CN101404511B - 无线传感器网络节点电路节能控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以时分多址方式工作的无线传感器网络节点电路节能控制装置，该电路的基本组成有低频天线、唤醒电路、电源、电源开关组、数据采集电路及数字处理电路、射频天线、双工器、监听电路、射频发射电路、功耗控制器、开关逻辑控制电路等。由于设置了节能控制装置，利用低频耦合唤醒电路启动监听电路，然后接收基站信号进行判决，从而切换节点电路工作状态、决定节点电路工作模式，将耦合节能技术和低功耗监听工作方式有机地结合起来，融入电源分布管理和分步控制，实现多级节能控制。本发明解决了节点电路能量耦合时间不确定、耦合能量有限、易产生数据冲突和数据采集盲区、能量利用率低的问题，降低电路功耗和成本，适合大范围使用。

Description

无线传感器网络节点电路节能控制装置

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点电路。

背景技术

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Networks)是由大量分布式传感节点组成的面向任务型自组织网络，综合了无线通信技术、现代传感器技术、集成电路技术、嵌入式技术和分布式信息处理技术等多个学科，是一个具有广阔应用前景的交叉学科研究领域。无线传感器网络可以应用于大型生产监控、军事侦查、医疗监护、环境监测、智能建筑、灾情防护、生物研究、空间探测、现代农业开发和物品检测等领域，对“科技强国”起到十分重要的作用。

无线传感器网络包含了大量的无线传感器网络节点。节点电路向着低功耗、微型化、低成本、多功能的方向发展。因为无线传感器网络节点在许多情况下是放置在室外一次性使用的，有的需要使用3～5年或者更长的时间，而且无法更换电池；同时，又存在对无线传感器网络节点长距离能量耦合供电不能达到电路连续工作所需能量要求的问题；采用其它的外部供电方式会大大增加节点的复杂度和开发制造成本，且受制于应用领域的环境条件和传输距离。综上所述，为了实现节能的目的，低功耗设计成为无线传感器网络节点电路设计的关键技术和急需解决的技术问题。无线传感器网络节点电路的低功耗设计可以在网络硬件、软件和协议、算法研究等方面得以实现。

在无线传感器网络中，无线通信的功耗是无线传感器网络中能量消耗最多的部分，也就是说无线传感器网络节点的射频前端电路在一次数据收发过程中占据了能量消耗的大部分，所以降低无线传感器网络节点射频前端电路的功耗成为了低功耗设计的重要部分。现有的无线传感器网络节点的射频前端电路的节能方案大体分两种：能量耦合和监听触发。

能量耦合：节点电路利用接收的低频信号，进行能量耦合，从而唤醒节点电路并向整个节点供电抓这种低功耗方法存在以下缺点：如节点电路需要通过较长的耦合时间才能储存到一定的能量以达到发送一次数据的要求，这就限制了它的应用领域；另外，由于节点电路在不同环境中接收耦合信号的能量不同，所以其唤醒过程的时间也是不确定的，这就给信号采集、节点与发射基站之间的同步带来了极大的困难，很容易导致冲突和采集信号长时间盲区的现象。

监听触发：节点电路利用实时监听射频信号，从而唤醒整个节点电路开始工作抓这种低功耗方法存在以下缺点：如监听电路是全天候工作的，是一直消耗能量的，电路里面需要有精确的唤醒定时器一直工作以避免传输过程的冲突。如果用于不要求全天候工作和低速采集信号工作的情况下，那么该监听电路在绝大部分的时间里都在浪费能量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种新的无线传感器网络节点电路节能控制装置，以克服现有技术存在的能量耦合时间长、唤醒过程时间不确定、耦合能量有限、易产生数据冲突和数据采集盲区、电路启动稳定性差以及由此导致的节点与发射基站之间的同步困难、后续电路复杂及监听电路能量利用率低、使用寿命短、使用范围受限和制造成本高的缺点。

