CN101364993A - 一种降低传感器节点休眠功耗的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种降低传感器节点休眠功耗的方法和装置，该装置包含传感器节点，还包含外部时钟模块，与传感器节点相连，其中，传感器节点在进入休眠状态前，发送控制信号给外部时钟模块，外部时钟模块收到传感器节点的控制信号后，开始计时，在定时时间后发送中断信号给传感器节点，传感器节点接收外部时钟模块的中断信号，进入工作状态。本发明通过在现有的传感器网络节点上添加外部时钟模块加以实现，对原有系统改动较小，另外，该外部时钟模块成本低廉，对原有传感器节点的成本影响不大，而且，加入外部的时钟模块后，可以明显降低传感器节点休眠的功耗。

Description

一种降低传感器节点休眠功耗的方法及装置

技术领域

本发明涉及嵌入式系统，尤其涉及一种降低传感器节点功耗的方法和装置。

背景技术

无线传感器网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代计算机网络技术及无线通讯技术、分布式信息处理技术等多种先进技术，网络中的无线传感器节点能够相互协作地进行实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的方式传送给观察者。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在了一起，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

无线传感器网络作为当今信息与计算机领域的一个全新的研究方向，综合了多种学科的前沿技术，现在已经受到学术界和工业界的广泛关注。很多科研机构和大学研究机构都已经纷纷投入了大量的研发力量和精力从事无线传感器网络软硬件系统的研究。在无线传感器网络硬件平台的实现方面，最具有代表性的就是Berkeley(伯克利)大学的SmartDust(智能尘埃)以及Crossbow公司的Mica系列节点的研制。

无线传感器网络节点的设计需要考虑微型化、低功耗、扩展性、稳定性、安全性等多种因素。其实现方法有多种途径，一种途径可以采用超大规模集成电路技术，以片上系统的方式，将信息采集模块、信息处理模块和无线通信模块等集成在一片芯片上，但由于无线传感器网络的应用针对性很强，不同的网络需要不同的传感器节点，该种方法的灵活性较差，前期投入成本高。另一种途径是用商用集成电路和分离元器件实现传感器节点的各部分模块，比如“智能尘埃(Smart Dust)”和“图钉(Pushpin)”等节点系统都采用了这样的实现方式，其系统实现灵活，能够针对具体的应用，较为方便地实现所需要的传感器节点。

传感器节点一般采用电池供电，由于节点放置在危险或不易到达的区域，更换电池几乎是不可能，因此节能成为设计的关键技术，在无线传感器网络中如何延长系统生命周期，是一个具有挑战性的问题，其中之一的解决方法是传感器节点在没有事件发生时处于休眠状态，从而降低传感器节点的能量消耗。在现在的传感器节点实现方案中，传感器节点通常包含处理模块CPU、传感模块、射频模块和电源模块，CPU及射频模块大多都具备多种休眠模式，以Mica2为例，所使用的CPU是ATmega128，在掉电(power down)模式下，以3.3伏电压供电时的电流不到0.5微安；在省电(power save)模式下，以3.3伏电压供电时的电流大约为10微安。但是在传感器节点周期采集发送数据的时候，CPU不能处于掉电(power down)状态，否则CPU的时钟将停止工作，从而无法完成周期计算。目前采取的方法是使CPU处于省电(powersave)模式，但此时休眠功耗相比掉电状态要大很多。因此，有必要提供一种减少传感器节点周期性工作时的能量消耗的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种降低传感器节点休眠功耗的方法及装置，解决现有传感器节点休眠功耗较大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种降低传感器节点休眠功耗的方法，所述传感器节点与一外部时钟模块相连，所述传感器节点进入休眠状态前，发送控制信号给所述外部时钟模块，所述外部时钟模块收到所述控制信号后，开始计时，在定时时间到达后发送中断信号给所述传感器节点，所述传感器节点收到所述中断信号后，进入工作状态。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述定时时间在所述外部时钟模块初始化时设置或在所述传感器节点进入休眠状态前由所述传感器节点设置。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述外部时钟模块收到所述控制信号后，将所述外部时钟模块的计数器清零，所述计数器开始计数，在所述计数器的计数值到达所述定时时间时，所述外部时钟模块发送中断信号给所述传感器节点。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述传感器节点需周期性工作时，所述传感器节点设置所述定时时间为所述传感器节点周期性工作的周期，在每个周期到达时，所述传感器节点接收所述外部时钟模块的中断信号，进入工作状态，工作完毕后，转入休眠状态。

