CN101340307A - 一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制，该机制增加“激活－休眠的工作状态循环”的超帧结构，其处于激活状态的节点，只在每一帧的激活状态开启一个激活窗口，其它时间全部处于休眠状态，其中该激活窗口只能接收来自其他节点的启动信息，以便节点从睡眠状态苏醒过来，从“激活－休眠的工作状态循环”转入“活动－休眠的工作状态循环”，如果在激活窗口没有接收来自其他节点的启动信息，那么节点就继续休眠，继续“激活－休眠的工作状态循环”。由于本发明的节点在激活状态时只开启一个很小的激活窗口，其它时间都处于休眠状态，故可以将能量消耗降到最低。

Description

一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制

技术领域

本发明属于无线通信领域，尤其涉及一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在检测区域内大量廉价的集成有传感器、嵌入式处理器和通信模块的微型传感器节点，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。它借助于传感器节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外线、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物理的大小、速度和方向等众多人类感兴趣的物质现象。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，它可以被广泛地应用于诸如国防军事、国家安全、环境监测、空间探索、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域中。无线传感器网络的目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。

典型的传感器网络结构通常由传感器节点(sensor node)、数据汇聚节点(sink node)、中继网络和远程管理节点组成。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到数据汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

由于无线传感器通常运行在人不能或不便接近的环境，网络节点的电源更换或再充电等工作通常无法进行，能源无法替代。广泛分布于被测环境的传感器节点既要负责收集监测数据，又要完成数据传输的路由等功能，因此网络节点电源的无法替换性使能量消耗问题相对于传感器网络的其他关键技术而言尤为重要。

在这种传感器网络中，最普遍的能量来源为电池。为了实现传感器节点的低功耗，延长节点的工作寿命，就必须想办法降低设备的功耗。

现在的无线传感器网络，为了实现设备的低功耗，延长电池的工作时间，一般MAC层都采用了活动-休眠的循环调度机制，以及在路由层上采用小功耗的多跳覆盖来完成通信，也就是设备不停地在活动与休眠两种状态之间循环工作。处于活动状态时，设备能够正常地工作，进行数据的收发，或者处于无收发数据的空闲状态，此时功耗较大。而处于休眠状态时，节点不作任何操作，将功耗降到最低。

IEEE 802.15.4中的MAC层超帧结构(活动-休眠的工作状态循环)是一种可变结构，其分为两个部分：活动部分(active duration)和休眠部分(Inactive)。其中，IEEE802.15.4协议规定这两个部分的时间长短是可设定的。在活动部分里，节点完成正常的通信，包括自身数据的采集以及传输，还包括对其它节点数据的中继。在休眠部分，节点一般不进行任何操作。协议以超帧为周期组织WPAN网络内设备间的通信。

由于传感器网络为多跳网络，网络中设备所产生的数据包，一般需要经过多个节点的中继才能到达汇聚节点，所以可以将设备的能量损耗分成两部分：自身损耗、中继损耗。自身损耗指的是设备自身进行的数据采集与传输所消耗的能量；中继损耗指的是设备为其它设备提供数据中继服务而产生的数据损耗。在多跳的传感器网络中，中继损耗一般会大于自身损耗。

发明内容

本发明的目的在于降低节点在活动状态没有接收数据而开启较大的接收窗口造成的能耗，提供一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制。

本发明提出一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制，该节点增加“激活-休眠的工作状态循环”的超帧结构，其处于激活状态的节点，只在每一帧的激活状态开启一个激活窗口，其它时间全部处于休眠状态，其中该激活窗口只能接收来自其他节点的启动信息，以便节点从睡眠状态苏醒过来，从“激活-休眠的工作状态循环”转入“活动-休眠的工作状态循环”，如果在激活窗口没有接收来自其他节点的启动信息，那么节点就继续休眠，继续“激活-休眠的工作状态循环”。

所述的启动信息就是特定前导码。

当节点的能量供应比较充足，并且有实际工作需求的时候，节点工作状态在活动状态与休眠状态之间不断循环；当节点的能量低于一定的门限或者超过时限无工作需求时，节点便转入了激活与休眠状态之间不断循环；在每一帧的激活状态开启一个只能接收启动信息的激活窗口，其它时间全部处于休眠状态；其它节点如果要发送数据给此节点，先发送一个启动信息，这个时候该节点就从休眠状态苏醒，转入活动状态，开始正常收发数据；处于激活状态的节点，如果有数据要发送给其它节点，则自动转入活动状态，在数据发送完毕后再次转入激活与休眠状态之间不断循环状态。

