具有fram的無線傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有FRAM的無線傳感器。本申請公開一種在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的無線傳感器模塊。該傳感器模塊以具有第一時間周期的周期性方式收集傳感器數(shù)據(jù)。該傳感器數(shù)據(jù)被記錄到傳感器模塊內(nèi)的非易失性鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)中。該傳感器模塊在傳感器數(shù)據(jù)收集周期之間被置于降低功率空閑模式，其中在該空閑模式期間，所記錄的數(shù)據(jù)由FRAM保存。所記錄的傳感器數(shù)據(jù)的表象經(jīng)由無線電信道被以具有第二時間周期的周期性方式發(fā)送到遠(yuǎn)程接收器，其中第二時間周期比第一時間周期長。
【專利說明】具有FRAM的無線傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及在無線傳感器模塊中使用鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)，且更具體地涉及使用該FRAM來記錄由傳感器模塊收集的數(shù)據(jù)。
【背景技術(shù)】
[0002]遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以包括散布在家庭、辦公室建筑或工廠中用以幫助能量管理、提高舒適度、安全、診斷和其他應(yīng)用的傳感器節(jié)點。
[0003]在實施無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，電池壽命是關(guān)鍵的考慮因素，因為很多電池運行的傳感器可能位于不可到達(dá)的位置。此外，更換大量傳感器節(jié)點中的電池將帶來巨大的操作成本和環(huán)境成本。這些無線節(jié)點的無線電功率是電池消耗的主要原因。在低數(shù)據(jù)速率低功率應(yīng)用中，例如ZigBee這樣的RF標(biāo)準(zhǔn)是流行的。ZigBee和其他低功率RF標(biāo)準(zhǔn)使用由IEEE802.15.4定義的MAC層和PHY層。對802.15.4的修改(其被稱為802.15.4e)使用具有占空比(duty-cycled)的MAC(媒體接入控制)來降低無線電功耗。即使無線電是具有占空比的，在該應(yīng)用中其仍然消耗大部分的電流。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，決定電池壽命的決定參數(shù)之一是在RF傳輸期間的總體能耗。發(fā)送大量的傳感器收集數(shù)據(jù)決定了更高的RF占空比，增加了系統(tǒng)的能耗，且降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體電池壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]下面將僅通過示例并參考附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的特定實施例:
[0005]圖1是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的圖示；
[0006]圖2是用在圖1的網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器的框圖；
[0007]圖3是描述電池壽命對比RF占空比的曲線圖；
[0008]圖4是描述針對不同MCU功耗的電池壽命對比RF占空比的比較的曲線圖；
[0009]圖5是描述針對聚合數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的FRAM對比閃存系統(tǒng)電池壽命的曲線圖；
[0010]圖6是描述圖1的WSN中的數(shù)據(jù)記錄的流程圖；
[0011]通過附圖和從后續(xù)的詳細(xì)說明，當(dāng)前實施例的其余特征將是顯而易見的。
【具體實施方式】
