CN102017527A - 用于低功率传感器节点的唤醒设备和唤醒方法 - Google Patents

用于低功率传感器节点的唤醒设备和唤醒方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于低功率传感器节点的唤醒设备和唤醒方法，且更具体地，提供了一种以下用于低功率传感器节点的唤醒设备和唤醒方法，其可以通过使传感器节点的不必要功耗最小化，来延长传感器节点的电池寿命并且使得由整个传感器网络功率消耗的功率量最小化。所述用于低功率传感器节点的唤醒设备包括：唤醒信号检测器，用于接收和检测传感器节点的唤醒信号；唤醒射频(RF)电路单元，用于对该唤醒信号进行滤波和放大；以及唤醒基带变换器，用于从该唤醒信号中检测唤醒地址，并且对该唤醒地址与从用以管理该传感器节点的服务器提供的唤醒地址进行比较和验证。如果当验证该唤醒地址时没有检测到误差，则该唤醒设备输出用于传送该传感器节点的感测事件的中断信号，或者输出其中要感测该中断信号的区域中的另一传感器节点的唤醒地址。

Description

用于低功率传感器节点的唤醒设备和唤醒方法
技术领域
本发明涉及一种用于低功率传感器节点的唤醒设备和唤醒方法，且更具体地，涉及一种以下唤醒设备和唤醒方法，其可以通过使传感器节点的不必要功耗最小化，来延长传感器节点的电池寿命并且使由整个传感器网络消耗的功率量最小化。
本发明源自于由信息和通信部(MIC)以及信息技术(IT)推进学院(IITA)的信息技术研究和开发(R&D)计划支持的研究项目[2005-S-106-03，Technology Development of Sensor Tag and Sensor Node for RFID/USN]。
背景技术
ZigBee(紫蜂)或无处不在(ubiquitous)传感器网络的主要特征之一在于它提供和控制低功率系统。ZigBee或无处不在传感器网络基于IEEE 802.15.4-2006标准来使用868.3MHz、915MHz、和2.45GHz的频带。可以根据所使用的频带来对可用信道、数据的传送速度、和传送方法进行分类。
在包括家庭网络系统的各种应用领域中使用ZigBee或无处不在传感器网络。
例如，可以根据商用传感器的类型以及森林火灾方面的火灾感测、工厂设施的控制和管理、家庭网络自动化系统和设施观测、以及医院中的病人管理的领域，来广泛地对ZigBee或无处不在传感器网络进行分类。
传统地，为了减少在各种无处不在传感器网络中使用的传感器节点的功耗，已经进行了通过使用软件来控制调度管理、通信、数据传送等的低功率系统的实现方面的研究和开发。
这种低功率系统主要具有用于减少整个传感器网络的功耗的功能，而不是用于减少或控制每个传感器节点的功耗的功能，并因而，当控制和管理单独传感器节点和低功率系统时，产生困难。
发明内容
技术问题
在这里，使用一种用于控制单独传感器节点的方法，来使得无处不在传感器网络中的功耗最小化。例如，已经针对可以减少在传感器节点中使用的功率源单元的功耗的功率源单元的开发、以及具有无线通信功能的无线通信新结构的提供进行了研究。
为了开发功率源单元，已经进行了涉及用于收集能量的太阳能电池的研究。同样，已经提出了用于通过简化传感器节点的结构并使得在睡眠状态中的时候能够仅当必要时才进行唤醒来减少功耗的方法。
技术方案
本发明提供了一种用于通过有效地使用低功率传感器节点的电池功率源来增加该传感器节点的能量效率的唤醒设备和唤醒方法。
本发明还提供了一种用于当先前向特定传感器节点提供的唤醒地址与在从服务器接收的唤醒信号中包括的唤醒地址相同时、唤醒处于睡眠状态中的该传感器节点的方法。
有益效果
根据本发明，唤醒设备和唤醒方法可以使得无处不在传感器网络和传感器节点的功耗最小化。所述唤醒设备和唤醒方法作为无线信号来传送特定唤醒结构的唤醒地址信号，使得可以通过识别和验证唤醒地址信号而利用外部中断信号来驱动传感器节点和传感器网络。相应地，通过使不必要的功耗和噪声最小化，可以有效地使用传感器节点的电池，并且可以使传感器网络的功耗最小化。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明的示范实施例，本发明的上面以及其他特征和优点将变得更加明显，其中：
图1是图示了应用了根据本发明的传感器节点唤醒设备和传感器节点唤醒方法的ZigBee或无处不在传感器网络的结构的视图；