为了解决所述技术问题，本发明采取的基本技术方案包括：

低频天线，将接收的基站信号传给唤醒电路；

唤醒电路，将接收的基站信号进行能量耦合，触发监听电路和开关控制逻辑电路，使电源对监听电路和功耗控制器进行供电；

开关控制逻辑电路，电连接于唤醒电路、电源、电源开关组和功耗控制器之间，对电路供电进行逻辑控制；

电源，与开关控制逻辑电路及电源开关组连接，为装置提供电能；

电源开关组，电连接于电源、开关控制逻辑电路、监听电路、功耗控制器、数据采集电路及数字信号处理电路、射频发射电路，用于开启和关闭电源对电路的供电；

数据采集电路及数字信号处理电路，按照功耗控制器对其工作状态的控制进行数据采集及处理，并将处理结果传给射频发射电路；

射频天线，将基站发射的射频信号传给双工器，并将双工器接收的来自射频发射电路的射频信号向基站发射；

双工器，将射频天线接收到的基站所发射的射频信号传给监听电路，将射频发射电路输出的射频信号通过射频天线向基站发射；

监听电路，与电源开关组、功耗控制器、双工器电连接，对射频信号进行检波、滤波和比较的处理，将比较的结果送入功耗控制器；

射频发射电路，接收采集数据处理后的结果并进行调制，向双工器传输射频信号，通过射频天线向基站发射射频信号；

功耗控制器，电连接于开关控制逻辑电路、电源开关组和监听电路，接收监听电路对射频信号的比较结果，并控制电源开关组的开启/关闭的工作状态。

所述电源包含有电源1、电源2和电源3。

所述电源开关组包含有电源开关组1、电源开关组2和电源开关组3。

所述监听电路包含有检波器、滤波器和比较器。

所述射频发射电路包含有调制电路、增益放大器和功率放大器。

所述数据采集电路包含有A/D转换器和传感器。

所述电源开关组1、电源开关组2、电源开关组3与功耗控制器均有连接。

所述电源开关组1与开关控制逻辑电路、监听电路、电源1连接，电源开关组2与数据采集电路、数字信号处理电路、电源2连接，电源开关组3与射频发射电路、电源3连接。

工作时，唤醒电路接收到基站的采集信号的命令而进行短时间段内的能量耦合，对开关控制逻辑电路进行供电，一旦耦合的能量达到预设标称值，就触发监听电路和功耗控制电路。一是利用唤醒电路进行基站信号的判断，使唤醒电路的功能简化，使天线需要耦合的能量变小，需要耦合的时间变短；二是一旦触发了功耗控制电路和监听电路，利用功耗控制器对电源开关组的有效控制，使得监听电路不必时时监听，仅在基站需要节点电路采集、发送数据的时候才进行工作，这大大减少了监听电路的耗能，同时省去了监听电路中昂贵的高精度晶体振荡器的使用，使节点电池也不必一直向节点电路供电，提高了电池能量的利用率、延长了电池的使用时间和整个节点电路的使用寿命。

本发明与现有技术相比，通过节能处理器的控制解决了耦合技术的耦合时间不确定、耦合能量有限、易产生数据冲突和数据采集盲区的问题，消除了睡眠监听电路长时间消耗能量的缺点，使得节点电路在不需要向基站发射信号的时候功耗几近为零，极大地减少非工作状态时的能量消耗，能够大大延长一次性电源的工作时间，增加系统的可靠性；且通过修改通讯协议里的参数可以对节点的工作进行可编程设置，设计方便灵活，制造成本大大降低，适合大范围推广使用。