[0012]現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施例。為了保持一致，多個附圖中的相同的元素由相同的參考數(shù)字表示。在本發(fā)明的實施例的以下詳細(xì)說明中，很多具體細(xì)節(jié)被闡述以提供對本發(fā)明的更徹底的理解。然而，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以在不具有這些具體細(xì)節(jié)的情況下被實現(xiàn)。在其他實例中，未詳細(xì)描述公知的特征，以避免不必要地復(fù)雜化本說明。
[0013]遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以包括散布在家庭、辦公室建筑或工廠中用以幫助能量管理、提高舒適度、安全、診斷和其他應(yīng)用的傳感器節(jié)點。
[0014]鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)是一種具有和DRAM(動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)類似的行為的非易失性存儲器技術(shù)。每個獨立位/比特可以被存取，但不同于EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)或閃存，F(xiàn)RAM不需要特殊序列來寫入數(shù)據(jù)，其也不需要電荷泵來達(dá)到所要求的更高編程電壓。本發(fā)明的實施例可以使用FRAM技術(shù)來減小與無線網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄相關(guān)聯(lián)的能量成本。FRAM技術(shù)使得能夠在每個遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點中使用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)本地存儲，以減小總體通信需求。在這種情況下，和與RF (射頻)通信相關(guān)的能量需求相t匕，使用FRAM的端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)內(nèi)本地存儲的功耗明顯更低。要發(fā)送的數(shù)據(jù)量和RF占空比決定了系統(tǒng)的電池壽命。
[0015]通過使傳感器能夠基于隨時間收集的歷史數(shù)據(jù)對其數(shù)據(jù)收集執(zhí)行適應(yīng)性變化，可以實現(xiàn)通信能量成本的總體減小。如果傳感器基于在預(yù)定義采樣周期上觀察到的趨勢沒有檢測到任何明顯的改變，則傳感器可以選擇忽視數(shù)據(jù)。傳感器可以利用緣于FRAM的更低能量需求的與算法相關(guān)的低計算能量需求來建立預(yù)測時間序列模型。這些時間序列模型要求大量的歷史數(shù)據(jù)以建立所要求的準(zhǔn)確度，并且僅能夠通過例如FRAM這樣的低能耗存儲器技術(shù)來實現(xiàn)以利用本地存儲?？梢酝ㄟ^減小經(jīng)由RF傳遞的數(shù)據(jù)量來實現(xiàn)能量成本的明顯減小。
[0016]與FRAM相關(guān)的更低能量成本還可以允許依賴于Hash表聚合傳感器收集的數(shù)據(jù)以執(zhí)行重復(fù)分組抑制。這些Hash表通常太大而不能在具有類似能耗要求的RAM中執(zhí)行。基于FRAM的數(shù)據(jù)管理方案可以被用來以低能量成本存儲這些Hash表，從而改善傳感器節(jié)點的性能。
[0017]圖1是包括許多無線傳感器102的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)100的示圖。每個傳感器102可以被配置為監(jiān)視例如住宅或商業(yè)建筑中的或其周圍的一個或多個環(huán)境參數(shù)106。取決于傳感器的能力，各種類型的參數(shù)可以被監(jiān)視，例如:溫度、管道或?qū)Ч苤械膲毫Α⒐艿阑驅(qū)Ч苤械牧魉?、房間中的氣壓、振動或其他地震活動、房間或其他區(qū)域中的活動、亮度水平、濕度等。每個傳感器102裝備有無線發(fā)射器，以使其能夠經(jīng)由無線鏈路104發(fā)送所收集的環(huán)境數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)100的分層結(jié)構(gòu)中的更高層級控制器。通常，每個傳感器還可以經(jīng)由無線鏈路104接收來自更高層級控制器的命令或指令。