通常情况下，当节点的能量供应不充足的情况，节点采用“激活-休眠的工作状态循环”超帧结构，节点除了有数据要发送或者接收到启动信息，才会转入活动状态，进行数据的发送和接收，多数时间处于休眠状态。且本发明的节点在激活状态时只开启一个很小的激活窗口，如果没有收到启动信息，节点大部分的时间都处于休眠状态，这样可以避免一些不必要的中继转发，因此可以将节点能量消耗降到最低。

附图说明

图1为本发明中定义的超帧结构；

图2为本发明中节点的状态转换图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制，首先在传统的“活动-休眠的工作状态循环”超帧结构的基础上，定义一种低功耗超帧结构，该超帧中包括激活状态1，休眠状态3这两个工作状态，其中激活状态1有别于活动状态2，激活状态1中节点开启一个激活窗口，只能接收特定的启动信息(通常启动信息就是特定前导码，数据包比较短)，以便其它节点对其进行激活，从休眠状态3苏醒，转入活动状态2，双方开始正常收发数据。

当节点的能量供应比较充足(电池电量比较充足)，并且有实际工作需求的时候，节点工作状态在活动状态2与休眠状态3之间不断循环；当节点的能量低于一定的门限时，节点便转入了激活状态1，则在每一帧的激活状态1开启一个激活窗口，其它时间全部处于休眠状态3；其它节点如果有数据要发送给此节点，先发送一个特定的启动信息，这个时候节点就从休眠状态3苏醒，转入活动状态2，开始正常收发数据。处于激活状态1的节点，如果有数据要发送给其它节点，则自动转入活动状态2。

通常情况下，为了节约能量，一个“活动-休眠的工作状态循环”超帧包括活动状态2和休眠状态3，几乎没有一个帧全部是活动状态2的。该节点的工作状态在活动状态2与休眠状态3之间不断循环。在活动状态2中，节点处理正常的通信，包括自身数据的传输，也包括对其它节点数据的中继传输。在休眠状态3中，节点不进行任何操作，以节省能量。由于节点收发单元的功耗和接收窗口和发送窗口的大小成正比关系。如果在活动状态2中，节点不进行数据的收或者发，而该节点的收发单元仍开启一个能够接收和发送数据的接收窗口和发送窗口(通常节点要发送或者接收一个完整的数据包，所以该接收窗口和发送窗口开设得比较大，节点能量消耗较大)。若为了降低节点在活动状态2没有接收数据而开启较大的接收窗口造成的能耗，而采用缩减活动状态2的时间段的方法，由于节点随机接收其他节点传输来的数据，这样必然会造成整个传感器网络数据传输的不顺畅。

本发明与其它协议不同之处在于该节点增加“激活-休眠的工作状态循环”的超帧结构，其中，节点的活动状态2和休眠状态3与其它协议的定义和功能是一样的。本发明为了降低节点在活动状态2没有接收数据而开启较大的接收窗口造成的能耗，增加了一个激活状态1，该激活状态1中只开一个小的激活窗口，只能接收一个特定的启动信息(通常启动信息就是特定前导码，数据包比较短)。当节点在激活状态1接收来自其他节点的启动信息时，就从休眠状态3苏醒，转入活动状态2，双方开始正常收发数据。

本发明的节点在激活状态1时，由于在一帧中只开启一个激活窗口，其它时间都处于休眠状态，故可以将能量消耗降到最低。本发明通常在电池能量不足的情况下使用，当然，本发明也可以在节点的能量供应比较充足(电池电量比较充足)的时候，采用激活状态1。

Claims (3)

1、一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制，其特征在于：该节点增加“激活-休眠的工作状态循环”的超帧结构，其处于激活状态的节点，只在每一帧的激活状态开启一个激活窗口，其它时间全部处于休眠状态，其中该激活窗口只能接收来自其他节点的启动信息，以便节点从睡眠状态苏醒过来，从“激活-休眠的工作状态循环”转入“活动-休眠的工作状态循环”，如果在激活窗口没有接收来自其他节点的启动信息，那么节点就继续休眠，继续“激活-休眠的工作状态循环”。

2、根据权利要求1所述的一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制，其特征在于：所述的启动信息就是特定前导码。

3、根据权利要求1、2所述的一种短距离无线传感器网络节点节能的控制机制，其特征在于：当节点的能量供应比较充足，并且有实际工作需求的时候，节点工作状态在活动状态与休眠状态之间不断循环；当节点的能量低于一定的门限或者超过时限无工作需求时，节点便转入了激活与休眠状态之间不断循环；在每一帧的激活状态开启一个只能接收启动信息的激活窗口，其它时间全部处于休眠状态；其它节点如果要发送数据给此节点，先发送一个启动信息，这个时候该节点就从休眠状态苏醒，转入活动状态，开始正常收发数据；处于激活状态的节点，如果有数据要发送给其它节点，则自动转入活动状态，在数据发送完毕后再次转入激活与休眠状态之间不断循环状态。

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