CN101925325A - 具有自主流传输的无线传感器节点架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感器装置或传感器节点和控制传感器装置工作的方法，其中传感器装置包括至少一个自主流传输模块，且其中探测自主流传输模块的预定内部事件或来自至所述自主流传输模块的智能外壳的接口处的流传输数据的预定外部事件，并且响应于所述探测控制所述自主流传输模块的所述智能外壳之内的部件或子系统的工作模式。

Description

具有自主流传输的无线传感器节点架构
技术领域
本发明涉及一种用于在传感器网络，例如但不限于身体传感器网络中收集传感器数据的传感器装置和方法。
背景技术
长期以来，一直重视在长时间内和日常生活中从人收集医学信息的益处。近年来，很多研究组一直在研究身体传感器网络(BSN)。这些网络是在身体周围，甚至身体内部署并通过数字无线电链路传输其数据的多个传感器或感测装置或感测节点。于是，每个传感器应当分立且尽可能小。
当前已知有很多协议意图作为用于“低功率”网络的协议，因此可能适于BSN。在IEEE Std 802.15.4-2006“Part 15.4：Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks(LR-WPANs)”以及Wei Ye等人的“S-MAC：AnEnergy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”中描述了这种协议的范例。从其自身属性而言，BSN是一种移动网络，例如可以佩戴在身体上或植入身体中。此外，可以提供接入装置或“对照(collating)”装置，其从传感器节点收集数据且也可以佩戴在身体上。
功耗是大多数无线传感器网络应用中的重要问题。例如，在个人健康监测中，可佩戴的和植入的传感器节点装备有非常小的电池，需要在长时间内可工作。尽管应用特性可能在操作传感器节点的方式方面是不同的，但共同的要求是工作模式有能量效率。由于传感器节点的架构对功耗有很大影响，因此需要作出适当选择以满足严格的要求。另一个要求是可靠性。如果节点用于生物医学监测中，即使具有不可预知的硬件行为，它们也需要能可靠地工作。
近来，很多无线传感器节点面市以满足新兴应用不断增长的需要。除了部件(例如，处理器、无线电设备、模数转换器(A/D))创新之外，大部分无线传感器节点是以传统方式构造的，其中，控制处理单元(CPU)或直接内存存取(DMA)装置负责到或者来自外围设备的数据传输。作为范例，B.Calhoun等人在IEEE Trans.on Computers，Vol.54，No.6，2005年6月的文章“Design Considerations for Ultra-low Energy Wireless Microsensornodes”中描述了用具有独立电压和频率岛(island)的模块构建的基于DMA的传感器节点，以改善总体能量效率。当缓冲区满时产生的事件用于触发相关联模块的工作。尽管使用DMA在移动数据方面比CPU更有能量效率，但两种方法都有很多相关的缺点。
第一，缺少可预测性，这是因为如下事实：CPU和DMA装置是基于中断工作的共享装置，这使得在可能丢失服务请求的意义上它们在本质上是不可预测的。这种缺少可预测性甚至可以导致对关键事件的非实时响应，对于实时报警应用而言这是不可接受的。在所提出的发明中，消除了数据传输中的任何不可预测性，使得整个系统更加鲁棒。
第二，从部件之间数据传送的角度来讲产生了传输开销，CPU或DMA装置连同其附带的操作协议导致开销，实质上降低了能量效率。
第三，缺少硬件可扩展性，这是因为如下事实：DMA装置是中心共享资源，在传感器节点需要改变具有显著不同性能要求的工作模式和/或处理来自多个传感器单元的多个数据流时，主要由于DMA通道数量有限的原因，DMA装置不容易扩展。
第四，程序设计的复杂性，这是因为如下事实：从应用程序设计员的角度来讲，(重新)配置DMA装置和/或外围装置不是简单的任务，可能导致非最佳工作模式。此外，对于能量效率而言，在部件暂时不需要时将其关闭可能是极为有利的。令人遗憾的是，这常常需要很大量的程序设计工作(因此，有时甚至完全被忽略)，因为由于内在的唤醒时间(与例如加电和/或稳定化有关)的原因，唤醒部件并不是简单的小事，需要以某种方式在应用程序中将唤醒时间加以考虑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的传感器架构和感测方法，通过利用无线传感器节点中部件间的数据流特性来减轻或防止所提到的缺点。