附图说明

图1为本发明的基本技术方案构成示意图；

图2为本发明的基本技术方案工作流程图；

图3为本发明的拓展技术方案构成示意图；

图4为本发明的拓展技术方案工作流程图；

图5为本发明的功耗控制器内部组成框图。

具体实施方式

本发明的实施例：

实施例一，本发明的基本技术方案，其构成见图1，它包括以下装置：

低频天线，将接收的基站信号传给唤醒电路；

唤醒电路，将接收的基站信号进行能量耦合，触发监听电路和开关控制逻辑电路，使电源对监听电路和功耗控制器进行供电；

开关控制逻辑电路，电连接于唤醒电路、电源、电源开关组和功耗控制器之间，对电路供电进行逻辑控制；

电源，与开关控制逻辑电路及电源开关组连接，为装置提供电能；

电源开关组，电连接于电源、开关控制逻辑电路、监听电路、功耗控制器、数据采集电路及数字信号处理电路、射频发射电路，用于开启和关闭电源对电路的供电；

数据采集电路及数字信号处理电路，按照功耗控制器对其工作状态的控制进行数据采集及处理，并将处理结果传给射频发射电路；

射频天线，将基站发射的射频信号传给双工器，并将双工器接收的来自射频发射电路的射频信号向基站发射；

双工器，将射频天线接收到的基站所发射的射频信号传给监听电路，将射频发射电路输出的射频信号通过射频天线向基站发射；

监听电路，与电源开关组、功耗控制器、双工器电连接，对射频信号进行检波、滤波和比较的处理，将比较的结果送入功耗控制器；

射频发射电路，接收采集数据处理后的结果并进行调制，向双工器传输射频信号，通过射频天线向基站发射射频信号；

功耗控制器，电连接于开关控制逻辑电路、电源开关组和监听电路，接收监听电路对射频信号的比较结果，并控制电源开关组的开启/关闭的工作状态。功耗控制器可以用可编程逻辑器件设计实现，也可以用ASIC(专用集成电路)设计实现。功耗控制器可以独立存在，也可以和“数字信号处理电路”同时存在于可编程逻辑器件中。

所述电源包含有电源1、电源2和电源3。

所述电源开关组包含有电源开关组1、电源开关组2和电源开关组3。

所述监听电路包含有检波器、滤波器和比较器。

所述射频发射电路包含有调制电路、增益放大器和功率放大器。

所述数据采集电路包含有A/D转换器和传感器。

所述电源开关组1、电源开关组2、电源开关组3与功耗控制器均有连接。

所述电源开关组1与开关控制逻辑电路、监听电路、电源1连接，电源开关组2与数据采集电路、数字信号处理电路、电源2连接，电源开关组3与射频发射电路、电源3连接。

以上所述数字信号处理电路的功能详述如下：

对于发射电路：针对调制前的信号进行处理，包括寄存、编码、比较、判别、计数等等，根据应用领域、通信协议、数据类型和算法的不同而不同。

数字信号处理电路是无线传感器网络节点电路都具有的电路。

本发明的基本技术方案的工作流程见图2，并参见图1，其工作原理及流程如下：

第一步，由低频天线接收基站发出的低频唤醒信号进入唤醒电路，在唤醒电路模块中电路对低频天线接收来的信号进行能量累积，并对开关控制逻辑电路供电，当累积存储的能量达到一定的数值时可以触发开关控制逻辑电路，从而打开电源开关组1，由电源1启动功耗控制器和监听电路并向开关控制逻辑电路供电，且功耗控制器工作后通过开关控制逻辑电路，取得对电源开关组1的开启控制，并屏蔽唤醒电路的触发对电源开关组1的控制。

第二步，由于监听电路和功耗控制器已经开始工作，那么射频天线接收基站发射的射频信号，进入双工器，再进入监听电路，由监听电路对射频信号进行检波、滤波和比较的处理，将比较的结果送入功耗控制器，由功耗控制器根据比较的结果所决定的计时1的数值来判断节点电路是否要进行一次数据采集和数据发射。

第三步，分为两种情况：

(a)如果功耗控制器判断出的结果是不需要此节点电路进行数据采集和数据发射，那么功耗控制器就通过开关控制逻辑电路对电源开关组1进行切换，从而关闭电源1对监听电路和功耗控制器本身的供电。此时节点电路再次进入唤醒触发状态，在几近零功耗的情况下等待下一次基站发射的低频信号，重新从第一步开始。

(b)如果功耗控制器判断出的结果是需要节点电路进行数据采集和数据发射，那么功耗控制器就开始计时2；同时功耗控制器通过对电源开关组2进行切换，从而开启电源2对数据采集电路和数字信号处理电路模块的供电，并开始计时3，节点电路开始第一组数据采集和采集后数据的处理工作；同时功耗控制器通过开关控制逻辑电路对电源开关组1进行切换，从而关闭电源1对监听电路的供电而节省能耗。

