專利名稱：一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法。該方法通過對節(jié)點的能量消耗進(jìn)行實時精確地監(jiān)測，從而實現(xiàn)對節(jié)點所運行的協(xié)議的能量效率進(jìn)行分析，和預(yù)測節(jié)點的使用壽命。本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)由空間分布在不同位置的自治且可以互相通信的傳感器節(jié)點構(gòu)成。這些節(jié)點可以監(jiān)控溫度、聲音、震動、壓力、移動和污染情況等物理和環(huán)境信息，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)將這些信息傳送到監(jiān)控終端。由于經(jīng)常部署在野外環(huán)境中，缺乏持續(xù)穩(wěn)定的電源供電，節(jié)點的能耗問題始終是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署和研究中的核心議題。為了提高節(jié)點的能量效率，需要通過預(yù)測節(jié)點使用壽命，進(jìn)一步優(yōu)化協(xié)議算法，延長節(jié)點的使用壽命。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署和研究中需要實現(xiàn)對節(jié)點的能量 消耗的實時精確監(jiān)測。能量消耗是功率在時間上的積分，而功率則是節(jié)點電壓和電流的乘積。傳統(tǒng)節(jié)點能耗監(jiān)測方法認(rèn)為節(jié)點電壓會按照設(shè)計所預(yù)想那樣保持恒定，因而往往只對節(jié)點電流進(jìn)行測量，但是在實際中，節(jié)點電壓并非處于理想狀態(tài)，尤其是當(dāng)節(jié)點采用USB供電時，節(jié)點電壓會存在較大的波動。為了精確監(jiān)測節(jié)點的能量消耗狀態(tài)，需要對節(jié)點的電壓和電流都進(jìn)行監(jiān)測，而且需要實現(xiàn)對電壓和電流同時進(jìn)行采樣才能達(dá)到實時精確的監(jiān)測目的。當(dāng)傳感器節(jié)點處于不同工作狀態(tài)時，其能量消耗差別巨大當(dāng)節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，其工作電流處于微安級別；當(dāng)節(jié)點進(jìn)行無線收發(fā)時，節(jié)點電流可以達(dá)到近百毫安。傳統(tǒng)的能量測量方法因為模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)分辨率較低的原因，往往不能同時精確測量這兩種情況下的節(jié)點電流。通常的做法是選擇放棄對節(jié)點休眠狀態(tài)能量消耗的監(jiān)測，因為其電流較小。但實際上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際部署時都會執(zhí)行低功耗監(jiān)聽(Low PowerListening)，且絕大部分時間處于休眠狀態(tài)。因此，這部分的能量消耗是不應(yīng)被忽視的，也應(yīng)該被納入監(jiān)測范圍之內(nèi)。同時，傳感器節(jié)點的活動是以毫秒，甚至更小的時間間隔為單位的，因而節(jié)點內(nèi)的電流變化極為迅速。加州伯克利大學(xué)的研究表明需要至少40kHz的采樣率，才能精確地監(jiān)測節(jié)點活動時的能量消耗變化。傳統(tǒng)的測量方法的采樣頻率只有數(shù)百赫茲，因而不具備精確監(jiān)測節(jié)點活動所帶來的能量消耗的能力。另外，高采樣率所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)要求測量方法中的微處理器具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時數(shù)據(jù)傳輸通道也應(yīng)具備較高的數(shù)據(jù)傳輸速度。加州伯克利學(xué)者在他們的論文中選用I2C總線作為傳輸途徑，由于I2C線路能夠支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率僅為400Kb/s，遠(yuǎn)小于他們的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度，因而該機(jī)制并不支持實時能耗監(jiān)測，而只能監(jiān)測節(jié)點一段時間內(nèi)的總能量消耗。以往的傳感器節(jié)點能耗監(jiān)測方法都不能達(dá)到這些要求，更不能以較低的成本實現(xiàn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署中，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試平臺尤其是室內(nèi)測試平臺的搭建中，傳感器節(jié)點往往采用USB供電的方式。但是在野外大量部署的時候，又大多采用電池供電的方式。因此，為了提高節(jié)點能耗監(jiān)測方法的通用性，能耗監(jiān)測方法應(yīng)具備同時適用于這兩種供電模式的能力。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?01010200972. 