这一目的是通过权利要求1所述的传感器装置或权利要求11所述的方法实现的。
因此，可以提供“自主”数据传输机构，其避免使用CPU或DMA装置，因此提供了最小功耗。此外，可以实现自主唤醒和/或休眠机构，其中根本不涉及CPU，因此也减小了程序设计的复杂性。通过引入将具有简单而统一的程序员接口(例如打开、关闭、读、写、输入/输出控制)的自主流传输模块，便于软件(驱动程序)的可移植性且自动系统生成是可能的。于是，所提出的基于自主流传输模块的系统架构提供了有能量效率的无线传感器节点整合(integration)。可以由封装在智能外壳中的子系统或部件构建自主流传输模块，智能外壳探测预定内部事件或来自流传输数据的事件，并控制子系统或部件的活动。流传输范式允许子系统以最低可能开销彼此通信，由此改善系统级的功率效率。除此之外，所提出的方案增强了系统级性能的可预测性，降低了程序设计的复杂性并表现出更好的硬件可扩展性。
控制单元可以适于基于计时器产生的内部事件控制部件或子系统的工作模式，使得子系统或部件工作模式或工作状态独立于时间的控制成为可能。
此外，可以提供一种共享的控制总线和基于连接的流传输通道，所述共享的控制总线用于配置和监测所述部件或子系统，所述流传输通道用于在可提供的至少一个自主流传输模块的部件或子系统之间传输数据。由此，可以将流传输通信与控制信令分开。
智能外壳可以包括控制单元、适于基于流内容产生所述外部事件的流通信端口和适于解释所产生的外部事件的本地管理器。这种模块化和自主拓扑结构使得传感器节点有能量效率的工作。在特定范例中，本地管理器可以包括工作控制器，用于基于所探测事件和所述部件或子系统的状态中的至少一个控制所述工作模式。
此外，可以在所述至少一个自主流传输模块的一个中提供流传输通信子系统，所述流传输通信子系统包括交换网络和连接调度器，其中所述连接调度器适于控制所述交换网络以基于提供给所述连接调度器的控制信息提供连接。由此，可以通过控制和状态总线预先配置流传输连接。
传感器节点的控制单元可以包括至少一个通信端口，用于提供至部件或子系统的通信链路。
此外，可以提供流接口模块，所述流接口模块包括在流传输通道一侧的输入寄存器和在所述子系统或部件一侧的输出寄存器以及事件探测器，所述事件探测器用于基于所述输入和输出寄存器中的至少一个的内容发送事件。于是，可以基于输入和输出寄存器中的流传输数据产生事件信号。
所述至少一个控制单元可以适于从激活模式、待机模式和休眠模式中选择所述工作模式。例如，可以通过控制部件或子系统的电源和时钟供应来实现工作模式的设置。
下面限定其他有利的实施例。
附图说明
现在将通过举例的方式，基于实施例并参考附图描述本发明，附图中：
图1示出了带有传感器网络和对照装置的示意性人体；
图2示出了根据实施例的无线传感器架构的示意方框图；
图3A到3D示出了根据实施例的无线传感器架构中的示范性信息流；
图4示出了根据实施例的自主子系统架构的示意方框图；
图5示出了根据实施例的基于流传输的数据处理的示意性信令图；
图6示出了根据实施例的流传输通信子系统架构的示意方框图；
图7示出了根据实施例的子系统控制器架构的示意方框图；
图8示出了根据实施例的流接口模块的示意性方框图；以及
图9示出了根据实施例的流接口模块的示意性方框图。
具体实施方式
现在将基于BSN系统(作为无线传感器网络的范例)描述本发明的各实施例。
图1示出了在身体上具有多个附着传感器节点或装置110的位置的BSN系统的示意图。除了位于身体周围或植入身体中的传感器节点110之外，BSN系统还可以包括一个或多个接入或对照装置120、130，其从传感器节点110接收信号或感测数据，可以将其配置成向中央服务器(未示出)上载接收到的信息。
在图1的示范性布置中，移动接入或对照装置120被配置成佩戴于身体的某处(例如，在腰带上)，和/或备选地可以集成到电子装置中，例如移动电话中，其可以通过任何方式携带。此外，固定的接入或对照装置130可以位于特定区域中(例如在家中，例如在起居室和卧室中)，可以从市电电源取电并配置成在用户位于其附近时收集数据。
可以在传感器节点110中提供不同种类的传感器。例如，用于感测其所附着的身体区域温度的传感器。一个人可以佩戴一个或多个这些传感器，以测量躯干上和四肢处的身体上/内的温度。此外，可以提供传感器以感测血液中的氧饱和度，这通常是通过监测血液的“红度”通过皮肤测量的。可以佩戴另一种传感器来探测佩戴者的运动和活动水平。研究表明，这也能够推断出当前的活动(坐、走、跑等)。可以提供另一个传感器以通过读取横跨心脏的皮肤处的差分电压测量心脏跳动时产生的电信号。其他传感器可以使用传统的“袖口”机构或使用心跳和脉搏到达四肢之间的定时信息来探测呼吸和咳嗽的速率、走的步数(计步器)、血压。