第四步，计时3结束，功耗控制器通过切换电源开关组3开启电源3，并开启计时4，这是第一组数据采集处理和数据调制发射之间的过渡时间；当计时4计时结束的时候，功耗控制器通过切换电源开关组2关闭电源2，并开启计时5，这是第一组数据调制发射的过程；当计时5结束，第一组数据调制发射完毕，则功耗控制器通过切换电源开关组3关闭电源3，完成了第一组数据采集处理和数据调制发射的过程完成，同时开启计时6，这是第一组和第二组数据采集处理和数据调制发射之间的时间保护间隔。

第五步，计时6结束。功耗控制器通过切换电源开关组2开启电源2对数据采集电路和数字信号处理电路模块供电，并开始计时7，节点电路开始进行第二组数据采集和采集后数据的处理工作。

第六步，当计时7计时结束的时候，功耗控制器通过切换电源开关组3开启电源3，并开启计时8，这是第二组数据采集处理和数据调制发射之间的过渡时间。当计时8计时结束的时候，功耗控制器通过切换电源开关组2关闭电源2，并开启计时9，这是第二组数据调制发射的过程；当计时9结束，第二组数据调制发射完毕，则功耗控制器通过切换电源开关组3关闭电源3，完成了第二组数据采集处理和数据调制发射的过程完成。

第七步，传送次数计数器加1。

第八步，判断传送次数是否小于2。

第九步，分为两种情况：

(a)若传送次数小于2，则开启计时10。当计时10结束的时候，重新进入第三步(b)。

(b)若传送次数不小于2，则计时2结束，传送次数计时器清零，功耗控制器通过开关控制逻辑电路对电源开关组1进行切换，从而关闭电源1，将电源开关组1的控制权由功耗控制器交于唤醒电路。整个电路重新进入第一步的唤醒触发状态。

对以上工作流程中的“计时”说明如下：

计时1：用以判断节点电路是否要进行一次数据采集和数据发射，计时长度由对接收信号的比较结果确定；

计时2：节点电路进行一次完整的数据采集和数据发射过程所需要的时间，可进行编程调节；

计时3：节点电路进行第一组数据采集所需要的时间，可进行编程调节；

计时4：数据采集和发射之间的保护间隔时间，可进行编程调节；

计时5：节点电路进行第一组数据调制和发射所需要的时间，可进行编程调节；

计时6：两组数据采集发射过程之间的等待时间，可进行编程调节；

计时7：节点电路进行第二组数据采集所需要的时间，可进行编程调节；

计时8：数据采集和数据发射之间的保护间隔时间，可进行编程调节；

计时9：节点电路进行第二组数据调制和发射所需要的时间，可进行编程调节；

计时10：两次数据采集发射过程之间的等待时间，可进行编程调节。

实施例二，本发明的拓展的技术方案，其构成见图3，它是在实施例一给出的基本方案基础上扩展的，它还包括以下装置：

所述电源还包含有电源4；

所述电源开关组还包含有电源开关组4；

所述电源4与电源开关组4连接，电源开关组4与功耗控制器连接；

所述射频开关，电连接于双工器、射频接收电路、监听电路、功耗控制器，在功耗控制器的控制下切换信号通道；

射频接收电路，电连接于射频开关和数字信号处理电路，将接收的信号进行放大和解调。

所述射频接收电路包含有低噪声放大器、AGC放大器(即自动增益控制放大器)和解调电路。

所述电源开关组1与射频开关、开关控制逻辑电路、监听电路、功耗控制器连接，电源开关组2与射频接收电路、功耗控制器、电源2连接，电源开关组3与数据采集电路、数字信号处理电路、功耗控制器、电源3连接，电源开关组4与射频发射电路、功耗控制器、电源4连接。

数据采集电路及数字信号处理电路，按照解调电路输出信号的指令信息和功耗控制器对其工作状态的控制进行数据采集及处理，并将处理结果传给射频发射电路；

所述双工器与射频天线、射频开关、射频发射电路连接。

所述射频开关的具体功能：是将双工器接收过来的信号送入监听电路，然后经过功耗控制器的判决来决定是否将双工器接收过来的信号送入射频接收电路。如果需要将双工器接收过来的信号送入射频接收电路，则射频开关在功耗控制器的控制下进行切换，双工器接收过来的信号送入射频接收电路。

