專利名稱：一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能的控制機制的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線通信領域，尤其涉及一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡 節(jié)點節(jié)能的控制機制。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在檢 測區(qū)域內大量廉價的集成有傳感器、嵌入式處理器和通信模塊的微型 傳感器節(jié)點，通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系 統(tǒng)。它借助于傳感器節(jié)點中內置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán) 境中的熱、紅外線、聲納、雷達和地震波信號，從而探測包括溫度、 濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物理的大小、速度和方 向等眾多人類感興趣的物質現(xiàn)象。傳感器網(wǎng)絡可以使人們在任何時 間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的信息，它可以被廣 泛地應用于諸如國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、空間探索、交通管 理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災等領域中。無線傳感器網(wǎng)絡的目的 是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送 給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網(wǎng)絡的二個要素。
典型的傳感器網(wǎng)絡結構通常由傳感器節(jié)點(sensor node)、數(shù)據(jù) 匯聚節(jié)點(sink node)、中繼網(wǎng)絡和遠程管理節(jié)點組成。大量傳感器 節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域(sensor field)內部或附近，能夠通過自組 織方式構成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地 進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后 路由到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通 過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān) 測數(shù)據(jù)。
由于無線傳感器通常運行在人不能或不便接近的環(huán)境，網(wǎng)絡節(jié)點 的電源更換或再充電等工作通常無法進行，能源無法替代。廣泛分布 于被測環(huán)境的傳感器節(jié)點既要負責收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，又要完成數(shù)據(jù)傳輸 的路由等功能，因此網(wǎng)絡節(jié)點電源的無法替換性使能量消耗問題相對 于傳感器網(wǎng)絡的其他關鍵技術而言尤為重要。
在這種傳感器網(wǎng)絡中，最普遍的能量來源為電池。為了實現(xiàn)傳感 器節(jié)點的低功耗，延長節(jié)點的工作壽命，就必須想辦法降低設備的功 耗。
現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡，為了實現(xiàn)設備的低功耗，延長電池的工
作時間， 一般MAC層都采用了活動一休眠的循環(huán)調度機制，以及在路
由層上采用小功耗的多跳覆蓋來完成通信，也就是設備不停地在活動 與休眠兩種狀態(tài)之間循環(huán)工作。處于活動狀態(tài)時，設備能夠正常地工 作，進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，或者處于無收發(fā)數(shù)據(jù)的空閑狀態(tài)，此時功耗較 大。而處于休眠狀態(tài)時，節(jié)點不作任何操作，將功耗降到最低。
IEEE 802. 15. 4中的MAC層超幀結構(活動一休眠的工作狀態(tài)循 環(huán))是一種可變結構，其分為兩個部分活動部分(active duration) 和休眠部分(Inactive)。其中，IEEE802. 15. 4協(xié)議規(guī)定這兩個部分 的時間長短是可設定的。在活動部分里，節(jié)點完成正常的通信，包括 自身數(shù)據(jù)的采集以及傳輸，還包括對其它節(jié)點數(shù)據(jù)的中繼。在休眠部 分，節(jié)點一般不進行任何操作。協(xié)議以超幀為周期組織WPAN網(wǎng)絡內 設備間的通信。
由于傳感器網(wǎng)絡為多跳網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中設備所產生的數(shù)據(jù)包， 一般 需要經過多個節(jié)點的中繼才能到達匯聚節(jié)點，所以可以將設備的能量 損耗分成兩部分自身損耗、中繼損耗。自身損耗指的是設備自身進 行的數(shù)據(jù)采集與傳輸所消耗的能量；中繼損耗指的是設備為其它設備 提供數(shù)據(jù)中繼服務而產生的數(shù)據(jù)損耗。在多跳的傳感器網(wǎng)絡中，中繼 損耗一般會大于自身損耗。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于降低節(jié)點在活動狀態(tài)沒有接收數(shù)據(jù)而開啟較 大的接收窗口造成的能耗，提供一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能 的控制機制。