[0018]傳感器102可以被組織為多個組，例如圖示說明的組110-112。更多或更少的傳感器102可以被組織成比在此圖示的更多或更少的組。分組可以基于各種因素，例如:在建筑物中的物理位置、由傳感器收集的數(shù)據(jù)的類型等。一個組例如組110中的每個傳感器可以使用如在104處指示的無線信號無線地發(fā)送所收集的環(huán)境數(shù)據(jù)到分配給該組的更高層級控制器例如控制器120。在該示例中，控制器120作為從動控制器，其每一個被配置為使用如在122處指示的無線或有線通信信道中繼全部收集的環(huán)境數(shù)據(jù)到主動控制器130。主動控制器130可以耦合到用戶接口 132。例如，用戶接口 132可以是耦合到計算機(jī)系統(tǒng)的顯示屏或其他顯示設(shè)備。例如，由主動控制器132從傳感器102收集的數(shù)據(jù)接著可以被以人可讀形式顯示在用戶接口 132上。主動控制器130可以被耦合134到響應(yīng)于傳感器網(wǎng)絡(luò)100被控制的資源系統(tǒng)140。耦合134可以是硬件互連、無線互連或目前已知或后續(xù)發(fā)展出的任何其他類型的連接。主動控制器130可以通過耦合134發(fā)送控制命令到資源系統(tǒng)140以促使系統(tǒng)140改變操作參數(shù)或系統(tǒng)140的一些其他方面。
[0019]例如，資源系統(tǒng)140可以是住宅或商業(yè)建筑的加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)。響應(yīng)于由傳感器102收集的溫度信息，多個阻尼器可以被調(diào)整，并且系統(tǒng)140的制冷或加熱操作可以被增加或減少以保持建筑物中每個房間的最適宜溫度。在另一示例中，資源系統(tǒng)140可以是住宅或商業(yè)建筑的照明系統(tǒng)。響應(yīng)于由傳感器102檢測的外部亮度水平、內(nèi)部亮度水平和房間中人員的在場或不在場，每個房間的照明可以被調(diào)整。
[0020]主動控制器130還可以發(fā)送命令信息給從動控制器120，并由此經(jīng)由無線事務(wù)處理發(fā)送給一些或全部的傳感器102。例如，命令可被發(fā)送以改變數(shù)據(jù)采樣速率、激活或停用一個傳感器節(jié)點中的多個傳感器元件等。
[0021]取決于網(wǎng)絡(luò)100的大小和物理范圍，可以存在由網(wǎng)絡(luò)100的一個給定實施例中的從動控制器120示例化的更少或額外的控制層級結(jié)構(gòu)。分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體操作是公知的，且在此將不進(jìn)一步詳細(xì)地描述。
[0022]圖2是圖1的網(wǎng)絡(luò)100中使用的無線傳感器200的框圖。例如，無線傳感器200可被用于一些或全部傳感器節(jié)點102。傳感器節(jié)點200包括耦合到通信接口 220的微控制器(MCU)210。微控制器210可以包括FRAM存儲模塊214、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器215、一個或多個計時器模塊216以及用于耦合到通信接口 220、顯示器230和傳感器240、242的其他多個接口。
[0023]例如，MCU210可具體表現(xiàn)為可從德州儀器獲得的MSP430FR57xx。超低功耗微控制器的德州儀器MSP430FR57XX家族包括以嵌入式FRAM非易失性存儲器、超低功耗16比特MSP430CPU和用于多種應(yīng)用的不同外圍設(shè)備為特征的多個設(shè)備。與七個低功率模式相結(jié)合的體系架構(gòu)、FRAM、外圍設(shè)備被優(yōu)化以實現(xiàn)在便攜和無線感測應(yīng)用中的延長的電池壽命。FRMA是一種非易失性存儲器，其結(jié)合了 SRAM的速度、靈活性和耐久性以及閃存的非易失性，全部都處于較低的總功耗。外圍設(shè)備可以包括10比特A/D轉(zhuǎn)換器、具有電壓基準(zhǔn)生成和遲滯能力的16信道比較器、支持12C、SPI或UART協(xié)議的三個增強串行信道、內(nèi)部DMA、硬件乘法器、實時時鐘、五個16比特計時器等等。