图2是图示了根据本发明实施例的用于传感器网络中的低功率传感器节点的传感器节点唤醒设备的结构的视图；
图3是图示了根据本发明实施例的用于生成和提供用于低功率传感器节点的唤醒设备的唤醒信号的唤醒帧的视图；
图4是根据本发明实施例的用于对单独传感器节点的唤醒设备和传感器网络进行初始化的处理的流程图；
图5是根据本发明实施例的用于在传感器节点唤醒设备中提供唤醒地址的处理的流程图；
图6是根据本发明实施例的用于在服务器中通过汇聚(sink)节点来向特定传感器节点的唤醒设备传送唤醒地址的信息的处理的流程图；
图7是根据本发明实施例的用于通过汇聚节点或传感器节点来向传感器节点唤醒设备传送特定唤醒地址的传送模式的视图；以及
图8是根据本发明实施例的用于通过传送传感器节点唤醒设备的唤醒地址来操作传感器节点和传送唤醒信号的处理的流程图。
具体实施方式
最佳模式
根据本发明的一方面，提供了一种用于低功率传感器节点的唤醒设备，包括：唤醒信号检测器，用于接收和检测传感器节点的唤醒信号；唤醒射频(RF)电路单元，用于对该唤醒信号进行滤波和放大；以及唤醒基带变换器，用于从该唤醒信号中检测唤醒地址，并对该唤醒地址与从用以管理该传感器节点的服务器提供的唤醒地址进行比较和验证，并且如果当验证该唤醒地址时、没有检测到误差，则输出用于传送传感器节点的感测事件的中断信号，或者输出其中要感测该中断信号的区域中的另一传感器节点的唤醒地址。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于低功率传感器节点的唤醒方法，该方法包括：接收和检测传感器节点的唤醒信号；对所接收和检测的唤醒信号进行滤波和放大；通过从所滤波和放大的唤醒信号中检测唤醒地址，来对地址与从用以管理该传感器节点的服务器提供的唤醒地址进行比较和验证；以及如果在该地址的检测操作中没有检测到误差，则输出用于传送传感器节点的感测事件的中断信号，或者输出其中要感测该中断信号的区域中的另一传感器节点的唤醒操作信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种低功率传感器节点，包括：唤醒设备单元，用于检测输入信号的唤醒地址，并且对所检测的唤醒地址与从服务器提供的唤醒地址进行比较和验证，并且如果当验证该地址时、没有生成误差，则输出用于传送感测事件的中断信号，或者输出唤醒操作信号；功率源设备管理单元，用于接收该中断信号或该唤醒操作信号，并且供应功率；以及主RF设备单元，用于在供应功率之后，传送该感测事件并且输出该唤醒操作信号。
发明模式
现在，将参考附图来详细地描述根据本发明的示范实施例。
本发明涉及一种用于在长时间中进行操作而无需更换电池的超低功率传感器节点，这是形成用于实现无处不在社会的基础的无处不在传感器网络(USN)中的实质问题。
由本发明提出的唤醒技术是用于仅当需要传感器节点中的传送/接收装置时、才通过使用无线信号来唤醒该装置的唤醒技术，并且它涉及一种可以实现超低功率无线传送/接收电路的唤醒方法和唤醒系统操作技术。
图1是图示了应用了根据本发明的传感器节点唤醒设备和传感器节点唤醒方法的ZigBee或无处不在传感器网络的结构的视图。
ZigBee或无处不在传感器网络包括：多个传感器节点102，处于睡眠状态或操作状态中；以及汇聚节点101，用于传送唤醒地址，以便将特定的传感器节点102从睡眠状态中唤醒，并且在操作状态中向/从传感器节点102传送/接收数据。
通过汇聚节点101来向用户的服务器106传送从传感器节点102接收的数据，并且服务器106对用于传感器节点102的感测信息进行归类，并且控制传感器节点102。
无处不在传感器网络包括汇聚节点101以及传感器节点102、宽带融合网络(BcN)环境104、和服务器。
BcN向服务器106传送在传感器节点102中收集的信息，或者从服务器106向传感器节点102传送用于唤醒传感器节点的唤醒地址信号。
图2是图示了根据本发明实施例的用于传感器网络中的低功率传感器节点的传感器节点唤醒设备的结构的视图。
传感器节点唤醒设备200包括：唤醒信号检测器201，用于从服务器106检测通过汇聚节点101而传送的唤醒信号；唤醒射频(RF)电路202，用于通过对所检测的唤醒信号进行滤波、放大、和比较来检测线性信号；以及唤醒基带变换器203，用于识别所接收的唤醒帧中的唤醒信号和地址。
