[發(fā)明專利]無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點超低功耗設計方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010509623.3
• 申請日: 2010-10-17
• 公開（公告）號: CN101965039A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發(fā)明（設計）人: 劉少強;洪丹龍;樊曉平;李勇周;陳磊
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學
• 主分類號: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 黃美成

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明技術(shù)涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點超低功耗設計方法，該方法普遍適用于節(jié)點的低功耗設計，主要應用于狀態(tài)監(jiān)測、目標探測等需要進行持續(xù)在線監(jiān)測的應用場合。

技術(shù)背景

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量低成本的傳感器節(jié)點組成的自組織網(wǎng)絡。節(jié)點具備無線通信能力，不僅負責環(huán)境信息的采集、處理，還要收、發(fā)自身和網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，但其能量等資源有限。由于節(jié)點的供電電池不便更換，最大限度的節(jié)能是節(jié)點設計的首要原則。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般由處理器、無線通信、傳感器和電源四個模塊組成。一般被認為傳感模塊的功耗很低，通信消耗了節(jié)點的大部分能量，現(xiàn)有研究基本未討論傳感器的功耗和電源節(jié)能問題。

微處理器是整個節(jié)點的控制核心，負責進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與無線通信，但并非一直處于高負載狀態(tài)下，因此，節(jié)點的微處理器應具備多種不同功耗的工作模式，應根據(jù)當前負載情況合理選擇工作模式，既滿足性能要求，又降低功耗。

在以往的節(jié)點設計中，傳感器模塊是以低占空比的工作方式運行的，因此，在無線傳感器節(jié)點低功耗技術(shù)研究中忽略或輕視了傳感器的功耗，缺少針對傳感器的低功耗設計。隨著應用需求和無線傳感器技術(shù)的發(fā)展，實際應用中面向?qū)崟r監(jiān)測任務的持續(xù)測量任務越來越多，要求也越來越高。由于持續(xù)地監(jiān)測信號，即使采用低功耗的集成傳感器件，傳感器模塊的功耗占節(jié)點總功耗的比例也并不小，不可忽略，需要根據(jù)任務需求和傳感器特點進行低功耗設計。按照能量關(guān)系，傳感器可分為自源型與外源型。自源型傳感器的輸出直接由被測量能量轉(zhuǎn)換而得，不需激勵電源，但是，一般因信號弱而測量精度不及外源型傳感器。在目標探測、狀態(tài)監(jiān)測場合，盡管采用高精度外源型傳感器能保證精度要求，但當目標未進入監(jiān)測區(qū)域時，持續(xù)使用該類傳感器監(jiān)測，將造成節(jié)點電池能量過多消耗，無法滿足長時間工作的要求。僅采用自源型傳感器監(jiān)測，雖可使節(jié)點壽命延長，但往往測量精度不夠。因此，迫切需要開發(fā)既能持續(xù)監(jiān)測，又具備低功耗特點的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的不同模塊具有不同的工作電流或電壓，同一模塊在不同工作狀態(tài)下的電流也不同。從節(jié)能考慮，節(jié)點各模塊要有不同功耗的工作模式及工作電壓，因而需要調(diào)整電源。另一方面，節(jié)點選用的電池種類不同例如堿性電池、鋰電池等，使電池的實際非線性特性和輸出電壓范圍不同。為給各模塊提供所需穩(wěn)定電壓并充分利用電池電能，需要進行高能效的升壓、降壓或升/降壓穩(wěn)壓調(diào)整。負載變化和電池特性使節(jié)點電源調(diào)整器的輸入、輸出處于變化中，其中輸出電流變化較大。這要求節(jié)點電源及管理既要滿足節(jié)點運行與性能所需的電源規(guī)格和質(zhì)量要求，又能適應節(jié)點其他模塊的負載變化，為其提供不同工作狀態(tài)所需的電壓和電流，同時還能降低從高負載到空載條件下的電源自耗，提高不同負載下的能效。目前，大多節(jié)點是由電池直接供電，有的典型節(jié)點平臺僅配置了線性電壓調(diào)整器以保持電池的穩(wěn)定電壓輸出，未實現(xiàn)電源模塊的節(jié)能。

節(jié)點一般由普通的電池驅(qū)動，普通電池壽命一般是3～5年。因此，電池的實際使用壽命通常意味著節(jié)點的最長壽命。以典型的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點MICA2為例，如果用2節(jié)AA型號1.5V的電池提供能量，節(jié)點功耗(含無線收發(fā))為1mW時能持續(xù)工作330天，若節(jié)點工作5年，那么意味著功耗需要降低到180uW以下。根據(jù)電池壽命，若要實現(xiàn)節(jié)點繼續(xù)工作時間達到1年以上，那么節(jié)點的功耗必須降低到1mW以下。

影響電子器件(半導體集成電路器件)功耗的基本因素主要有工作電壓、電流、工作頻率/時間等，對于應用級的低功耗設計，降低系統(tǒng)功耗主要從這些器件的功耗因素以及工作方式著手。無線傳感器網(wǎng)絡是與應用密切相關(guān)的，因此，其節(jié)點的低功耗設計因具體問題不同而存在一定的特殊性。這使得在保證性能指標的前提下進行的低功耗設計方法差異很大，缺乏普遍適用的設計模式。

盡管對特定的節(jié)點系統(tǒng)而言，能實現(xiàn)超低功耗并可供系統(tǒng)設計者選擇的方法并不是很多，但普適性的節(jié)點低功耗設計方法是節(jié)點技術(shù)的重要內(nèi)容，也是目前節(jié)點設計所必需的。目前已有較多低功耗技術(shù)的研究成果，但對于超低功耗技術(shù)的期望值，國內(nèi)外卻沒有明確定義，一般以業(yè)內(nèi)接受的MSP430系列微控制器的功耗參數(shù)為參考值。因此，通過吸收目前節(jié)點低功耗研究的成果，結(jié)合節(jié)點的任務需求特點，以及系統(tǒng)組成模塊功耗的特點，從硬件以及硬、軟件配合方面進行有效設計，并針對具體應用要求改進，依然可以研究出適用于節(jié)點超低功耗的普適性方法與技術(shù)。特別是與硬件系統(tǒng)協(xié)調(diào)的軟件設計技術(shù)不僅能優(yōu)化系統(tǒng)性能，也能最大程度得減少系統(tǒng)功耗。

發(fā)明內(nèi)容