射频接收电路的功能：因为从射频天线经双工器过来的信号是射频模拟信号，是已经调制的信号，是微弱的信号，所以射频接收电路的功能有以下两点：

功能一：将微弱的信号放大，以达到后续电路对输入信号的幅度要求，或者说满足后续电路对输入信号驱动能力的要求，所以需要放大器；又因为前级接收电路的噪声较大，而电路只需要有效的信号，所以使用低噪声放大器；因为后续电路对信号强度的要求是在一个范围内的，不能很微弱，也不能过大，所以就使用了AGC(自动增益控制)放大器，可以稳定输出功率以满足后续电路的要求。低噪声放大器加上AGC放大器的组合是非常传统的结构，大多数射频接收电路都是这样处理的。

功能二：由于从射频天线经双工器过来的信号是射频模拟信号，是已经调制的信号，而数字信号处理电路只能处理数字信号，有用的信息就是用数字信号来传达的，所以要将已经调制的信号进行“去调制”，也就是将射频模拟调制信号解调，解调后的数字信号送入数字信号处理电路进行处理。

以上所述数字信号处理电路的功能详述如下：

对于接收电路：针对解调后的信号进行处理，包括校验、解码、寄存、比较、判别、计数等等，根据应用领域、通信协议、数据算法的不同而不同。

对于发射电路：针对调制前的信号进行处理，包括寄存、编码、比较、判别、计数等等，根据应用领域、通信协议、数据类型和算法的不同而不同。

数字信号处理电路是无线传感器网络节点电路都具有的电路。

与实施例一相同的组成器件及功能、连接关系的内容不再重复说明。

本发明拓展的技术方案工作流程见图4，并参见图3，其工作原理及流程如下：

第一步，由低频天线接收基站发出的低频唤醒信号进入唤醒电路，在唤醒电路模块中电路对低频天线接收来的信号进行能量累积，并对开关控制逻辑电路供电，当累积存储的能量达到一定的数值时可以触发开关控制逻辑电路，从而打开电源开关组1，由电源1启动功耗控制器和监听电路并向开关控制逻辑电路供电，且功耗控制器工作后通过开关控制逻辑电路，取得对电源开关组1的开启控制，并屏蔽唤醒电路的触发对电源开关组1的控制。

第二步，由于监听电路和功耗控制器已经开始工作，那么射频天线接收基站发射的射频信号，依次进入双工器、射频开关，然后射频开关在功耗控制器的控制下切换信号通道，使射频信号进入监听电路，由监听电路对射频信号进行检波、滤波和比较的处理，将比较的结果送入功耗控制器，由功耗控制器根据比较的结果所决定的计时1的数值来判断节点电路是否要进行一次数据采集和数据发射。

第三步，分为两种情况：

(a)如果功耗控制器判断出的结果是不需要此节点电路进行数据采集和数据发射，那么功耗控制器就通过开关控制逻辑电路对电源开关组1进行切换，从而关闭电源1对监听电路和功耗控制器本身的供电。此时节点电路再次进入唤醒触发状态，在几近零功耗的情况下等待下一次基站发射的低频信号，重新从第一步开始。

(b)如果功耗控制器判断出的结果是需要节点电路进行数据采集和数据发射，那么功耗控制器就开始计时2；同时功耗控制器通过对电源开关组2进行切换，从而开启电源2对数据采集电路和数字信号处理电路模块的供电，并开始计时3，节点电路开始第一组数据采集和采集后数据的处理工作；同时功耗控制器通过开关控制逻辑电路对电源开关组1进行切换，从而关闭电源1对监听电路的供电而节省能耗；同时，功耗控制器控制射频开关切换信号通道，使射频信号通过射频开关后依次进入低噪声放大器、自动增益放大器(AGC放大器)、解调电路。

第四步，计时3结束，功耗控制器通过切换电源开关组3开启电源3，对数据采集电路和数字信号处理电路模块供电，并开始计时4，节点电路开始进行第一组数据采集和采集后数据的处理工作。