7，申請日期為2010年6月8日的國內(nèi)發(fā)明專利申請公開了一種“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點在環(huán)境中實時能量消耗監(jiān)測系統(tǒng)”，該系統(tǒng)側(cè)重于對能耗監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，并未有針對節(jié)點能量消耗監(jiān)測方法創(chuàng)新。除此之夕卜，經(jīng)檢索并未發(fā)現(xiàn)國內(nèi)發(fā)明專利涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能耗監(jiān)測。本發(fā)明提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，該方法通過對節(jié)點的能量消耗的，尤其是節(jié)點休眠狀態(tài)能量消耗的實時精確監(jiān)測，進(jìn)一步協(xié)助開發(fā)者評估節(jié)點的能量效率，優(yōu)化協(xié)議算法，從而延長節(jié)點壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何克服傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗監(jiān)測方法不能同時精確測量傳感器節(jié)點處于不同工作狀態(tài)時、不同供電模式下的能耗，而且 不支持實時測量的問題。本發(fā)明可實現(xiàn)一種能對電壓電流同時采樣、具有高頻率采樣、高速處理和高傳輸數(shù)據(jù)，且能夠在節(jié)點電流分布的整個范圍內(nèi)實現(xiàn)精確測量并且同時適用于USB供電和電池供電兩種情形的傳感器節(jié)點能量消耗監(jiān)測方法。該方法可以實時地監(jiān)測節(jié)點能量的消耗情況，并且支持把數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上，結(jié)合常見的無線傳感器測試平臺，可以實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能耗效率的精確分析。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
本發(fā)明的監(jiān)測方法基本框架如下測量裝置由接口、感應(yīng)、信號調(diào)整、數(shù)字化及控制傳輸四個單元組成。所有的測量裝置單元都被集成到一塊測量電路板上。測量電路板上同時提供USB和電池能量輸入接口，可根據(jù)具體能量供應(yīng)方式，而選擇相應(yīng)的接口。兩個電流感應(yīng)電阻被用來將流經(jīng)被測節(jié)點的電流轉(zhuǎn)化為電壓降。經(jīng)過信號調(diào)整之后，感應(yīng)電阻和被測節(jié)點兩端的電壓都會被數(shù)字化，最后輸入控制單元。 本發(fā)明采用的接口設(shè)計可適用于傳感器節(jié)點采用電池供電或由USB供電兩種方式。分別對應(yīng)這兩種供電情形，本發(fā)明在測量電路板內(nèi)部采用兩條對立且互不干擾的通路。通過提供的接口切換開關(guān)，用戶可以自主選擇相應(yīng)的連接被測傳感器的接口。同時測量裝置本身由USB供電，并且通過USB通道向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，因而具有一個USB輸出接口。電流感應(yīng)單元使用感應(yīng)電阻將傳感器的工作電流轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電阻兩端的電壓降。而電壓降將會在信號處理單元被放大一個合適的倍數(shù)，以便最終的模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取。本發(fā)明的一個突出特點在于，在供電電路的正極和傳感器正極之間使用多于一個感應(yīng)電阻，采用動態(tài)開關(guān)的設(shè)計，實現(xiàn)動態(tài)量程功能。而動態(tài)量程的使用，則是為了能精確測量傳感器節(jié)點工作時所對應(yīng)的最小和最大電流及其之間所有大小的電流。本發(fā)明所提出的能量監(jiān)測方法為了精確測量傳感器節(jié)點的能量消耗情況，需要在節(jié)點處于休眠狀態(tài)時也能正常工作，即監(jiān)測方法的精度不應(yīng)低于I微安。對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說，微安級的電流過小，無法精確測度，因而信號調(diào)整單元需要采用電壓放大器對在電流感應(yīng)單元獲得的電壓降進(jìn)行放大。除了調(diào)整信號大小之外，為了能夠同時監(jiān)測節(jié)點在充電和消耗能量時的電流大小，信號調(diào)整單元將采用合適的基準(zhǔn)電壓。為了精確地監(jiān)測節(jié)點活動時的能量消耗變化，至少需要提供40kHz的采樣頻率。而且，由于采用了動態(tài)量程的設(shè)計，模數(shù)轉(zhuǎn)換器量程至少需要達(dá)到12位分辨率。因此，本發(fā)明的數(shù)字化及控制及傳輸單元需要選用滿足以上功能的微處理器芯片作為控制單元，t匕如STM32微處理器。該系列微處理器可負(fù)責(zé)控制采樣頻率，測度和數(shù)字化輸入的模擬信號。STM32微處理器可選的幾個抽樣頻率等級都遠(yuǎn)大于40kHz，因而可以自由選擇一個適中的抽樣頻率。另外，本發(fā)明可通過STM32內(nèi)的兩個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計時器，同時觸發(fā)對節(jié)點電壓和電流的采樣，保障精準(zhǔn)測量節(jié)點某一時刻的功率大小。高采樣率所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)要求測量方法中的微處理器具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，當(dāng)抽樣頻率為IOOkHz時，每秒鐘產(chǎn)生的采樣數(shù)據(jù)大小為16 X 2 X 100kHz=3. 2Mbit/s,即選用的數(shù)據(jù)傳輸通道需至少提供
