[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

本發明提出一種傳感器節點的硬件框架，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，能量均衡方法則在能量均衡模塊中執行；優點是：同時考慮能耗的節省和均衡，從而延長網絡壽命。

技術領域

本發明涉及物聯網技術領域，具體講是一種傳感器節點的硬件框架。

背景技術

物聯網（Internet of Things，IoT）被稱為是繼計算機、互聯網之后，全球信息產業發展的第三次浪潮，其概念是由無線傳感器網絡發展而來的。因此，無線傳感器網絡被認為是整個物聯網發展的產業核心。

作為無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）的基本組成，傳感器節點被部署在監測區域內，以無線通信的方式，將采集到的數據自組織地路由到匯聚節點。通過以太網或衛星，數據被傳送到管理節點并予以保存。用戶端可經由管理節點對全網進行配置和管理，發布監測任務。該運作體系構成了無線傳感器網絡的基本形態。

WSN具有廣闊的應用前景，包括軍事國防、環境監測、醫療護理、交通管理、智能樓宇、精細農業等在內的多個領域都能充分體現出網絡的實用價值。由此，WSN的相關研究成為國內外各大高校及研究機構的熱門方向。從已有的研究成果看，不論是硬件結構的改進還是軟件協議的設計，研究工作都將網絡節點的低能耗視為最主要的技術方向，其最終目標是盡可能地延長網絡的運行時間。網絡壽命不僅關系到WSN的實用價值和應用成本，同時也是其實現可隱藏、可植入的關鍵。

事實上，出于成本、體積等方面的考量，傳感器節點通常采用電池供電，大規模、高密度的部署或是應用環境的特殊都會增加更換電池的難度。因此，高效使用能量、最大程度地延長網絡生存時間（通常以年計）成為WSN的首要設計目標。

在WSN的協議設計中，包括數據壓縮、數據融合在內的網內數據處理技術是其中較為重要的研究分支。由于WSN面向海量數據，且原始數據間存在時空域冗余，因此，對這些冗余進行網內處理，在保留應用所需信息量的前提下，將需要傳輸的數據量最小化，對于WSN而言，不僅能夠起到降低網絡通信能耗的作用，還可以有效地提高數據傳輸速率和帶寬利用率，解決網絡擁塞問題。此外，在WSN的實際應用中，除了需要注重網絡節點的低能耗設計外，影響網絡壽命的另一個重要因素同樣不能被忽視，那就是網絡各同構節點間存在的能量損耗不均衡的問題。

由于節點的通信能力有限，通常情況下，網絡采用多跳路由實現數據傳送。這就意味著臨近匯聚節點（Sink）的傳感器節點需要承擔更多的數據傳送任務，包括自身采集的監測數據以及需要中繼的其他數據。因此，對于整個網絡而言，此類節點（近節點）成為影響網絡生存時間的瓶頸。近節點的失效將直接導致網絡的癱瘓，離Sink節點較遠的傳感器節點（遠節點）無法將監測數據傳送至網絡遠端，整個網絡亦無法完成既定的應用任務。

從目前的研究工作看，解決網絡節點間能耗不均衡問題的主要方法是通過路由機制或拓撲控制機制對全網節點的能耗做均衡處理。然而，無論是路由或者拓撲控制機制，都需要以大量的通信能耗為代價，即節點間頻繁的信息交換，這樣大大降低了其延長網絡壽命的效果。另一方面，針對網內數據處理算法的研究則偏重于單節點或鏈路上通信總能耗的降低，并沒有將能耗失衡問題考慮在內（見授權專利楊華中，應蓓華，劉偉等；一種用于無線傳感器網絡降低能耗的壓縮判決方法；中國，ZL200810238934.3；2009-10-21）。由此，目前結合網內數據處理與全網能耗均衡的聯合優化問題并沒有很好地得到解決，能耗的節省和均衡需要同時被考慮才能真正達到網絡壽命延長的目的。

發明內容