第五步，计时4结束，功耗控制器通过切换电源开关组2关闭电源2，通过电源开关组4开启电源4，并开启计时5，这是第一组数据采集处理和数据调制发射之间的过渡时间；当计时5计时结束的时候，功耗控制器通过切换电源开关组3关闭电源3，并开启计时6，这是第一组数据调制发射的过程；当计时6结束，第一组数据调制发射完毕，则功耗控制器通过切换电源开关组4关闭电源4，完成了第一组数据采集处理和数据调制发射的过程完成，同时开启计时7，这是第一组和第二组数据采集处理和数据调制发射之间的时间保护间隔。

第六步，计时7结束。功耗控制器通过切换电源开关组3开启电源3，对数据采集电路和数字信号处理电路模块供电，并开始计时8，节点电路开始进行第二组数据采集和采集后数据的处理工作。

第七步，当计时8计时结束的时候，功耗控制器通过切换电源开关组4开启电源4，并开启计时9，这是第二组数据采集处理和数据调制发射之间的过渡时间。当计时9计时结束的时候，功耗控制器通过切换电源开关组4关闭电源4，并开启计时10，这是第二组数据调制发射的过程；当计时10结束，第二组数据调制发射完毕，则功耗控制器通过切换电源开关组4关闭电源4，完成了第二组数据采集处理和数据调制发射的过程完成。

第八步，传送次数计数器加1。

第九步，判断传送次数是否小于2。

第十步，分两种情况：

(a)若传送次数小于2，则开启计时11。当计时11结束的时候，重新进入第三步(b)。

(b)若传送次数不小于2，则计时2结束，传送次数计时器清零，功耗控制器通过开关控制逻辑电路对电源开关组1进行切换，从而关闭电源1，将电源开关组1的控制权由功耗控制器交于唤醒电路。整个电路重新进入第一步的唤醒触发状态。

对以上工作流程中的“计时”说明如下：

计时1：用以判断节点电路是否要进行一次数据采集和数据发射，计时长度由对接收信号的比较结果确定；

计时2：节点电路进行一次完整的数据采集和数据发射过程所需要的时间，可进行编程调节；

计时3：节点电路接收射频信号和解调所需要的时间；

计时4：节点电路进行第一组数据采集所需要的时间，可进行编程调节；

计时5：数据采集和发射之间的保护间隔时间，可进行编程调节；

计时6：节点电路进行第一组数据调制和发射所需要的时间，可进行编程调节；

计时7：两组数据采集发射过程之间的等待时间，可进行编程调节；

计时8：节点电路进行第二组数据采集所需要的时间，可进行编程调节；

计时9：数据采集和数据发射之间的保护间隔时间，可进行编程调节；

计时10：节点电路进行第二组数据调制和发射所需要的时间，可进行编程调节；

计时11：两次数据采集发射过程之间的等待时间，可进行编程调节。

在实施例一和实施例二中所述的功耗控制器，其内部构成见图5，它包括以下器件及连接关系：

功耗控制器电源，与电源开关组1连接，为本控制器提供电能；

判决器1、触发器1、计数器1、寄存器1、比较器1、判决器2、多路开关组1依次连接，其中触发器1还与监听电路的比较器连接，比较器1还与触发器2连接，触发器2与多路开关组1连接，多路开关组1与判决器1连接；

多路开关组1与计数器2、寄存器2、比较器2、判决器3、计数器3依次连接，判决器3还与触发器3连接、触发器3与计数器2连接；

计数器3与寄存器3、比较器3、判决器4、触发器4依次连接，其中触发器4又与计数器3连接，寄存器3还与状态标志寄存器连接，状态标志寄存器分别与比较器3、判决器4连接；

计数器3还与寄存器4、比较器4、判决器5、多路开关组2依次连接，比较器4还与触发器5连接，触发器5与多路开关组2连接，多路开关组2分别与电源开关组2、电源开关组3、电源开关组4及射频开关连接。

功耗控制器的工作流程见图2、图4，其工作原理(见图5)说明如下：

第一步，通电后，判决器1取得对开关控制逻辑电路的控制，使得电源1通过电源开关组1对唤醒电路和功耗控制器进行供电；

第二步，收到监听电路的比较器的信号后，对触发器1进行触发，触发的脉冲信号进入计数器1进行计数，由计数器1完成图2和图4中的计时1。计数器1将计数值送入寄存器1进行寄存，然后再送入比较器1和预设标称值进行比较。比较后的结果对触发器2进行触发，产生的脉冲控制信号进入多路开关组1；同时比较后的结果送入判决器2，由判决器2通过对多路开关组1的切换来控制触发器2产生的脉冲控制信号的走向，以此来决定节点电路是否要进行一次数据采集和数据发射。