具有包括了唤醒数字电路单元的结构的唤醒基带变换器203包括用于生成中断信号的电路，所述中断信号用于提取和侦测唤醒帧、提取和侦测唤醒地址、唤醒传感器节点，并且唤醒基带变换器203还包括独立的中央处理单元(CPU)接口。
接收到传感器节点的唤醒操作信号的微控制器211通过功率源管理设备212来对数字收发器213、传感器接口214、主RF块220进行加电，并且管理传感器节点的操作。
微控制器211在传感器节点的操作期间管理通过传感器接口214而收集的各条感测信息。
功率源管理设备212对传感器节点进行加电，使得通过主RF块220而向/从服务器106传送/接收在传感器节点102中收集的信息。
同样，传感器节点102互相传送/接收通过主RF块220而收集的信息。
图3是图示了根据本发明实施例的用于生成和提供用于低功率传感器节点的唤醒设备的唤醒信号的唤醒帧的视图。
服务器106可以根据用户的应用来预先存储相关传感器节点的地址信息，并且可以根据所存储的传感器节点的数目来分配唤醒地址信息。
唤醒帧包括前同步码字段300、开始分组字段310、数据(模式、唤醒地址)字段320、和奇偶字段350。
前同步码字段300用于执行唤醒帧的同步。将包括4比特到8比特的开始分组字段310用作数据字段320的定界符。数据字段320包括2比特的模式字段330和14比特的唤醒地址字段340。数据字段320包括至少16比特。
当模式字段330是“00”时，如果在寄存器(即，唤醒数字电路单元的寄存器)中记录的单播唤醒地址值与唤醒地址字段340一致，则单播唤醒模式进行操作。当模式字段330是“01”时，唤醒地址字段变为多播组地址，并且如果在寄存器中记录的组地址值与唤醒地址字段一致，则多播唤醒模式进行操作。当模式字段330是“11”时，并且当唤醒地址字段340全部是“1”时，广播唤醒模式操作为广播。
在检测开始分组字段310之后，通过曼彻斯特(Manchester)解码方法和奇偶测试来对数据字段320执行数据字段320的误差测试。
在唤醒帧之前传送具有最大功率的突发信号，以便接收唤醒帧信号。
通过对开始分组字段310、对应用了曼彻斯特解码方法的数据字段320的模式字段330和唤醒地址字段340、并对唤醒帧中的奇偶字段350执行信号检测和误差测试，来降低生成错误唤醒信号的概率。
传感器节点唤醒设备200通过寻找和验证从服务器接收到的唤醒信号的开始分组字段310和数据字段320来唤醒传感器节点102。
当在数据字段320中包括的唤醒地址与先前提供的唤醒地址相同时，传感器节点102周期性地向服务器传送ACK信号。
可以使用用于通过检测唤醒地址来唤醒特定传感器节点的单播方法、用于唤醒全部节点的广播方法、或用于唤醒多个传感器节点的多播方法，来传送唤醒帧的模式字段330。
可以使用开/关键控(OOK)传送方法或曼彻斯特编码方法来传送唤醒帧的信息。
同样，可以使用OOK传送方法或曼彻斯特编码方法来传送唤醒地址的信息。
可以按照各种方式来形成根据本发明实施例的用于识别特定唤醒地址并提供到唤醒结构的方法，并且它不限于以上的方法。
图4是根据本发明实施例的用于对单独传感器节点的唤醒设备和传感器网络进行初始化的处理的流程图。
服务器106根据用户的应用来搜索传送方法和频率信道(S410)。
服务器106根据用户的应用来搜索传感器节点(S420)，并且通过对应的传感器节点唤醒设备的主RF 220来引导微控制器211和传感器节点唤醒设备(S440)，并然后，对唤醒系统进行初始化(S450)。
此时，传感器节点可以以加电状态来执行无线通信。
在对唤醒系统进行初始化之后，服务器106向微控制器和传感器节点唤醒设备提供用于操作传感器网络的信息，并且提供用于每个传感器节点的具体唤醒地址。
服务器106通过使用所提供的唤醒地址信息来管理特定传感器节点的唤醒功能。
被提供了唤醒地址的传感器节点处于睡眠状态，并且等待通过汇聚节点102而从服务器106传送的唤醒信号。
图5是根据本发明实施例的用于在传感器节点唤醒设备中提供唤醒地址的处理的流程图。
服务器106根据用户的应用来对在服务器中存储和分配的唤醒地址进行划分(S510)。
服务器106首先识别出在寄存器中划分的唤醒地址信息与对应传感器节点的具体唤醒地址信息是否一致(S520)。