进一步的，上述方法还可具有以下特点，所述传感器节点进入休眠状态是指进入掉电模式的休眠状态。

本发明还提出一种降低传感器节点休眠功耗的装置，包含传感器节点，还包含外部时钟模块，与所述传感器节点相连，其中，

所述传感器节点，用于在进入休眠状态前，发送控制信号给所述外部时钟模块，还用于接收所述外部时钟模块的中断信号，进入工作状态；

所述外部时钟模块，用于收到传感器节点的控制信号后，开始计时，在定时时间到达后发送中断信号给所述传感器节点。

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述传感器节点进一步包含定时时间设置单元，清零单元，唤醒单元，其中：

所述定时时间设置单元，用于设置所述外部时钟模块的定时时间；

所述清零单元，用于在传感器节点进入休眠状态前，发送控制信号给外部时钟模块；

所述唤醒单元，用于接收到外部时钟模块的中断信号后，唤醒传感器节点进入工作状态。

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述外部时钟模块进一步包含计数器和中断信号发送单元，其中：

所述计数器，用于保存传感器节点设置的定时时间，以及在收到传感器节点的所述控制信号后，清零并开始计数，当计数值到达所述定时时间时，发送一触发信号给中断信号发送单元；

所述中断信号发送单元，用于收到计数器的触发信号后，发送一中断信号给传感器节点。

进一步的，上述装置还可具有以下特点，所述传感器节点进入休眠状态是指进入掉电模式的休眠状态。

本发明所涉及的降低传感器节点休眠功耗的方法及装置具有以下优点：1、兼容性强，该方法可以通过在现有的传感器网络节点上添加外部时钟模块加以实现，对原有系统硬件部分改动较小，并且控制接口简单，对于原有的软件改动非常小。2、实现成本低，在原有的传感器节点上加入单芯片的外部时钟模块，该时钟模块成本低廉，对原有传感器节点的成本影响不大。3、效果明显，加入外部的时钟模块，可以明显降低传感器节点休眠的功耗，以MICA2为例，在加入外部时钟模块后，在不影响其功能的情况下，休眠电流可由10微安降低到2微安。

附图说明

图1是加入外部时钟模块后传感器节点的硬件实现框图；

图2是传感器节点和外部时钟模块具体结构框图；

图3是加入外部时钟模块后传感器节点实现低功耗休眠的流程图。

具体实施方式

本发明的主要思想是，在现有的传感器节点的基础上加入外部时钟模块RTC(Real Time Clock，实时时钟)，例如PHILIPS的PCF8563。该外部时钟模块具有极低的工作电流，只有0.25微安，并且该外部时钟模块具有可编程周期输出中断信号的功能，将外部时钟模块可产生中断信号的引脚接到传感器节点的CPU的中断引脚上，这样即使当CPU处于掉电状态时，通过外部时钟模块产生的周期中断信号也可触发CPU，使之进入工作状态。

具体实现为：传感器节点的CPU在初始时设置外部时钟模块的定时时间为传感器节点周期性工作的周期，在传感器节点CPU进入休眠状态之前，对外部时钟模块计数器进行清零，在周期到达时，外部时钟模块自动产生中断信号，发送给CPU，从而唤醒CPU，传感器节点进入工作状态，工作完毕后，传感器节点CPU重新进入休眠状态，在进入休眠状态前，又将外部时钟模块的计数器清零，等待再次被唤醒。这样传感器节点在周期性工作时，在每个周期中不工作的时候处于休眠状态(CPU处于掉电状态)时，能够保持非常低的功耗状态。