3.2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度才能保證能量的實時監(jiān)測，比如采用支持12Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速度的USB可滿足需要。本發(fā)明是一種新型的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，能達(dá)到的有益效果如下 (I)實現(xiàn)了極高頻率的采樣和數(shù)據(jù)傳輸，選用的采樣率遠(yuǎn)高于業(yè)內(nèi)之前的500HZ水準(zhǔn)。并且采用USB作為傳輸通道，在保障了極高采樣頻率下，仍能夠?qū)崿F(xiàn)對節(jié)點能量消耗的實時監(jiān)測，無需緩存。(2)實現(xiàn)了對傳感器節(jié)點整個工作電流范圍的精確監(jiān)測，即可在節(jié)點休眠狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測。動態(tài)量程的設(shè)計既能保障對大電流和小電流都能精確測量，同時也降低了對模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率的要求，從而降低了成本。(3)實現(xiàn)了對節(jié)點電流和電壓的同時采樣，因而可以精確計算節(jié)點在某一時刻的功率。進(jìn)而通過計算功率在時間上的積分，得到節(jié)點在一段時間內(nèi)的能量消耗值。(4)具有很好的通用性，并且可大規(guī)模應(yīng)用。可適用于采用USB供電或電池供電兩種模式的節(jié)點。低成本，對節(jié)點本身活動無干擾。


圖I為本發(fā)明在能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用方式和作用的示意 圖2為能耗監(jiān)測方法的邏輯電路圖。其中1和2均為感應(yīng)電阻；3為節(jié)點使用電池供電時所應(yīng)選擇的接口 ；4為節(jié)點使用USB供電時所應(yīng)選擇的接口 ；5為電池輸入接口 ；6和22均為USB接口 ；7為USB傳輸通道；8為節(jié)點供電接口選擇開關(guān)；9為代量程選擇開關(guān)；10和11均為電壓放大器；12為基準(zhǔn)電壓；13和14均為被用來測量節(jié)點電壓的電阻；15為STM32芯片即監(jiān)測方法的控制單元；16和17分別為STM32內(nèi)兩個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器；18、19、20均為USB端口 ；21為USB集線器；23為STM32內(nèi)的計時器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。參見圖1，本發(fā)明所涉及的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法由USB供電，無需消耗節(jié)點本身的能量，對節(jié)點活動無干擾。監(jiān)測方法采集節(jié)點的電壓和電流情況，然后通過USB通道上傳給USB集線器，集線器通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器。節(jié)點如果采用USB供電方式，監(jiān)測方法需通過USB與節(jié)點相連接。如果節(jié)點由電池供電，只需要在節(jié)點供電接口選擇開關(guān)8中設(shè)置即可。圖2為本發(fā)明所涉及的監(jiān)測方法的邏輯電路圖，其中電池輸入接口 5與3構(gòu)成對使用電池供電的節(jié)點的接口，而與之對應(yīng)的兩個USB接口 6與4構(gòu)成使用USB供電的節(jié)點的接口。在實際使用中，電流從電池輸入接口 5或者對應(yīng)的USB接口 6流經(jīng)I和2組成的感應(yīng)電阻，進(jìn)而通過3或者對應(yīng)的5流經(jīng)被測節(jié)點。I和2之間采用串聯(lián)連接方式，同時，一個基于MOSFET材料的動態(tài)開關(guān)與I串聯(lián)。當(dāng)流經(jīng)感應(yīng)電阻的電流大于O. 3毫安時，I將被短路，2成為唯一的感應(yīng)電阻。當(dāng)流經(jīng)感應(yīng)電阻的電流小于O. 3毫安時，動態(tài)開關(guān)將形成開路，此時實際的感應(yīng)電阻值為兩個電阻之和。感應(yīng)電阻兩端的電壓降被輸入電壓放大器10進(jìn)行放大，10的輸出作為電壓放大器11的輸入。11的另一輸入端是基準(zhǔn)電壓12即節(jié)點充電電壓的二分之一。根據(jù)兩個輸入之間差分結(jié)果的正負(fù)可以判斷電流的實際方向如果是正值，則節(jié)點處于能量消耗狀態(tài)，如果是負(fù)值則節(jié)點處于充電狀態(tài)。STM32中的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器16以11的輸出作為輸入。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器17的輸入為13和14之間的電壓。因為13和14之間是串聯(lián)關(guān)系，且兩者阻值已知，所以可以由17的測量結(jié)果，獲得節(jié)點電壓大小。STM32中的計時器23負(fù)責(zé)同時觸發(fā)兩者的采樣。節(jié)點電流的計算公式為
