[發明專利]一種適用于無線傳感器網絡的節點能量消耗實時監測方法

無效

• 申請號: 201210181216.3
• 申請日: 2012-06-05
• 公開（公告）號: CN102707140A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 高民;潘曉瑞;黃才炎;張滇;倪明選
• 申請（專利權）人: 廣州市香港科大霍英東研究院
• 主分類號: G01R22/10
• 分類號: G01R22/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種適用于無線傳感器網絡的節點能量消耗實時監測方法。該方法通過對節點的能量消耗進行實時精確地監測，從而實現對節點所運行的協議的能量效率進行分析，和預測節點的使用壽命。本發明屬于無線傳感器網絡技術領域。

背景技術

無線傳感器網絡（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點構成。這些節點可以監控溫度、聲音、震動、壓力、移動和污染情況等物理和環境信息，并且可以通過網絡將這些信息傳送到監控終端。由于經常部署在野外環境中，缺乏持續穩定的電源供電，節點的能耗問題始終是無線傳感器網絡部署和研究中的核心議題。為了提高節點的能量效率，需要通過預測節點使用壽命，進一步優化協議算法，延長節點的使用壽命。因此在無線傳感器網絡的部署和研究中需要實現對節點的能量消耗的實時精確監測。

能量消耗是功率在時間上的積分，而功率則是節點電壓和電流的乘積。傳統節點能耗監測方法認為節點電壓會按照設計所預想那樣保持恒定，因而往往只對節點電流進行測量，但是在實際中，節點電壓并非處于理想狀態，尤其是當節點采用USB供電時，節點電壓會存在較大的波動。為了精確監測節點的能量消耗狀態，需要對節點的電壓和電流都進行監測，而且需要實現對電壓和電流同時進行采樣才能達到實時精確的監測目的。

當傳感器節點處于不同工作狀態時，其能量消耗差別巨大：當節點處于休眠狀態時，其工作電流處于微安級別；當節點進行無線收發時，節點電流可以達到近百毫安。傳統的能量測量方法因為模數轉換器位數分辨率較低的原因，往往不能同時精確測量這兩種情況下的節點電流。通常的做法是選擇放棄對節點休眠狀態能量消耗的監測，因為其電流較小。但實際上，無線傳感器網絡在實際部署時都會執行低功耗監聽（Low?Power?Listening），且絕大部分時間處于休眠狀態。因此，這部分的能量消耗是不應被忽視的，也應該被納入監測范圍之內。

同時，傳感器節點的活動是以毫秒，甚至更小的時間間隔為單位的，因而節點內的電流變化極為迅速。加州伯克利大學的研究表明需要至少40kHz的采樣率，才能精確地監測節點活動時的能量消耗變化。傳統的測量方法的采樣頻率只有數百赫茲，因而不具備精確監測節點活動所帶來的能量消耗的能力。另外，高采樣率所產生的大量數據要求測量方法中的微處理器具備很強的數據處理能力，同時數據傳輸通道也應具備較高的數據傳輸速度。加州伯克利學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據傳輸速率僅為400Kb/s，遠小于他們的數據產生速度，因而該機制并不支持實時能耗監測，而只能監測節點一段時間內的總能量消耗。以往的傳感器節點能耗監測方法都不能達到這些要求，更不能以較低的成本實現。

在無線傳感器網絡的部署中，尤其是無線傳感器網絡測試平臺尤其是室內測試平臺的搭建中，傳感器節點往往采用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，為了提高節點能耗監測方法的通用性，能耗監測方法應具備同時適用于這兩種供電模式的能力。

經檢索發現，申請號為201010200972.7，申請日期為2010年6月8日的國內發明專利申請公開了一種“無線傳感器網絡的多節點在環境中實時能量消耗監測系統”，該系統側重于對能耗監測系統整體結構的改進，并未有針對節點能量消耗監測方法創新。除此之外，經檢索并未發現國內發明專利涉及無線傳感器網絡的節點能耗監測。

本發明提出了一種適用于無線傳感器網絡的節點能量消耗實時監測方法，該方法通過對節點的能量消耗的，尤其是節點休眠狀態能量消耗的實時精確監測，進一步協助開發者評估節點的能量效率，優化協議算法，從而延長節點壽命。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：如何克服傳統無線傳感器網絡的節點能量消耗監測方法不能同時精確測量傳感器節點處于不同工作狀態時、不同供電模式下的能耗，而且不支持實時測量的問題。本發明可實現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據，且能夠在節點電流分布的整個范圍內實現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點能量消耗監測方法。該方法可以實時地監測節點能量的消耗情況，并且支持把數據上傳到服務器上，結合常見的無線傳感器測試平臺，可以實現對無線傳感器網絡進行能耗效率的精確分析。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：