[0024]鐵電隨機(jī)存取存儲器(FRAM)是一種具有和DRAM類似的行為的非易失性存儲器技術(shù)。每個獨立位/比特可以被存取，并且不同于EEPR0M或閃存，F(xiàn)RAM不需要特殊序列來寫入數(shù)據(jù)，其也不需要電荷泵來達(dá)到所要求的更高編程電壓。FRAM在1.5V下進(jìn)行編程，這與閃存或EEPR0M的10-14V形成對比。閃存編程通過隧道機(jī)制發(fā)生，而FRMA編程依賴于鐵電效應(yīng)以引起偶極分子的極化。鐵電效應(yīng)由于FRAM單元的陶瓷鋯鈦酸鉛結(jié)晶體(PZT)中的鋯(Zr)和氧(0)原子形成的電偶極子而發(fā)生。電場導(dǎo)致極化遲滯效應(yīng)，因為其以增加的場強在PZT結(jié)晶體中移動Zr原子。遲滯效應(yīng)由于該Zr原子與0原子的互相作用而發(fā)生。Zr原子被電場的極性從一個方向或另一個方向移動。不同于磁遲滯效應(yīng)，PZT分子的極化遲滯不被外部磁場所影響。除非施加電場，Zr原子將保持在原位并在電源被移除時提供存儲的非易失性。這意味著對于每次存儲操作，就算真的有，其磨損也遠(yuǎn)不及閃存，并因此持續(xù)10億次，這比閃存的持續(xù)時間長。最后，由于FRAM不通過隧道機(jī)制進(jìn)行寫入，其對例如伽馬射線這樣的輻射的抵抗力超過閃存/EEPR0M達(dá)到1000倍或更多。
[0025]此外，F(xiàn)RAM不需要預(yù)擦除周期并且分子在1或2納秒內(nèi)極化，因此寫入操作比之前提到的其他非易失存儲器快大約1000倍。除了其動態(tài)可存取性和非易失性之外，因為FRAM的速度與許多微控制器中的嵌入式靜態(tài)RAM相當(dāng)，其通常被稱為通用存儲器。這意味著在其壽命中的任何給定時間，其可以用作數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器。這給予設(shè)計者自由以根據(jù)他們的具體需求創(chuàng)造嚴(yán)重依賴于數(shù)據(jù)處理的嵌入式軟件，而不需要擔(dān)心微控制器的限制。沒有其他的嵌入式存儲器能夠具有這一特征。
[0026]在該示例中，F(xiàn)RAM214提供16kB的存儲，SRAM215提供1KB的存儲，CPU212是以高達(dá)8MHz的速度操作的16比特RISC結(jié)構(gòu)。然而，其他實施例可以包括其他類型的CPU和不同的存儲能力。由于FRAM是非易失性的，應(yīng)用程序可以被存儲在FRAM214中以便由CPU212執(zhí)行。FRAM214的一部分還可以被分配用作數(shù)據(jù)存儲器以存儲從傳感器240、242收集的數(shù)據(jù)。由于FRAM不具有與閃存非易失性存儲器相關(guān)的寫入限制，F(xiàn)RAM214在處理所收集的傳感器數(shù)據(jù)的過程中可被用作便箋式存儲器，如下面將要更詳細(xì)地描述的。
[0027]通信接口 220可以包括用于和外部控制器例如圖1的控制器120進(jìn)行無線通信的發(fā)射器和接收器。接口 220可以使用例如ZigBee這樣的RF標(biāo)準(zhǔn)通信，ZigBee在低數(shù)據(jù)速率低功率應(yīng)用中是流行的。ZigBee和其他低功率RF標(biāo)準(zhǔn)使用由IEEE802.15.4定義的MAC層和PHY層。對802.15.4的修改(其被稱為802.15.4e)使用具有占空比(duty-cycled)的MAC來降低無線電功耗。例如，接口 220可以具體表現(xiàn)為可從德州儀器獲得的 CC3000-TiW1-SL 模塊。
[0028]例如，顯示器230可以是一組簡單的LED (發(fā)光二極管)或更復(fù)雜的IXD(液晶顯示器)。在一些實施例中，顯示器230可以被省略。
[0029]這一示例包括用于感測水流速率的流動傳感器240和兩個用于感測空氣溫度的溫度傳感器242。然而，各個實施例可以包括可被用來收集多種類型的環(huán)境數(shù)據(jù)的各種已知的或后續(xù)發(fā)展出的傳感器。Μ⑶210的這一示例包括200kspsl0比特ADC和2個運算放大器，其可被用于收集和處理來自傳感器240、242的環(huán)境數(shù)據(jù)。
[0030]電池250提供功率給MCU210、通信接口 220、顯示器230和傳感器240、242。功率管理(PM)邏輯218可以被包括在MCU210中，或者其可以是單獨的。PM邏輯218可被配置為控制提供給MCU210、通信接口 220、顯示器230和傳感器240、242的功率水平。PM218可以使用由目前已知的或后續(xù)發(fā)展的集成電路和多芯片系統(tǒng)中的多個域來控制和改變功耗的多種方案。例如，這可以包括提高或降低由電池250提供給多個組件的電壓電平。例如，這也可以包括改變提供給MCU210的時鐘速率。