根据该实施例，提供了一种系统架构，该架构基于自主流传输模块(ASM)，以实现有能量效率的无线传感器节点(WSN)整合。ASM是由封装在智能外壳中的部件或子系统构建的，智能外壳探测来自流传输数据的预指定事件并控制子系统的活动或工作模式。每个智能外壳控制所分配子系统部件的工作模式。这种控制是由控制管理器提供的，控制管理器监测智能外壳接口处的“数据”事件和/或例如由本地计时器等导致的内部产生的事件。通过控制(或配置)块布置智能外壳及其嵌入部件的配置状态监测。部件的典型范例是数字传感器接口、到模数(A/D)和数模(D/A)转换器的接口、存储磁芯、处理器内核和收发器块。
图2示出了所提出的无线传感器节点架构的实施例的示意方框图。该系统由如下部件构成：用于管理系统工作的中央处理单元(CPU)20-1、用于处理计算密集型任务的数字信号处理器(DSP)20-2以及用于和外部世界接口的若干外围设备，例如ADC 40-1、系统分组接口(SPI)40-2、计时器40-3、输入/输出(I/O)接口40-4、无线电单元40-5。无线电单元40-5提供了到无线电天线60的连接，在无线电天线60处可以发射在无线电单元40-5中产生的无线电信号。以上外围设备、CPU 20-1和DSP 20-2可以经由用于数据交换的流传输通道30连接并经由控制和状态总线(或总线系统)10而受到控制。
于是，通过用智能外壳“包装”子系统或部件而构建了自主子系统。每个智能外壳都可以被视为在被包装或包围的子系统和部件与外部电路之间，例如控制和状态总线10和流传输通道30之间提供智能接口的电路。由此可以实现通信信道的清晰分离，其中在部件或子系统之内提供了紧密耦合的局部通信(例如，程序和数据存储器接入到CPU 20-1和DSP 20-2的子系统中)。此外，提供共享的控制和状态总线10以配置和监测部件或子系统，并提供基于连接的流传输通道30用于在部件或子系统之间传输数据。由此，可以处理硬件事件以实现受保证且低开销的数据传输。
图3A到3D示出了图2的无线传感器架构中的示范性信息流，以表明部件或子系统在所提出的传感器节点架构中是如何交互的。
在图3A中，CPU 20-1通过配置外壳而对系统进行初始化。在本范例中，将ADC 40-1配置成以一定速率向DSP 20-2递送样本。同样地，无线电单元40-5和SPI接口40-2配置用于接受输出数据流。
在图3B中，完成了初始化，并且ADC 40-1开始流输入样本，该样本是在DSP 20-2的外壳中累积的。
在图3C中，预限定数量的样本已经到达，并且DSP 20-2的外壳唤醒DSP 20-2，DSP 20-2然后处理收集的样本并向CPU 20-1的外壳流输出结果。在探测到事件时，例如在已经从DSP 20-2接收到特定数量的样本时，CPU外壳唤醒CPU 20-1。基于DSP分析的结果，CPU 20-1决定做什么。
在这种情况下，如图3D所示，它通过无线电单元40-5发送消息并保存经由SPI接口40-2存储在闪存中的备份拷贝。
图4示出了自主传感器节点子系统的架构实施例的示意方框图。智能外壳是由能实现子系统202的有能量效率工作的模块构建的。智能外壳或包装包括控制单元201，CPU 20-1使用控制单元201设置子系统202或包装中的配置寄存器并发送状态信息。此外，从FIFO(先进先出存储器或串行移位寄存器)构建的流通信端口或流接口模块205能够基于流的内容产生事件。此外，本地管理器204解释来自流接口模块205和计时器203的事件以基于对应的输入(VDD，时钟)控制工作电压(xVDD)和时钟(xClk)。计时器203可以是任选的，其产生一些子系统可能需要的正则事件(例如A/D转换器40-1、CPU 20-1、无线电单元40-5......)。
图5示出了根据实施例的基于流传输的数据处理的示意性信令图，这是基于流传输的任务执行的基本原理。如图5右侧的处理图所示，控制单元201的控制功能在发出命令(pstart)以触发工作开始之前检查来自输入和输出FIFO(istate和ostate)的事件和处理器状态(pstate)。尽管在时序图中，分别检查信号istate和ostate的空和满情况，更灵活的方式是将预限定数量的输入数据样本与输出存储位置相关联作为事件。