第三步，分为以下两种情况：

(a)如果功耗控制器判断出的结果是不需要此节点电路进行数据采集和数据发射，则判决器2控制多路开关组1将触发器2产生的脉冲控制信号送入判决器1，然后由判决器1通过开关控制逻辑电路切换电源开关组1，从而关闭电源1对监听电路和功耗控制器本身的控制。此时节点电路再次进入唤醒触发状态，在几近零功耗的情况下等待下一次基站发射的低频信号，重新从第一步开始；

(b)如果功耗控制器判断出的结果是需要节点电路进行数据采集和数据发射，则判决器2通过对多路开关组1的切换将触发器2产生的脉冲控制信号送入计数器2，开始计数。计数值送入寄存器2进行寄存，然后再送入比较器2和预设标称值进行比较。比较的结果送入判决器3，由判决器3根据计数器2的状态来控制触发器3产生脉冲控制信号，脉冲控制信号进入计数器2后控制计数长度，即控制计数器2在一次完整的数据采集传输中的工作周期抓图2和图4中的计时2；同时由判决器3根据计数器2的状态给出计数器3在一次完整的数据采集传输中的工作使能信号。

第四步，计数器3在判决器3输出的使能信号有效后，开始计数。计数值送入寄存器3寄存，然后再送入比较器3和预设标称值进行比较，比较的结果送入判决器4。同时寄存器3寄存的计数值送入状态标志寄存器，由状态标志寄存器根据计数值来控制比较器3，使比较器3在不同计数状态下用不同的预设标称值来和寄存器3输出的计数值进行比较；状态标志寄存器根据计数值也控制判决器4，使判决器4在不同计数状态下根据比较器3的比较结果，用不同的时钟计数长度来触发触发器4，然后由触发器4控制计数器3的每一次计数周期长度。由计数器3完成图2中的计时3至计时10的过程；由计数器3完成图4中的计时3至计时11。

第五步，计数器3在判决器3输出的使能信号有效后，在触发器4的控制下开始计数。计数值送入寄存器4寄存，然后再送入比较器4和预设标称值进行比较，比较后的结果对触发器5进行触发，产生的脉冲控制信号进入多路开关组2；同时比较后的结果送入判决器5，由判决器5通过对多路开关组2的切换来控制触发器5产生的脉冲控制信号的走向，以此来决定节点电路中电源开关组2、电源开关组3、电源开关组4和射频开关的关断逻辑。

通过实施例一和实施例二可以看出，本发明与现有技术比较具有以下优点：

与单一的耦合唤醒电路相比有以下优点：减少唤醒电路中能量存储电路对整个节点电路供电的负担，减少唤醒电路的工作时间和整个节点电路的唤醒时间，增加接收电路灵敏度，避免产生冲突，消除数据采集出现盲区的现象，减少后续电路进行同步操作的复杂度，简化节点电路结构，降低节点电路成本，扩大节点电路的应用领域，使其具有通用型节点电路的性质。

与单一的监听唤醒电路相比有以下优点：省去了昂贵的高精度晶体振荡器的使用，极大地减少了监听电路的工作时间和功耗，使监听电路也处于基于事件触发型的工作方式，与节点电路其他部分一样，只在基站需要采集数据的时候才进行工作，缓解节点电路对电池性能的要求，降低节点电路的大规模生产成本，拓展节点电路的应用领域，使其具有通用型节点电路的性质。

纵观以上两点，本发明使节点电路的能量处于高效率使用状态，提高了电池能量的利用率、延长了电池的使用时间和整个节点电路的使用寿命。

Claims (12)