[0031]功率管理邏輯218可以在由CPU218執(zhí)行的軟件程序的控制下被配置為控制對傳感器節(jié)點200中的每個模塊的功率供應(yīng)。下面將更詳細(xì)地描述使用PM邏輯218來減小功耗并延長電池250的壽命。
[0032]在遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)例如WSN100中不斷增長的需求是最大化端節(jié)點的系統(tǒng)功率效率，在該端節(jié)點處大量的數(shù)據(jù)被提取出并且電池壽命需要被最大化。如現(xiàn)在將要更詳細(xì)地描述的，與閃存存儲器技術(shù)相比，在例如傳感器節(jié)點200這樣的傳感器節(jié)點中使用非易失性鐵電RAM存儲器(FRAM)技術(shù)可以明顯地將該傳感器節(jié)點中的有效電流減小高達(dá)50%并將寫入次數(shù)提高多個數(shù)量級。這甚至在高度功率受限的系統(tǒng)中允許擴(kuò)展的數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理成為可能。FRAM還可以使得一些應(yīng)用的無線電占空比能夠急劇減小。針對每個所處理字節(jié)的計算出的能耗相應(yīng)地增減。這轉(zhuǎn)換成該WSN的整體系統(tǒng)功率和處理效率兩方面的顯著改善，使得在基于閃存的系統(tǒng)中不可能的延長的電池壽命和應(yīng)用場景成為可倉泛。
[0033]基于FRAM的傳感器節(jié)點和基于閃存的傳感器節(jié)點之間的比較
[0034]下面將描述基于FRAM的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對比基于閃存的解決方案的功率效率之間的比較。使用子系統(tǒng)能耗模型推導(dǎo)出基于FRAM和基于閃存的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩者的能耗模型。該模型考慮到嵌入式無線解決方案的主要組件，包括處理器、非易失性存儲器、無線電以及各種傳感器。包括防碰撞考慮的IEEE802.15.4PHY和MAC無線通信協(xié)議的分組幀要求也被考慮在內(nèi)。在這種情況下，發(fā)射和接收功耗歸因于適當(dāng)?shù)拇_認(rèn)響應(yīng)。針對兩個系統(tǒng)上的示例性熱分配器應(yīng)用，存儲器寫入周期和RF占空比的影響被考慮到。基于所述RF占空比，支配參數(shù)被定義。整體能量效率被確定，并且針對多種使用情況對WSN的電池壽命做出比較。
[0035]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的典型分析傾向于首先關(guān)注RF通信信道的能耗，忽視微控制器(MCU)和相關(guān)外圍設(shè)備在能耗曲線中的貢獻(xiàn)。此外，典型分析還未能考慮與這些基于傳感器的無線解決方案中的很多方案相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄要求。雖然這肯定適用于以較高RF占空比運行的WSN，其中RF接口的能耗與系統(tǒng)中的其他組件相比高出數(shù)個數(shù)量級，但對于較低RF占空比的系統(tǒng)，這一假設(shè)不再成立。通過限制分組數(shù)據(jù)傳送事件并減小RF協(xié)議的有效偵聽周期，小于0.5%的有效RF占空比可以被輕易地實現(xiàn)[1]。在這種情況下，能耗統(tǒng)計分析(breakdown)部分地由該系統(tǒng)中的全部組件造成。為了延長系統(tǒng)的電池壽命，這些組件中的每一個都需要針對具體應(yīng)用條件被理解和優(yōu)化。對于意在監(jiān)控和收集傳感器數(shù)據(jù)的WSN，需要在系統(tǒng)層級考慮這一數(shù)據(jù)的存儲和隨后的RF傳輸。
[0036]在端節(jié)點處的傳感器數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)存儲是否比在網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中更高層級處的網(wǎng)絡(luò)存儲更高效是一個問題。在傳感器層級，需要考慮的不僅是執(zhí)行該存儲所需要的能量，還要考慮隨后發(fā)送該數(shù)據(jù)到本地網(wǎng)關(guān)(再次參考圖1，例如網(wǎng)絡(luò)100中的從動控制器120)所需要的能量。