图6示出了根据实施例的流传输通信子系统架构的示意方框图。这个子系统的功能是建立通信装置，例如发送器(S0到SN)和接收器(R0到RN)之间的链路。链接哪一对装置取决于连接调度器302的控制，连接调度器302可以是控制交换网络303的交换状态的数字电路，由交换网络303可以有选择地连接发送器和接收器之间的连接。由CPU 20-1经由到控制和状态总线10和控制单元301的接口预先配置连接。根据应用的动态，外壳或包装中的本地管理器304通过控制电源电压VDD和时钟频率“时钟”来确定最佳工作条件。来自流传输通道的事件用于触发本地管理器304的工作。
图7示出了根据实施例，智能外壳中的子系统控制器架构，例如图4的控制单元201或图6的控制单元301的示意方框图。具有寄存器Reg[0..N]的寄存器组2012用于存储由CPU 20-1发送的配置数据以及由子系统202产生的状态信息。控制逻辑2011负责解释配置数据并采取动作来确定受控子系统202、流接口模块205和本地管理器204的工作模式。作为范例，使用四个端口端口0到端口3将控制器链接到相应的部件。
图8示出了图4的流接口模块205的示意方框图。在流传输通道一侧，经由sdata(di，do)、valid(vi，vo)和accept(ai，ao)信号连接输入FIFO 2052和输出FIFO 2053。在子系统一侧，示出了相应的任选接口适配器2051-1和2051-2，其可能是必要的——在子系统接口协议与FIFO 2052、2053的接口协议不同时。事件探测器2054基于输入控制信号Ni(iFIFO数据元的数量)、No(oFIFO数据元的数量)和roi(感兴趣范围)产生供本地管理器204使用的事件信号“事件”。
图9示出了可以提供在图4的本地管理器204中的流接口模块的示意方框图。基于来自流接口模块205和/或计时器203的事件和子系统202的状态，工作控制器块2043决定子系统202的工作模式，例如激活、待机或休眠模式。基于所选的工作模式由相应的开关或门电路2041-1和2041-2闭合或打开电源和时钟门，工作模式例如是激活模式(电源门xVDD＝“开”而时钟门xClk＝“开”)，待机模式(电源门xVDD＝“开”而时钟门xClk＝“关”)和休眠模式(电源门xVDD＝“关”而时钟门xClk＝“关”)。
根据子系统202的最佳工作情况，可以动态调节电源电压和时钟频率。可以通过发送到稳压器(未示出)的控制信号vddctrl实现电压适配。此外，提供可配置的本地时钟管理器2042以基于配置和时钟输入为子系统2042和外壳部件产生适当的时钟clk_timer。
总之，已经描述了传感器节点和控制传感器节点工作的方法，其中传感器节点包括至少一个自主流传输模块，且其中探测自主流传输模块的预定内部事件或来自至自主流传输模块的智能外壳的接口处的流传输数据的预定外部事件，并响应于该探测来控制自主流传输模块的智能外壳之内的部件或子系统的工作模式。
可以将所提出的架构和处理用于既需要能量效率又需要可预测性的任何种类的传感器系统中。于是，来自无线或非无线传感器网络的成长领域的各种应用可能受益于所提出的创意。例如，在保健应用中，远程(患者和/或老人)监测服务具有直接意义。对于这些应用而言，在能够连续监测和记录患者情况并在异常时向附近和/或远程服务中心发出实时报警消息时，极其可靠、容易使用、不引人注目且低成本的无线身体传感器节点具有巨大潜在价值。与现有的WSN架构不同的是，所提出的架构为以上很多要求提供了有能量效率的方案。而且，对于存在类似的要求不过尺度要严格得多(例如电池容量)的将来的体内医疗装置而言，所提出的架构也可能是有用的。或者，在生活和照明应用中，正在考虑各种WSN应用，对于电池供电的节点而言，它们可能受益于所提出的架构。
以上实施例也可以实施于很多领域中的身体耦合或基于身体的系统中或其他无线或非无线传感器网络中。
尽管已经在附图和上述说明中详细示出和描述了本发明，但是应当将这样的图示和说明看作是说明性或示例性的，而不是限定性的。本发明不限于所公开的实施例。通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这样的修改可能涉及现有技术中已知的其他特征，可以采用所述其他特征代替或者补充文中描述的特征。
通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员能够理解并实施针对所公开的实施例的变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。尽管在所附权利要求中未主张权利要求特征的所有可能的子组合，但旨在也将权利要求特征的未主张子组合的任何组合包括在所主张发明的保护范围下。基于对应的软件例程，单个处理器或其他单元可以实现图4的方框201到205、图6的方框301到304、图8的方框2052到2054和/或图9的方框2042和2043的功能。可以将计算机程序存储/分布在适当的介质当中，例如，所述介质可以是光存储介质或者与其他硬件一起提供的或者作为其他硬件的部分提供的固体介质，但是，也可以使所述计算机程序通过其他形式分布，例如，通过因特网或者其他有线或无线电信系统。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。不应将权利要求中的任何附图标记推断为限制其范围。