本發(fā)明提出一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能的控制機制，該 節(jié)點增加"激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)"的超幀結構，其處于激活狀 態(tài)的節(jié)點，只在每一幀的激活狀態(tài)開啟一個激活窗口，其它時間全部 處于休眠狀態(tài)，其中該激活窗口只能接收來自其他節(jié)點的啟動信息， 以便節(jié)點從睡眠狀態(tài)蘇醒過來，從"激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)"轉 入"活動-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)"，如果在激活窗口沒有接收來自其他 節(jié)點的啟動信息，那么節(jié)點就繼續(xù)休眠，繼續(xù)"激活-休眠的工作狀 態(tài)循環(huán)"。
所述的啟動信息就是特定前導碼。
當節(jié)點的能量供應比較充足，并且有實際工作需求的時候，節(jié)點 工作狀態(tài)在活動狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間不斷循環(huán)；當節(jié)點的能量低于一 定的門限或者超過時限無工作需求時，節(jié)點便轉入了激活與休眠狀態(tài) 之間不斷循環(huán);在每一幀的激活狀態(tài)開啟一個只能接收啟動信息的激
活窗口，其它時間全部處于休眠狀態(tài)；其它節(jié)點如果要發(fā)送數(shù)據(jù)給此 節(jié)點，先發(fā)送一個啟動信息，這個時候該節(jié)點就從休眠狀態(tài)蘇醒，轉
入活動狀態(tài)，開始正常收發(fā)數(shù)據(jù)；處于激活狀態(tài)的節(jié)點，如果有數(shù)據(jù) 要發(fā)送給其它節(jié)點，則自動轉入活動狀態(tài)，在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再次轉 入激活與休眠狀態(tài)之間不斷循環(huán)狀態(tài)。
通常情況下，當節(jié)點的能量供應不充足的情況，節(jié)點采用"激活 -休眠的工作狀態(tài)循環(huán)"超幀結構，節(jié)點除了有數(shù)據(jù)要發(fā)送或者接收 到啟動信息，才會轉入活動狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，多數(shù)時間 處于休眠狀態(tài)。且本發(fā)明的節(jié)點在激活狀態(tài)時只開啟一個很小的激活 窗口，如果沒有收到啟動信息，節(jié)點大部分的時間都處于休眠狀態(tài)， 這樣可以避免一些不必要的中繼轉發(fā)，因此可以將節(jié)點能量消耗降到 最低。


圖1為本發(fā)明中定義的超幀結構； 圖2為本發(fā)明中節(jié)點的狀態(tài)轉換圖。
具體實施例方式
如圖1、 2所示，本發(fā)明一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能的 控制機制，首先在傳統(tǒng)的"活動-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)"超幀結構的 基礎上，定義一種低功耗超幀結構，該超幀中包括激活狀態(tài)l，休眠 狀態(tài)3這兩個工作狀態(tài)，其中激活狀態(tài)1有別于活動狀態(tài)2，激活狀
態(tài)1中節(jié)點開啟一個激活窗口，只能接收特定的啟動信息(通常啟動 信息就是特定前導碼，數(shù)據(jù)包比較短)，以便其它節(jié)點對其進行激活， 從休眠狀態(tài)3蘇醒，轉入活動狀態(tài)2，雙方開始正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
當節(jié)點的能量供應比較充足(電池電量比較充足)，并且有實際 工作需求的時候，節(jié)點工作狀態(tài)在活動狀態(tài)2與休眠狀態(tài)3之間不斷 循環(huán)；當節(jié)點的能量低于一定的門限時，節(jié)點便轉入了激活狀態(tài)l， 則在每一幀的激活狀態(tài)1開啟一個激活窗口，其它時間全部處于休眠 狀態(tài)3;其它節(jié)點如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送給此節(jié)點，先發(fā)送一個特定的啟 動信息，這個時候節(jié)點就從休眠狀態(tài)3蘇醒，轉入活動狀態(tài)2，開始 正常收發(fā)數(shù)據(jù)。處于激活狀態(tài)l的節(jié)點，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送給其它節(jié) 點，則自動轉入活動狀態(tài)2。
通常情況下，為了節(jié)約能量， 一個"活動-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)" 超幀包括活動狀態(tài)2和休眠狀態(tài)3，幾乎沒有一個幀全部是活動狀態(tài) 2的。該節(jié)點的工作狀態(tài)在活動狀態(tài)2與休眠狀態(tài)3之間不斷循環(huán)。
在活動狀態(tài)2中，節(jié)點處理正常的通信，包括自身數(shù)據(jù)的傳輸，也包
括對其它節(jié)點數(shù)據(jù)的中繼傳輸。在休眠狀態(tài)3中，節(jié)點不進行任何操
作，以節(jié)省能量。由于節(jié)點收發(fā)單元的功耗和接收窗口和發(fā)送窗口的