網(wǎng)關(guān)從不同的傳感器端節(jié)點收集數(shù)據(jù)，并確保其被寄存在耦合到WSN100中的主動控制器130的中央數(shù)據(jù)庫中。通過將RF能量需求分?jǐn)傇诖罅康淖止?jié)上，每個傳感器節(jié)點中的端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)存儲使得能夠減少通信能耗，但是付出了更高的存儲能耗的代價?？紤]低RF占空比，這種折中僅在存儲能耗相對于其他參數(shù)來說最小時可以達(dá)到。通過利用由FRAM技術(shù)提供的高容量和高能效的存儲能力，F(xiàn)RAM技術(shù)決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的這種重新考慮。這種存儲器技術(shù)允許更大量的傳感器數(shù)據(jù)在被傳送到網(wǎng)關(guān)之前被存儲在本地。通過利用這一更大量數(shù)據(jù)的聚合，整體系統(tǒng)能效被額外地優(yōu)化。
[0037]在該示例中，使用“熱分配器”無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的示例來圖示說明FRAM技術(shù)優(yōu)于其他存儲器技術(shù)的優(yōu)點。熱分配器是測量建筑物中各散熱器的能量使用的設(shè)備。針對這一應(yīng)用執(zhí)行系統(tǒng)分析，并且在考慮系統(tǒng)的全部主要組件的情況下推導(dǎo)出子系統(tǒng)消耗能量效率模型。使用這一子系統(tǒng)能耗模型，執(zhí)行基于FRAM的系統(tǒng)對比基于閃存的系統(tǒng)的系統(tǒng)比較。對于這一系統(tǒng)示例，端節(jié)點能量使用而非網(wǎng)關(guān)被考慮，因為假設(shè)網(wǎng)關(guān)120通常是線路供電的。
[0038]熱分配器WSN示例
[0039]熱分配器傳感器是測量獨立的水加熱散熱器的總熱量輸出的設(shè)備。熱分配器傳感器節(jié)點被直接附連到散熱器本身上。典型的熱分配器傳感器節(jié)點200的框圖在圖2中示出。該設(shè)備包括兩個溫度傳感器242，其中一個測量散熱器的溫度，另一個測量房間溫度。它還包括超聲傳感器240以測量水的流動。該設(shè)備還包括中央處理單元212、IXD顯示器230和無線電220。對于這一分析，假定存在2.2 μ A的復(fù)合傳感器有效電流和1 μ A的復(fù)合關(guān)閉電流。傳感器測量每30秒發(fā)生一次，每一次測量用時20ms。在分析中，由傳感器收集的數(shù)據(jù)的量是變化的，以便由系統(tǒng)確定端節(jié)點網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存儲的影響。
[0040]子系統(tǒng)能耗模型
[0041]下面將更詳細(xì)地描述WSN100的子系統(tǒng)能耗模型。
[0042]嵌入式微控制器能暈
[0043]MCU210的總能耗包括有效分量、空閑分量和切換分量的總和。有效分量由公式
(1)給出。
[0044]EMCU_active = tactiveXIactiveXV (1)
[0045]其中，taetive是微控制器處于有效狀態(tài)的時間，并且Iaetive是在有效狀態(tài)期間MCU的決定電流。系統(tǒng)的工作電壓為V，其中假設(shè)該系統(tǒng)在來自電池250的單一電壓下工作。
[0046]MCU能耗的空閑分量由公式⑵表達(dá)。
[0047]EMCUidle — tidieX lidieX V ⑵
[0048]其中，tidle是傳感器測量與數(shù)據(jù)記錄、RF通信及相關(guān)軟件任務(wù)之間的空閑周期。在這種情況下，MCU處于掉電狀態(tài)，其中一個計時器被使能以執(zhí)行定時的傳感器測量、RF循環(huán)和傳送。在每個空閑狀態(tài)期間，沒有被存儲在非易失性存儲器中的任何數(shù)據(jù)都將會丟失。
[0049]使用從空閑狀態(tài)進(jìn)入有效狀態(tài)以及返回空閑狀態(tài)的能耗的線性近似來獲得切換分量，其由公式⑶表達(dá)。
[0050]EMCUswitch — [tMCUswitch(Iactive_Iidle) V]/2 ⑶
[0051]其中，tKUswitc;h是系統(tǒng)進(jìn)入到兩者中任一個狀態(tài)所花費的時間。倍增一個因數(shù)2是因為系統(tǒng)返回空閑狀態(tài)。
[0052]RF 通信