Claims (13)

1.一种用于传感器网络中的传感器装置(110)，所述传感器装置包括：
a)至少一个自主流传输模块，每个所述自主流传输模块具有封装在智能外壳中的部件或子系统(202)；以及
b)至少一个控制单元(201，204；301，304)，用于探测所述自主流传输模块的预定内部事件或来自至所述智能外壳的接口处的流传输数据的预定外部事件，并用于响应于所探测到的事件来控制所述部件或子系统(202)的工作模式。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述控制单元(201)适于基于由计时器(203)产生的内部事件来控制所述部件或子系统(202)的所述工作模式。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，还包括共享的控制总线(10)和基于连接的流传输通道(30)，所述共享的控制总线(10)用于配置和监测所述部件或子系统(202)，所述流传输通道(30)用于在所述至少一个自主流传输模块的部件或子系统(202)之间传输数据。
4.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述智能外壳包括所述控制单元(201；301)、适于基于流内容产生所述外部事件的流通信端口(205)和适于解释所述产生的外部事件的本地管理器(204)。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中，所述本地管理器(204)包括工作控制器(2043)，用于基于所探测事件和所述部件或子系统(202)的状态中的至少一个来控制所述工作模式。
6.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，在所述至少一个自主流传输模块的一个中提供流传输通信子系统，所述流传输通信子系统包括交换网络(303)和连接调度器(302)，其中所述连接调度器(302)适于控制所述交换网络(303)以基于供应给所述连接调度器(302)的控制信息提供连接。
7.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述控制单元(201，301)包括用于向所述部件或子系统(202)提供通信链路的至少一个通信端口(端口0-端口3)。
8.根据权利要求1或2所述的传感器装置，还包括流接口模块，所述流接口模块包括在流传输通道一侧的输入寄存器(2052)和在所述子系统或所述部件一侧的输出寄存器(2053)以及事件探测器(2054)，所述事件探测器(2054)用于基于所述输入和输出寄存器(2052，2053)中的至少一个的内容发送事件的信号。
9.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述至少一个控制单元(201，204；301，304)适于从激活模式、待机模式和休眠模式中选择所述工作模式。
10.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述至少一个控制单元(201，204；301，304)适于通过控制所述部件或子系统(202)的电源和时钟供应来设置所述工作模式。
11.一种控制传感器装置或传感器节点的工作的方法，所述方法包括：
a)探测自主流传输模块的预定内部事件或来自至所述自主流传输模块的智能外壳的接口处的流传输数据的预定外部事件；以及
b)响应于所述探测控制所述自主流传输模块的所述智能外壳之内的部件或子系统的工作模式。
12.一种包括代码工具的计算机程序产品，当所述代码工具在计算机装置上运行时，其用于执行权利要求11所述的步骤。
13.一种身体传感器网络，所述身体传感器网络包括多个根据权利要求1所述的传感器装置(110)和用于从所述传感器装置(110)收集数据的至少一个接入装置。
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