要研究單個節(jié)點休眠機制切換的方法，以及從網(wǎng)絡(luò)整體上如何傳遞休眠指令和發(fā)送數(shù)據(jù)包的方法。I、硬件節(jié)能本發(fā)明選用低功耗且支持休眠機制的硬件來組成處理器和無線收發(fā)模塊，硬件節(jié)能即選用低功耗組件并去除冗余組件來節(jié)省能量。由于處理器和無線模塊是傳感器節(jié)點最耗能的組件，所以選用能耗低、性能好的處理器和無線收發(fā)模塊至關(guān)重要。至于節(jié)點上的其它組件，應(yīng)對它們進(jìn)行能耗分析，將能耗大且無關(guān)緊要的組件去掉，即去除冗余組件，簡化節(jié)點，減少能耗。
I)低功耗微處理器硬件構(gòu)架選用ATmega公司的處理器ATmegel28，ATmegal28是ATMEL公司發(fā)布的AVR8位RISC系列微控制器的最高檔品種，是ー款基于AVR內(nèi)核，采用RISC結(jié)構(gòu)，低功耗CMOS的8位單片機。由于在ー個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，ATmegal28可以達(dá)到接近lMIPS/MHz的性能。2)無線模塊構(gòu)架及與處理器和其它外設(shè)連接實例無線模塊選用Chipcon公司的芯片CC2420，CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2. 4GHzIEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，使用O. 18 μ mCMOSエ藝生產(chǎn)，具有很高的集成度。該芯片含有控制邏輯、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字解調(diào)、濾波器、相位調(diào)制、電壓校準(zhǔn)、數(shù)字/摸擬測試接ロ等部分，所有數(shù)據(jù)通過芯片自身的加密解密可以與外接串ロ相互通信，具有體積小、功耗低等優(yōu)點，非常適合于家庭及樓宇自動化、エ業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠機制的實現(xiàn)休眠模式意味著關(guān)閉微控制器MCU中未使用的模塊，以此來達(dá)到省電的目的。ATmegal28提供了不同的休眠模式，允許用戶根據(jù)實際應(yīng)用的需求選定合適的省電模式。MCU控制寄存器MCUCR，如圖I所示，它包含了電源管理的控制位。當(dāng)MCUCR寄存器中的休眠允許位SE位為邏輯I時，執(zhí)行SLEEP指令后，MCU便進(jìn)入6種休眠模式的ー種。MCUCR中的SM2，SMl，SMO的設(shè)置決定了執(zhí)行SLEEP指令后將進(jìn)入如下幾種休眠模式空閑模式、ADC降噪模式、掉電模式、省電模式、待機模式、擴展待機模式。CC2420可以工作在發(fā)射、接收、空閑和休眠狀態(tài)下，其中只有發(fā)射功率是可調(diào)的。CC2420接收、空閑和休眠狀態(tài)下的電流消耗參數(shù)如表I所示。
權(quán)利要求
1.ー種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法,其特征在于 為節(jié)點配置低功耗且支持休眠機制的處理器和無線收發(fā)模塊； 將網(wǎng)絡(luò)生存時間劃分為若干等長時間段，每個時間段包括調(diào)度階段和穩(wěn)定階段； 在調(diào)度階段，節(jié)點首先通過與通信鄰居節(jié)點間的消息交互獲取鄰居的有用信息，然后節(jié)點判斷是否滿足休眠條件，如果不滿足睡眠條件，則節(jié)點在當(dāng)前時間段的穩(wěn)定階段內(nèi)保持活躍狀態(tài)，負(fù)責(zé)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行感知、監(jiān)測以及數(shù)據(jù)傳輸；如果節(jié)點滿足睡眠條件，則將處理器設(shè)置成休眠模式，將無線收發(fā)模塊設(shè)置成掉電模式，進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)，直到進(jìn)入下ー個調(diào)度階段。
2.如權(quán)利要求I所述的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于 為了減少調(diào)度階段的能量開銷，穩(wěn)定階段時間遠(yuǎn)大于調(diào)度階段時間。
3.如權(quán)利要求2所述的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于調(diào)度階段進(jìn)行以下調(diào)度過程 鄰居發(fā)現(xiàn)過程每個節(jié)點向周圍發(fā)送廣播包，告訴鄰居節(jié)點自己的信息，該信息包括自己的ID號、剰余能量、位置，節(jié)點了解到所有鄰居節(jié)點的位置后就能判別能否覆蓋監(jiān)控區(qū)域； 節(jié)點調(diào)度過程節(jié)點在收到廣播包后，依據(jù)各自的剩余電量來決定休眠優(yōu)先權(quán)，剩余電量高的節(jié)點優(yōu)先權(quán)低，剩余電量低的節(jié)點優(yōu)先權(quán)高，如果多個節(jié)點的剩余電量一祥，則以節(jié)點ID號作參考，ID號小的優(yōu)先級高，在一個節(jié)點判決之后，該節(jié)點要向周圍節(jié)點發(fā)送狀態(tài)信息包，告訴鄰居節(jié)點自己的狀態(tài)是否休眠，休眠多長時間，鄰居節(jié)點在收到狀態(tài)包后，就知道發(fā)包節(jié)點的狀態(tài)，如果對方確定休眠，就要把該節(jié)點從自己的鄰居表中刪除，以免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通問題。