[0053]RF通信期間的總體能耗是傳送期間所需的能量、從網(wǎng)關(guān)或鄰近節(jié)點接收數(shù)據(jù)所需要的能量、從空閑狀態(tài)和有效狀態(tài)出發(fā)的切換能量、偵聽能量和傳送期間解決防碰撞所需要的能量的總和。IEEE802.5.4標(biāo)準(zhǔn)[2]MAC層和PHY層需要標(biāo)準(zhǔn)CSMA(載波偵聽多址)程序來解決防碰撞。端節(jié)點使用二進(jìn)制指數(shù)退避機(jī)制，其具有定義每個退避周期內(nèi)的時隙數(shù)目的整數(shù)變量B。初始二進(jìn)制變量被初始設(shè)置為3，在此期間，具有要發(fā)送的數(shù)據(jù)的每個端節(jié)點在最初的2B-1 = 7個時隙中選擇一個隨機(jī)時隙然后端節(jié)點在這一時隙期間使用空閑信道評估(CCA)來確認(rèn) 何時信道是可用的。如果端節(jié)點確定信道在該時隙期間是繁忙的，則它將B增加1以選擇R2并且執(zhí)行相同的CCA。如果它確認(rèn)信道繼續(xù)是繁忙的，則通過將B增加到數(shù)值5來繼續(xù)該過程。在這一最后的增量之后，如果端節(jié)點不能找到一個開放的時隙，則它將丟棄該分組。對于這一分析，僅考慮了與MAC層和PHY層相關(guān)的RF能耗。沒有考慮由RF協(xié)議的更高0SI層決定的額外開銷。此外，也沒有考慮在MAC層調(diào)出的信標(biāo)事件。
[0054]偵聽能暈
[0055]偵聽能量被定義為在無線電有效但不接收信息的期間由無線電消耗的能量。在這一周期中，無線電偵聽來自網(wǎng)關(guān)或鄰近端節(jié)點的數(shù)據(jù)，其接著需要依據(jù)消息流對該數(shù)據(jù)做出響應(yīng)或重新發(fā)送該數(shù)據(jù)。偵聽能耗由公式(4)給出。
[0056]Ex = [S/CK]XTchXIlistenXV (4)
[0057]其中，S是采樣周期，CK是無線電有效地偵聽到達(dá)的數(shù)據(jù)的檢測間隔，且1—?是這一偵聽狀態(tài)期間無線電的電流消耗。[0058]發(fā)送能暈
[0059]發(fā)送能量是發(fā)送包括無線電上的相關(guān)控制開銷的數(shù)據(jù)分組所需要的能量。該開銷確保發(fā)送實體和接收實體之間的適當(dāng)握手。在這種情況下，假定16字節(jié)的開銷。傳送能耗由公式(5)表達(dá)。
[0060]
【權(quán)利要求】
1.一種用于操作無線傳感器模塊的方法，所述方法包括:以具有第一時間周期的周期性方式收集傳感器數(shù)據(jù)；將所述傳感器數(shù)據(jù)記錄到所述傳感器模塊內(nèi)的非易失性鐵電隨機(jī)存取存儲器即FRAM中；在傳感器數(shù)據(jù)收集周期之間將所述傳感器模塊置于降低功率空閑模式，其中在所述空閑模式期間，所記錄的傳感器數(shù)據(jù)由所述FRAM保存；以及將所記錄的傳感器數(shù)據(jù)的表象經(jīng)由無線電信道以具有第二時間周期的周期性方式發(fā)送到遠(yuǎn)程接收器，其中所述第二時間周期比所述第一時間周期長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括:在所述第二時間周期期間聚合所記錄的傳感器數(shù)據(jù)，以形成所記錄的傳感器數(shù)據(jù)的表象，其中聚合包括通過使用所述FRAM作為處理期間的便箋式存儲器來在所述FRAM中處理所記錄的傳感器數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中聚合所記錄的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括使用存儲在所述FRAM中的Hash表來執(zhí)行重復(fù)分組抑制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一周期小于大約1分鐘，并且所述第二周期為所述第一周期的至少10倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括:分配所述FRAM的一部分來保存用于由所述傳感器模塊中的中央處理單元即CPU執(zhí)行的軟件指令，并且分配所述FRAM的另一部分用作所述CPU的工作存儲器。