本发明提出的降低休眠功耗的装置，如图2所示，包含传感器节点和外部时钟模块，其中：

传感器节点，用于在进入休眠状态前，发送控制信号给所述外部时钟模块，还用于接收所述外部时钟模块的中断信号，进入工作状态；

外部时钟模块，用于收到传感器节点的控制信号后，开始计时，在定时时间到达后发送中断信号给所述传感器节点。

传感器节点进一步包含定时时间设置单元，清零单元，唤醒单元，其中：

定时时间设置单元，用于设置外部时钟模块的定时时间，例如设置外部时钟模块的定时时间和传感器节点周期性工作的周期相同；

清零单元，用于传感器节点进入休眠状态前，发送控制信号给外部时钟模块，用于指示外部时钟模块传感器节点进入休眠状态，要求外部时钟模块的计数器清零，开始计数；

唤醒单元，用于收到外部时钟模块的中断信号后，唤醒传感器节点进入工作状态；

外部时钟模块，进一步包含计数器和中断信号发送单元，其中：

计数器，用于保存传感器节点设置的定时时间，以及在收到传感器节点的控制信号后，清零并开始计数，当计数值到达所述定时时间时，发送一触发信号给中断信号发送单元；

中断信号发送单元，用于收到计数器的触发信号后，发送一中断信号给传感器节点。

本发明还涉及一种降低无线传感器节点功耗的方法，如图3所示，包含：

301，传感器节点的CPU通过控制信号设置外部时钟模块产生中断信号的周期；

其中，通过对外部时钟模块的内部寄存器进行设置来设置外部时钟模块产生中断信号的周期。

302，在进入休眠状态之前，传感器节点的CPU通过控制信号设置外部时钟模块，使外部时钟模块的计数器清零；

303，传感器节点进入休眠状态；

传感器节点在需要周期性工作时，进入掉电模式的休眠状态。

此时外部时钟模块处于工作状态。

304，当外部时钟模块的计数器值等于产生中断信号的周期时，即计数器溢出时，产生中断信号给传感器节点；

305，传感器节点收到中断信号后，其CPU被唤醒，传感器节点进入正常工作状态，采集并发送数据，工作完毕后，准备进入休眠状态，返回步骤302。

通过上述方法，传感器节点可以周期性工作，而传感器节点在不工作时，可以进入掉电模式的休眠状态，从而节省功耗。

由于外部时钟模块可以定时，原则上只要预先知道传感器节点什么时候需要被唤醒，都可以使用本发明的方法，即使传感器节点不是周期性的采集发送数据，也可以进入掉电模式的休眠状态，通过设置外部时钟模块的定时时间，在定时时间到达后由外部时钟模块唤醒传感器节点从而达到节省功耗的目的。即本发明不仅仅可以节省传感器节点周期性工作的功耗，也可以用于非周期性工作时节省功耗。

本发明的方法通过在现有的传感器网络节点上添加外部时钟模块加以实现，对原有系统硬件部分改动较小，并且控制接口简单，对于原有的软件改动非常小，另外，该时钟模块成本低廉，对原有传感器节点的成本影响不大。而且，加入外部的时钟模块后，可以明显降低传感器节点休眠的功耗，以MICA2为例，在加入外部时钟模块后，在不影响其功能的情况下，休眠电流可由10微安降低到2微安。

本发明提出的降低传感器网络节点休眠功耗的方法和装置，在周期性的工作场合，也可以使CPU处于掉电状态，由外部时钟模块将CPU唤醒进入工作状态，从而大大降低了功耗。另外，在非周期性工作时，也可以降低功耗。

Claims (9)

1、一种降低传感器节点休眠功耗的方法，所述传感器节点与一外部时钟模块相连，其特征在于，所述传感器节点进入休眠状态前，发送控制信号给所述外部时钟模块，所述外部时钟模块收到所述控制信号后，开始计时，在定时时间到达后发送中断信号给所述传感器节点，所述传感器节点收到所述中断信号后，进入工作状态。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定时时间在所述外部时钟模块初始化时设置或在所述传感器节点进入休眠状态前由所述传感器节点设置。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外部时钟模块收到所述控制信号后，将所述外部时钟模块的计数器清零，所述计数器开始计数，在所述计数器的计数值到达所述定时时间时，所述外部时钟模块发送中断信号给所述传感器节点。

4、如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述传感器节点需周期性工作时，所述传感器节点设置所述定时时间为所述传感器节点周期性工作的周期，在每个周期到达时，所述传感器节点接收所述外部时钟模块的中断信号，进入工作状态，工作完毕后，转入休眠状态。

5、如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述传感器节点进入休眠状态是指进入掉电模式的休眠状态。

6、一种降低传感器节点休眠功耗的装置，包含传感器节点，其特征在于，还包含外部时钟模块，与所述传感器节点相连，其中，

所述传感器节点，用于在进入休眠状态前，发送控制信号给所述外部时钟模块，还用于接收所述外部时钟模块的中断信号，进入工作状态；

所述外部时钟模块，用于收到传感器节点的控制信号后，开始计时，在定时时间到达后发送中断信号给所述传感器节点。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述传感器节点进一步包含定时时间设置单元，清零单元，唤醒单元，其中：

所述定时时间设置单元，用于设置所述外部时钟模块的定时时间；

所述清零单元，用于在传感器节点进入休眠状态前，发送控制信号给外部时钟模块；

所述唤醒单元，用于接收到外部时钟模块的中断信号后，唤醒传感器节点进入工作状态。

8、如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述外部时钟模块进一步包含计数器和中断信号发送单元，其中：

所述计数器，用于保存传感器节点设置的定时时间，以及在收到传感器节点的所述控制信号后，清零并开始计数，当计数值到达所述定时时间时，发送一触发信号给中断信号发送单元；

所述中断信号发送单元，用于收到计数器的触发信号后，发送一中断信号给传感器节点。

9、如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述传感器节点进入休眠状态是指进入掉电模式的休眠状态。

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