權(quán)利要求
1.一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于測量裝置通過接口切換開關(guān)選擇相應(yīng)的連接被測傳感器的接口，其自身由USB供電，并且通過USB通道向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)；使用感應(yīng)電阻將傳感器的工作電流轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電阻兩端的電壓降，采用動態(tài)量程；使用電壓放大器，并結(jié)合基準(zhǔn)電壓對獲得的電壓降進(jìn)行放大；通過微處理器控制采樣頻率、測度和數(shù)字化輸入的模擬信號，并利用微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和計時器同時觸發(fā)對節(jié)點電壓和電流的采樣，采用USB傳輸方式保證對節(jié)點能量消耗的實時監(jiān)測，支持在節(jié)點電流分布的整個范圍內(nèi)對處于不同工作狀態(tài)、不同供電方式的傳感器節(jié)點能耗進(jìn)行實時監(jiān)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于支持對電壓電流的同時米樣。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于同時提供USB和電池能量輸入接口，分別對應(yīng)USB或電池供電情形下，在測量電路板內(nèi)部采用兩條對立且互不干擾的通路，通過提供的接口切換開關(guān)，可自主選擇相應(yīng)的連接被測傳感器的接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于監(jiān)測裝置自身由USB供電，并且通過USB通道向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，因而具有一個USB輸出接口，將高頻率采樣所獲得的節(jié)點電壓和電流數(shù)據(jù)實時上傳到服務(wù)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于在供電電路的正極和傳感器正極之間使用多于一個感應(yīng)電阻，采用動態(tài)開關(guān)的設(shè)計，實現(xiàn)動態(tài)量程功能，即根據(jù)流經(jīng)節(jié)點的電流大小，動態(tài)開關(guān)的閉合和斷開改變實際接入電路的感應(yīng)電阻的大小，從而改變測量量程。
6.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于，信號調(diào)整單元采用電壓放大器對在電流感應(yīng)單元獲得的電壓降進(jìn)行調(diào)整，并采用合適的基準(zhǔn)電壓，對流經(jīng)節(jié)點的正反兩個方向的電流都能精確測量，從而同時監(jiān)測節(jié)點在充電和消耗能量時的電流大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于采用位于同一微處理器中的計時器和兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時觸發(fā)對節(jié)點電壓和電流的采樣，保障精準(zhǔn)測量節(jié)點某一時刻的功率大小。
8.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于控制單元的微處理器芯片須采用量程達(dá)到12位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以保障動態(tài)量程的實現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測方法，其特征在于數(shù)據(jù)傳輸通道需至少提供3. 2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速度才能保證能量的實時監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗實時監(jiān)測裝置，可實時精確測量傳感器節(jié)點處于不同工作狀態(tài)時、不同供電模式下的能耗。本發(fā)明可對電壓電流同時采樣、具有高頻率采樣、高速處理和高傳輸數(shù)據(jù)，且能夠在節(jié)點電流分布的整個范圍內(nèi)實現(xiàn)精確測量并且同時適用于USB供電和電池供電兩種情形的傳感器節(jié)點能量消耗監(jiān)測方法。該方法可以實時地監(jiān)測節(jié)點能量的消耗情況，并且支持把數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上，結(jié)合常見的無線傳感器測試平臺，可以實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能耗效率的精確分析。
文檔編號G01R22/10GK102707140SQ20121018121
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者倪明選, 張滇, 潘曉瑞, 高民, 黃才炎 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院