6.一種無線傳感器模塊，其包括:耦合到鐵電隨機(jī)存取存儲器即FRAM的中央處理單元即CPU，其中所述FRAM的一部分保存用于由所述CPU執(zhí)行的軟件指令，并且所述FRAM的另一部分被分配為用作所述CPU的工作存儲器；耦合到所述CPU的傳感器，其中所述CPU可操作以便收集傳感器數(shù)據(jù)并以具有第一時間周期的周期性方式記錄所收集的傳感器數(shù)據(jù)到所述FRAM中；耦合到所述CPU的發(fā)射器，其中所述CPU可操作以便開始以具有第二時間周期的周期性方式經(jīng)由無線電信道發(fā)送所記錄的傳感器數(shù)據(jù)的表象到遠(yuǎn)程接收器，其中所述第二時間周期比所述第一時間周期長；以及耦合到所述CPU、所述FRAM和所述發(fā)射器的功率管理模塊，其中所述功率管理模塊被配置為在傳感器數(shù)據(jù)收集周期之間將所述傳感器模塊置于降低功率空閑模式，其中在所述空閑模式期間，所記錄的傳感器數(shù)據(jù)由所述FRAM保存。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線傳感器，其中所述CPU可操作以便執(zhí)行來自所述FRAM的指令從而在所述第二時間周期期間聚合所記錄的傳感器數(shù)據(jù)以形成所記錄的傳感器數(shù)據(jù)的表象，其中聚合包括通過使用所述FRAM作為處理期間的便箋式存儲器來在所述FRAM中處理所記錄的傳感器數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的無線傳感器，其中聚合所記錄的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括使用存儲在所述FRAM中的Hash表來執(zhí)行重復(fù)分組抑制。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線傳感器，其中所述第一周期小于大約1分鐘，并且所述第二周期為所述第一周期的至少10倍。
10.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其包括:無線耦合到一個或多個耦合控制模塊的多個無線傳感器模塊；用于可控地耦合到資源系統(tǒng)以便向所述資源系統(tǒng)提供控制信息的控制信道；以及其中至少一部分所述多個無線傳感器中的每一個包括:耦合到鐵電隨機(jī)存取存儲器即FRAM的中央處理單元即CPU，其中所述FRAM的一部分保存用于由所述CPU執(zhí)行的軟件指令，并且所述FRAM的另一部分被分配為用作所述CPU的工作存儲器；耦合到所述CPU的傳感器，其中所述CPU可操作以便收集傳感器數(shù)據(jù)并以具有第一時間周期的周期性方式記錄所收集的傳感器數(shù)據(jù)到所述FRAM中；耦合到所述CPU的發(fā)射器，其中所述CPU可操作以便開始以具有第二時間周期的周期性方式經(jīng)由無線電信道發(fā)送所記錄的傳感器數(shù)據(jù)的表象到遠(yuǎn)程接收器，其中所述第二時間周期比所述第一時間周期長；以及耦合到所述CPU、所述FRAM和所述發(fā)射器的功率管理模塊，其中所述功率管理模塊被配置為在傳感器數(shù)據(jù)收集周期之間將所述傳感器模塊置于降低功率空閑模式，其中在所述空閑模式期間，所記錄的傳感器數(shù)據(jù)由所述FRAM保存。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中所述CPU可操作以執(zhí)行來自所述FRAM的指令從而在所述第二時間周期期間聚合所記錄的傳感器數(shù)據(jù)以形成所記錄的傳感器數(shù)據(jù)的表象，其中聚合包括通過使用所述FRAM作為處理期間的便箋式存儲器來在所述FRAM中處理所記錄的傳感器數(shù)據(jù)。`
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中聚合所記錄的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)一步包括使用存儲在所述FRAM中的Hash表來執(zhí)行重復(fù)分組抑制。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中所述第一周期小于大約1分鐘，并且所述第二周期是所述第一周期的至少10倍。
【文檔編號】G06F17/40GK103678727SQ201310491436
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月1日
【發(fā)明者】R·A·梅納, V·C·庫瑪 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司