專利名稱：ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網絡能量管理技術領域，特別是一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法。
背景技術：
無線傳感器網絡被定義為在目標區(qū)域部署大量微型傳感器節(jié)點，這些網絡化的節(jié)點協(xié)同工作并感知被監(jiān)測區(qū)域的事件信息，獲取用戶所需數據，最后通過多跳網絡傳輸給終端用戶。由于無線傳感器網絡監(jiān)控能夠節(jié)省過去繁瑣枯燥的人力勞動，甚至能對過去人工難以實時監(jiān)控的危險區(qū)域進行監(jiān)控，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、醫(yī)療健康和工業(yè)控制等領域有著廣泛的應用前景。但是能量消耗問題一直是限制無線傳感器網絡發(fā)展的瓶頸，直接影響著網絡的生命周期。
通常節(jié)點采用能量有限電源，由于節(jié)點部署在野外無人區(qū)域，不可能頻繁為其更換電源，一旦節(jié)點電量耗盡將導致節(jié)點失效退出網絡，影響網絡監(jiān)測質量甚至導致網絡癱瘓。因此如何提高節(jié)點能量的持久性成為一個關鍵問題。雖然可以采用太陽能，振動能等外界能量補充節(jié)點能量損失，但是這些裝置往往會增加節(jié)點的體積和成本，僅適用于對體積要求不高的應用場合。因此要延長節(jié)點的工作時間，必須合理有效使用電池電量。
通過對節(jié)點的耗電量分析，有利于合適選擇節(jié)點傳輸方式，可最大化利用節(jié)點能量，從而延長節(jié)點工作時間。在這里的數據傳輸方式包括數據包大小，數據包的數，傳輸頻率(或傳輸周期)等。而能量模型的建立與評估是進行能耗分析的關鍵。
圍繞無線傳感器網絡能量管理，目前已經提出大量能量模型。其中大部分都是基于MAC層或路由協(xié)議能耗的優(yōu)化策略而建立的，其計算過程復雜，相對于有限計算能力的單片機，這些算法會引起處理器較多的數據處理能耗，而且這些理論模型與實際情況相比存在較大的差異，一般多用于仿真分析。而現有基于ZigBee通信協(xié)議的無線網絡產品多采用廠家提供成熟的協(xié)議，MAC層和路由協(xié)議基本固定。雖然Ivan等在CCM20射頻收發(fā)器平臺上建立了一種用于評估IEEE802. 15. 4低速無線個域網的能量模型，但IEEE802. 15. 4模型只是規(guī)定了 ZigBee協(xié)議底層標準，對使用基于ZigBee通信協(xié)議的無線網絡產品節(jié)點的能量評估仍存在不足。
專利文獻20091033505. 7公開了無線傳感網絡中的實際能量模型及功率優(yōu)化控制方法，但該文獻所公開的能量模型并沒有具體實現公式，而且這些模型都是針對特定的節(jié)點，需要根據該節(jié)點所使用無線網絡產品的特性，來獲得相關參數，該文獻公開的實際能量模型不具有通用性，其算法復雜。
目前尚未發(fā)現對ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗進行計算的通用方法的公開文獻。
發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是，提供一種以節(jié)點工作電流、節(jié)點工作電壓、數據發(fā)送、 接收相關時長為參數的ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，該能耗計算方法在ZigBee無線網絡中具有通用性。
為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案 一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，包括 獲得無線網絡節(jié)點的工作電壓V ； 獲得無線網絡節(jié)點發(fā)送一個數據包的發(fā)送周期時長Tftans ； 將所述發(fā)送周期的數據等待階段放大合并到數據偵聽和接收階段，將所述發(fā)送周期簡化為數據偵聽和接收階段、數據處理階段、數據發(fā)送階段； 獲得所述發(fā)送周期的下列參數數據偵聽和接收階段時長Tkx，數據偵聽和接收階段工作電流Ικχ，數據處理階段時長ΤωΝ，數據處理階段工作電流Ira，數據發(fā)送階段時長Ttx， 數據發(fā)送階段工作電流Itx; 獲得無線網絡節(jié)點對一個數據包的接收周期的下列參數確認幀發(fā)送階段時長 Tack，確認幀發(fā)送階段工作電流Im，數據處理階段時長Trom，數據處理階段工作電流Irai，數據偵聽和接收階段工作電流Im ； 獲得無線網絡節(jié)點發(fā)送有效數據包的數量M ； 獲得無線網絡節(jié)點休眠電流Islrap和無線網絡節(jié)點休眠時間Tslrap ； 計算無線網絡節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)的能耗Etx Etx(TTrans, Tcon，Μ) = MXVX [ItxXTtx+IconXTcon+IexX (TTrans-TTX_Tc。n)] 計算無線網絡節(jié)點處于接收狀態(tài)的能耗Ekx Eex(TTrans, TC0N1,M) = MXVX InX ([IackXTACK+I⑶N1XT⑶N1)+ImX [TTrans-nX (TACK+T⑶ N1)]} 式中n為無線網絡節(jié)點在一個接收周期內接收數據包的個數； 計算無線網絡節(jié)點處于休眠狀態(tài)的能耗^rap ； Esleep (Isleep, Tsleep) = VX IsleepXTsleep ； 計算無線網絡節(jié)點的總能耗E E = ETX+EKXXG+Esleep，式中G為向無線網絡節(jié)點發(fā)送數據的節(jié)點數量。