1.一种无线传感器网络节点电路节能控制装置，它包括：

低频天线，将接收的基站信号传给唤醒电路；

唤醒电路，将接收的基站信号进行能量耦合，触发开关控制逻辑电路，使电源对监听电路和功耗控制器进行供电；

开关控制逻辑电路，电连接于唤醒电路、电源、电源开关组和功耗控制器之间，对电路供电进行逻辑控制；

电源，与开关控制逻辑电路及电源开关组连接，为装置提供电能；

电源开关组，电连接于电源、开关控制逻辑电路、监听电路、功耗控制器、数据采集电路及数字信号处理电路、射频发射电路，用于开启和关闭电源对电路的供电；

数据采集电路及数字信号处理电路，按照功耗控制器对其工作状态的控制进行数据采集及处理，并将处理结果传给射频发射电路；

射频天线，将基站发射的射频信号传给双工器，并将双工器接收的来自射频发射电路的射频信号向基站发射；

双工器，将射频天线接收到的基站所发射的射频信号传给监听电路，将射频发射电路输出的射频信号通过射频天线向基站发射；

监听电路，与电源开关组、功耗控制器、双工器电连接，对射频信号进行检波、滤波和比较的处理，将比较的结果送入功耗控制器；

射频发射电路，接收采集数据处理后的结果并进行调制，向双工器传输射频信号，通过射频天线向基站发射射频信号；

功耗控制器，电连接于开关控制逻辑电路、电源开关组和监听电路，接收监听电路对射频信号的比较结果，并控制电源开关组的开启/关闭的工作状态。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述电源包含有电源1、电源2和电源3。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述电源开关组包含有电源开关组1、电源开关组2和电源开关组3。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述监听电路包含有检波器、滤波器和比较器。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述射频发射电路包含有调制电路、增益放大器和功率放大器。

6.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述数据采集电路包含有A/D转换器和传感器。

7.根据权利要求3所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述电源开关组1、电源开关组2、电源开关组3与功耗控制器均有连接。

8.根据权利要求3所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述电源开关组1与监听电路、并通过开关控制逻辑电路与电源1连接，电源开关组2与数据采集电路、数字信号处理电路、电源2连接，电源开关组3与射频发射电路、电源3连接。

9.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述功耗控制器包括：

功耗控制器电源，与电源开关组1连接，为本控制器提供电能；

判决器1、触发器1、计数器1、寄存器1、比较器1、判决器2、多路开关组1依次连接，其中触发器1还与监听电路的比较器连接，比较器1还与触发器2连接，触发器2与多路开关组1连接，多路开关组1与判决器1连接；

多路开关组1与计数器2、寄存器2、比较器2、判决器3、计数器3依次连接，判决器3还与触发器3连接、触发器3与计数器2连接；

计数器3与寄存器3、比较器3、判决器4、触发器4依次连接，其中触发器4又与计数器3连接，寄存器3还与状态标志寄存器连接，状态标志寄存器分别与比较器3、判决器4连接；

计数器3还与寄存器4、比较器4、判决器5、多路开关组2依次连接，比较器4还与触发器5连接，触发器5与多路开关组2连接，多路开关组2分别与电源开关组2、电源开关组3、电源开关组4及射频开关连接。

10.一种如权利要求1所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于：

所述电源包含有电源1、电源2、电源3、电源4；

所述电源开关组包含有电源开关组1、电源开关组2、电源开关组3、电源开关组4；

数据采集电路及数字信号处理电路，按照解调电路输出信号的指令信息和功耗控制器对其工作状态的控制进行数据采集及处理，并将处理结果传给射频发射电路；

所述双工器与监听电路之间还连接射频开关，将射频天线接收到的基站所发射的射频信号传给射频开关及监听电路和射频接收电路，将射频发射电路输出的射频信号通过射频天线向基站发射；

射频开关，电连接于双工器、射频接收电路、监听电路、功耗控制器，在功耗控制器的控制下切换信号通道；

射频接收电路，电连接于射频开关和数字信号处理电路，将接收的信号进行放大和解调。

11.根据权利要求10所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述射频接收电路包含有低噪声放大器、AGC放大器和解调电路。

12.根据权利要求10所述的无线传感器网络节点电路节能控制装置，其特征在于所述电源开关组1与监听电路、功耗控制器、射频开关连接，并通过开关控制逻辑电路与电源1连接，电源开关组2与射频接收电路、电源2、功耗控制器连接，电源开关组3与数据采集电路、数字信号处理电路、电源3、功耗控制器连接，电源开关组4与射频发射电路、电源4、功耗控制器连接。

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