4.如權(quán)利要求3所述的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于 在鄰居發(fā)現(xiàn)過程中，為了防止多節(jié)點同時廣播信息包，節(jié)點采用隨機等待方式來發(fā)送，或者由協(xié)調(diào)者為每個節(jié)點分配ー個發(fā)送時隙，節(jié)點在規(guī)定的時隙發(fā)送信息包，以避免沖突。
5.如權(quán)利要求I所述的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于 所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的工作方式為 對于需要實時監(jiān)控的對象，節(jié)點采用連續(xù)發(fā)送型傳遞方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞； 在不需要獲得節(jié)點所在位置的信息的時間段內(nèi)，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，此時若發(fā)生突發(fā)事件，則向服務(wù)器發(fā)送信息，服務(wù)器讓處于敏感區(qū)域的節(jié)點處于工作狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求I所述的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于 按以下方法控制整個IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點休眠 保證對監(jiān)控區(qū)域的有效覆蓋； 保證活躍節(jié)點的連通性； 保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量的平衡分布； 服務(wù)器要了解任何時刻整個網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的狀態(tài)，以便進(jìn)行控制； 節(jié)點可以通過突發(fā)事件引發(fā)中斷自動喚醒。
7.如權(quán)利要求I所述的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于 通過采用以下方法中的一部分或全部來減少節(jié)點的能量消耗 當(dāng)節(jié)點的計算和通信模塊處于空閑狀態(tài)時，將這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)； 對傳感器節(jié)點采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，去除冗余，僅發(fā)送有用信息； 鏈路層采用優(yōu)化措施，包括沖突避免與糾錯； 設(shè)計路由協(xié)議時，均勻使用節(jié)點能量和數(shù)據(jù)融合； 保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有“合適的”節(jié)點處于激活狀態(tài)以保證網(wǎng)絡(luò)連通性，使暫時不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點處于休眠狀態(tài)，將數(shù)據(jù)中繼任務(wù)均衡地分布在所有節(jié)點上，以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)整體節(jié)能的目的； 在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計時，減少控制報文的數(shù)量，同時通過報頭壓縮 策略減少報頭長度，從而減少通信流量，達(dá)到降低能耗的目的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般比較微小，大多采用電池供電，而且節(jié)點數(shù)量大，更換電池比較麻煩，所以節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中比較重要的部分。本發(fā)明在分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的節(jié)能方法以及傳感器節(jié)點的各個模塊能耗后，結(jié)合具體的節(jié)點進(jìn)行各個模塊的能耗測試，去除能耗大并且不重要的器件，設(shè)計出節(jié)點休眠的機制和一種整個網(wǎng)絡(luò)同步的休眠機制，并提出了傳感器網(wǎng)絡(luò)休眠的調(diào)度算法和命令幀格式。本發(fā)明有效解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能問題。
文檔編號H04W84/18GK102695249SQ20111007032
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者劉 東, 劉銘, 步日欣, 程遠(yuǎn), 董偉, 谷晨 申請人:北京天地互連信息技術(shù)有限公司