大小成正比關系。如果在活動狀態(tài)2中，節(jié)點不進行數(shù)據(jù)的收或者發(fā)， 而該節(jié)點的收發(fā)單元仍開啟一個能夠接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的接收窗口和 發(fā)送窗口 (通常節(jié)點要發(fā)送或者接收一個完整的數(shù)據(jù)包，所以該接收 窗口和發(fā)送窗口開設得比較大，節(jié)點能量消耗較大)。若為了降低節(jié) 點在活動狀態(tài)2沒有接收數(shù)據(jù)而開啟較大的接收窗口造成的能耗，而 采用縮減活動狀態(tài)2的時間段的方法，由于節(jié)點隨機接收其他節(jié)點傳 輸來的數(shù)據(jù)，這樣必然會造成整個傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豁槙场?br> 本發(fā)明與其它協(xié)議不同之處在于該節(jié)點增加"激活-休眠的工作 狀態(tài)循環(huán)"的超幀結構，其中，節(jié)點的活動狀態(tài)2和休眠狀態(tài)3與其 它協(xié)議的定義和功能是一樣的。本發(fā)明為了降低節(jié)點在活動狀態(tài)2沒 有接收數(shù)據(jù)而開啟較大的接收窗口造成的能耗，增加了一個激活狀態(tài) 1，該激活狀態(tài)1中只開一個小的激活窗口，只能接收一個特定的啟 動信息(通常啟動信息就是特定前導碼，數(shù)據(jù)包比較短)。當節(jié)點在 激活狀態(tài)1接收來自其他節(jié)點的啟動信息時，就從休眠狀態(tài)3蘇醒， 轉入活動狀態(tài)2，雙方開始正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的節(jié)點在激活狀態(tài)1時，由于在一幀中只開啟一個激活窗 口，其它時間都處于休眠狀態(tài)，故可以將能量消耗降到最低。本發(fā)明 通常在電池能量不足的情況下使用，當然，本發(fā)明也可以在節(jié)點的能 量供應比較充足(電池電量比較充足)的時候，采用激活狀態(tài)l。
權利要求
1、一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能的控制機制，其特征在于該節(jié)點增加“激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”的超幀結構，其處于激活狀態(tài)的節(jié)點，只在每一幀的激活狀態(tài)開啟一個激活窗口，其它時間全部處于休眠狀態(tài)，其中該激活窗口只能接收來自其他節(jié)點的啟動信息，以便節(jié)點從睡眠狀態(tài)蘇醒過來，從“激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”轉入“活動-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”，如果在激活窗口沒有接收來自其他節(jié)點的啟動信息，那么節(jié)點就繼續(xù)休眠，繼續(xù)“激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能 的控制機制，其特征在于所述的啟動信息就是特定前導碼。
3、 根據(jù)權利要求l、 2所述的一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié) 能的控制機制，其特征在于當節(jié)點的能量供應比較充足，并且有實 際工作需求的時候，節(jié)點工作狀態(tài)在活動狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間不斷循 環(huán)；當節(jié)點的能量低于一定的門限或者超過時限無工作需求時，節(jié)點 便轉入了激活與休眠狀態(tài)之間不斷循環(huán)；在每一幀的激活狀態(tài)開啟一 個只能接收啟動信息的激活窗口，其它時間全部處于休眠狀態(tài)；其它 節(jié)點如果要發(fā)送數(shù)據(jù)給此節(jié)點，先發(fā)送一個啟動信息，這個時候該節(jié) 點就從休眠狀態(tài)蘇醒，轉入活動狀態(tài)，開始正常收發(fā)數(shù)據(jù)；處于激活 狀態(tài)的節(jié)點，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送給其它節(jié)點，則自動轉入活動狀態(tài)， 在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再次轉入激活與休眠狀態(tài)之間不斷循環(huán)狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點節(jié)能的控制機制，該機制增加“激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”的超幀結構，其處于激活狀態(tài)的節(jié)點，只在每一幀的激活狀態(tài)開啟一個激活窗口，其它時間全部處于休眠狀態(tài)，其中該激活窗口只能接收來自其他節(jié)點的啟動信息，以便節(jié)點從睡眠狀態(tài)蘇醒過來，從“激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”轉入“活動-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”，如果在激活窗口沒有接收來自其他節(jié)點的啟動信息，那么節(jié)點就繼續(xù)休眠，繼續(xù)“激活-休眠的工作狀態(tài)循環(huán)”。由于本發(fā)明的節(jié)點在激活狀態(tài)時只開啟一個很小的激活窗口，其它時間都處于休眠狀態(tài)，故可以將能量消耗降到最低。
文檔編號H04L29/06GK101340307SQ20071000919
公開日2009年1月7日 申請日期2007年7月5日 優(yōu)先權日2007年7月5日
發(fā)明者孫維明, 石江宏, 金曉坤, 陳根潮 申請人:廈門大學