優(yōu)選的，無線網絡節(jié)點發(fā)送有效數據包的數量M為
權利要求
1.一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，其特征在于，包括 獲得無線網絡節(jié)點的工作電壓V ；獲得無線網絡節(jié)點發(fā)送一個數據包的發(fā)送周期時長Tftans ；將所述發(fā)送周期的數據等待階段放大合并到數據偵聽和接收階段，將所述發(fā)送周期簡化為數據偵聽和接收階段、數據處理階段、數據發(fā)送階段；獲得所述發(fā)送周期的下列參數數據偵聽和接收階段時長Tkx，數據偵聽和接收階段工作電流Ικχ，數據處理階段時長ΤωΝ，數據處理階段工作電流ΙωΝ，數據發(fā)送階段時長Ttx，數據發(fā)送階段工作電流Itx;獲得無線網絡節(jié)點對一個數據包的接收周期的下列參數確認幀發(fā)送階段時長Tm，確認幀發(fā)送階段工作電流Im，數據處理階段時長Trai，數據處理階段工作電流ΙωΝ1，數據偵聽和接收階段工作電流Im ；獲得無線網絡節(jié)點發(fā)送有效數據包的數量M ；獲得無線網絡節(jié)點休眠電流Isleep和無線網絡節(jié)點休眠時間Tsleep ；計算無線網絡節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)的能耗Etx
計算無線網絡節(jié)點處于接收狀態(tài)的能耗Ekx
式中m為無線網絡節(jié)點在一個接收周期內接收數據包的個數； 計算無線網絡節(jié)點處于休眠狀態(tài)的能耗；
計算無線網絡節(jié)點的總能耗E
式中G為向無線網絡節(jié)點發(fā)送數據的節(jié)點數量。
2.如權利要求1所述一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，其特征在于，無線網絡節(jié)點發(fā)送有效數據包的數量M為
，式中N為無線網絡節(jié)點發(fā)送數據包總字節(jié)數；lpa。k為一個數據包的有效字長度；P為統(tǒng)計上IK個數據包的丟包率。
3.如權利要求1所述一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，其特征在于，還包括計算所述發(fā)送一個數據包實際時間與計算時間的比例因子k，計算步驟如下 第一步，通過無線網絡節(jié)點發(fā)送一個已知固定長度的數據包，并獲得在所述數據包在發(fā)送周期中的數據發(fā)送階段的時長Tm ；第二步，計算發(fā)送一個數據包實際時間與計算時間的比例因子k
式中1為數據包頭開銷字節(jié)數；1Pd為一個數據包中有效字節(jié)的長度，數據包頭開銷字節(jié)數Itead和一個數據包中有效字節(jié)的長度lpa。k為常數。
4.如權利要求3所述一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，其特征在于，所述數據發(fā)送階段時長Ttx為
，式中Itead為數據包頭開銷字節(jié)數；Ipadt為一個數據包中有效字節(jié)的長度；k為發(fā)送一個數據包實際時間與計算時間的比例因子k。
5.如權利要求3所述一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，其特征在于，所述確認幀發(fā)送階段時長Tm為:TACK= ^Xft，式中k為發(fā)送一個數據包實際時間與計算時間的比例因子k。
全文摘要
本發(fā)明提供一種ZigBee無線網絡節(jié)點的能耗計算方法，采用無線網絡節(jié)點工作電壓、無線網絡節(jié)點在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)中各階段的時長和工作電流、無線網絡節(jié)點在休眠狀態(tài)的工作電壓和工作電流等參數，建立無線網絡節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和休眠狀態(tài)的能耗數學模型，進而建立無線網絡節(jié)點的總能耗數學模型，通過采用本發(fā)明提供的能耗計算方法，能夠準確預測無線網絡節(jié)點傳輸能耗代價和無線網絡節(jié)點的剩余工作壽命，提高無線網絡節(jié)點的自適應性，本發(fā)明提供的算法簡單，測量數據容易獲得，適用于實際計算能力有限的傳感器節(jié)點。
文檔編號H04W16/22GK102186184SQ20111014980
公開日2011年9月14日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者金仁成, 韓慶普, 陳真清, 王立鼎 申請人:大連理工大學