[發明專利]傳感器節點的硬件框架

在審

• 申請號: 202011246541.4
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN112423360A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 應蓓華;葉建波;韓梅;鄭仰程
• 申請（專利權）人: 浙江工商職業技術學院
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 浙江千克知識產權代理有限公司 33246
• 代理人: 吳輝輝

1.一種傳感器節點的硬件框架，其特征在于，以微處理器為主要控制單元，實現對通信協議的控制和各種應用的處理；同時，微處理器兼備一定的存儲功能，負責保存傳感數據、各類幀信息以及用戶預設的各種應用相關數值；其余各個模塊的功能如下：傳感器負責實現數據采集；射頻收發器進行數據的無線傳輸；能量供應單元分別給射頻收發器、微處理器以及傳感器提供能量；用戶接口負責節點與上層管理終端的通信連接，包括應用參數的設置以及相關信息的讀取；

節點微處理器的處理單元內設有軟件架構體系，該體系在數據處理層中添加了能量均衡模塊，以此實現能量的均衡處理，能量均衡方法則在能量均衡模塊中執行，能量均衡方法如下：

本地節點的編號記為i，則相對于本地節點，前節點的編號記為i-1，后節點的編號記為i+1， i為大于或等于1的自然數，距離匯聚節點最近的節點即編號為i =1的節點，

對于除編號為i =1的節點之外的其它節點，上一次通信若有的話，則下一次通信基于上一次通信的能耗情況來調整自身的算法等級，即：

若當前輪次的通信的前節點能耗大于本地節點能耗，則將本地節點的算法等級提高一級以供下一次通信執行，直到調至最高等級的算法，反之則將節點的算法等級降低一級以供下一次通信執行，直到最低等級，即不執行壓縮；

算法等級是指節點中備選壓縮算法的等級，根據壓縮比進行等級劃分，其中，壓縮比定義為壓縮后數據量與原始數據量之比，壓縮比數值越低，算法等級越高，最低等級為不執行壓縮；

能量均衡方法包括決策執行部分，包括以下幾個步驟，Sink即指匯聚節點：

步驟01：節點完成部署以及組網初始化后，節點開始采集原始數據并將處理后的數據逐跳傳輸至Sink，此為上行通信，完成首輪數據通信，此輪中，各節點均按照等級最低的算法執行數據處理，即不執行任何壓縮；

在上行通信過程中，各節點記錄下其鄰居節點的編號，以便在后續步驟中進行信息交換；

步驟02：能量均衡模塊從應用層中獲取相關信息；

所涉及的信息包括：數據類型和精度要求，相應地保存于微處理器的存儲單元內，可以通過用戶接口預先設置，也可以取自射頻模塊提供的控制幀信息；

步驟03：根據應用層提供的相關信息，能量均衡模塊獲取預設的壓縮算法集中的算法等級；

若算法分級采用離線方式進行，則從微處理器的存儲單元內直接讀取結果；若采用在線分級，則需在網絡運行初期的算法分級完成后，獲取算法等級；

步驟04：能量均衡模塊從網絡傳輸層及其下層獲取相關信息；

所涉及的信息包括發射功率、接收功率、數據傳輸速率、數據重傳率、MCU計算功率和中繼數據量，其中，發射功率和數據重傳率由網絡傳輸層決定，其數值取自消息幀，由射頻模塊提供；接收功率、數據傳輸速率和MCU計算功率取決于節點的硬件結構，相關信息預置于微處理器的存儲單元內，通過物理層逐級上行傳送；中繼數據量取自上行通信的數據幀，通過物理層逐級上行傳送；

步驟05：能量均衡模塊根據已知參量，計算首輪數據通信中本地節點所耗能量；

節點i所耗總能量簡化為：

（式1）

其中，為節點間通信距離下，射頻模塊的發射功率；為射頻模塊的接收功率；為節點i所需發送的原始數據總長度（以字節為單位）；為節點發送1個字節數據所需的時間，由數據傳輸速率決定；為節點i的數據重傳率，該數值反映出節點多跳路由中通信信道的質量，數值越大，表示接收誤碼率越高，通信信道越惡劣；N為節點總個數，亦作為節點的最大編號，由于節點編號隨節點距離Sink的跳數依次增大，故編號為N的節點即為距離Sink最遠端的節點，而此節點的通信能耗僅包含發射能耗；

步驟06：能量均衡模塊將計算得到的當前輪次的節點總能耗下行傳送至物理層，并通過消息幀下行通信至后節點；

此步驟結束后，除距離Sink最近的節點（i =1）外，其他節點均可獲知自身和其下一跳鄰居節點在當前輪次的數據傳送過程中消耗的總能量，從而執行步驟07；

步驟07：能量均衡模塊根據當前輪次的前節點能耗，給出下一輪數據處理的最優決策，并將該結果發送至同層的數據壓縮模塊，同時下行至物理層；

若當前輪次的前節點能耗大于本地節點能耗，則將本地節點的算法等級提高一級，直到調至最高等級；反之則將節點的算法等級降低一級，直到最低等級；

步驟08：能量均衡模塊從數據壓縮模塊獲取相關信息；

所涉及的信息包括：壓縮比和壓縮時間；收到來自能量均衡模塊的最優決策后，數據壓縮模塊啟動下一輪的數據處理，并將執行算法后的壓縮比和壓縮時間反饋至能量均衡模塊；

步驟09：能量均衡模塊從網絡傳輸層及其下層獲取相關信息；

所涉及的信息包括發射功率、接收功率、數據傳輸速率、數據重傳率、MCU計算功率和中繼數據量；接收功率、數據傳輸速率、MCU計算功率由節點硬件決定，故可視為恒定常量；而發射功率、數據重傳率和中繼數據量的變化則相對頻繁，需在每輪能量均衡中獲取最新數據；

步驟10：能量均衡模塊根據已知參量，計算新一輪數據通信中本地節點所耗能量；

若節點的算法等級最低，則根據式1計算節點能耗；否則，節點將根據式2計算其能耗，此時的喚醒能耗同樣不予考慮：

（式2）

其中，為微處理器MCU的功率；為在已知精度要求e下，節點壓縮1個字節數據的時間開銷；為節點i在已知精度要求e下，算法獲得的壓縮比；

步驟11：能量均衡模塊根據應用層信息的變化情況，決定跳轉步驟，啟動下一輪能量均衡過程。