服务器106根据用户的应用或数据字段的模式来向每个传感器节点的唤醒设备提供唤醒地址(S530)。
在传感器网络和传感器节点的系统初始化操作中，向唤醒基带变换器的唤醒数字电路单元提供传感器节点102，并且识别是否按照与对应唤醒设备的唤醒地址相同的方式来对唤醒地址进行划分(S540)。
当按照相同的方式来在唤醒数字电路中对唤醒地址进行划分时，向汇聚节点101或服务器106发送用于识别唤醒地址的ACK信号，并且汇聚节点101或服务器106根据ACK信号来管理对应的信息(S550)。
图6是根据本发明实施例的用于在服务器中通过汇聚节点来向特定传感器节点的唤醒设备传送唤醒地址的信息的处理的流程图。
图7是根据本发明实施例的用于通过汇聚节点或传感器节点来向传感器节点唤醒设备传送特定唤醒地址的传送模式的视图。
可以根据用户的应用而按照各种传送模式来管理向每个传感器节点的唤醒设备提供的唤醒地址。
传感器节点可以根据唤醒模式的信息而以单播传送模式、广播传送模式、和多播传送模式来执行唤醒管理。
传感器节点通过汇聚节点101来接收唤醒信号，并且传感器节点唤醒设备根据在唤醒信号中包括的唤醒地址的信息是否与先前提供的唤醒地址一致，来驱动传感器节点和传感器网络。
在用于对传感器网络和传感器节点进行初始化的操作中，可以通过在传感器节点中存储的路由信息来向汇聚节点或传感器节点传送唤醒信号。
<单播传送模式>
在特定传感器节点唤醒设备中接收通过汇聚节点101从服务器传送的唤醒信号，并且接收到唤醒信号的传感器节点通过识别唤醒信号的地址信息来对微控制器进行加电，从而使得能够与汇聚节点101传送/接收传感器节点的感测事件。
<广播传送模式>
通过唤醒整个传感器网络中的每个传感器节点而在预定的时间段中或者预定地驱动所有传感器节点，以便向/从汇聚节点或传感器节点传送/接收传感器节点的感测事件。
<多播传送模式>
从睡眠状态中唤醒在分布于传感器网络中的传感器节点中选择的一些传感器节点，以便向/从汇聚节点或传感器节点传送/接收传感器节点的感测事件。
图8是根据本发明实施例的用于通过传送传感器节点唤醒设备的唤醒地址来操作传感器节点并传送唤醒信号的处理的流程图。
在传感器网络和传感器节点的初始化操作中，通过引导传感器节点和唤醒设备的唤醒系统来完成初始化操作。
服务器106通过传感器节点的单个天线、经由无线信号来接收先前通过用户的应用而划分的唤醒地址，并且存储该唤醒地址。
传感器节点唤醒设备的唤醒信号检测器201接收唤醒信号(S810)，并且经过唤醒RF电路，并然后识别在唤醒基带变换器中存储的唤醒地址(S820)，并且检查地址和数据的误差(S830)。
当所接收的唤醒地址信息不是特定唤醒地址信息时，或者当检查到地址和数据的误差时，将唤醒信号维持为关状态，以维持传感器节点的睡眠状态(S870)。
另一方面，当所接收的唤醒地址信息与特定唤醒地址信息相同时，并且当没有检查到地址和数据的误差时，传感器节点的微控制器生成开信号和唤醒信号作为外部中断(S840)。
当对传感器节点进行加电时，传感器节点向功率源管理设备212中的主RF电路设备220供应功率(S860)，并且向汇聚节点101发送所感测的信息(S861)。
当完成数据的发送时，微控制器211将传感器节点从唤醒开状态转换为唤醒关状态，从而维持传感器节点的睡眠状态(S863)。
当对唤醒传送信号进行加电时，传感器节点生成唤醒信号(S850)，并且通过唤醒传送变换器来将所生成的唤醒信号转换为模拟信号。
从主RF设备220的发射器222传送该模拟信号(S853)。
在完成该唤醒传送信号的传送之后，传感器节点在唤醒关状态中维持睡眠状态。
本发明涉及一种用以实现用于在长时间中进行操作而无需更换电池的超低功率传感器节点的唤醒设备和唤醒方法，这是形成用于实现无处不在社会的基础的无处不在传感器网络(USN)中的实质问题。如图2所图示的，用于低功率传感器节点的唤醒设备是一种用于通过经由在检测到唤醒信号之后生成外部中断、允许微控制器控制传感器节点的主RF设备220、功率源单元等、来减少整个传感器节点的功率的系统。
唤醒设备通过传感器节点和单个天线来传送/接收无线信号，并且通过切换传感器节点中的主RF设备220的发射器222来传送唤醒信号。
唤醒设备使用特定的唤醒地址，以便当检测到唤醒信号时、唤醒特定的传感器节点，并且当先前向传感器节点提供的唤醒地址与在从服务器接收的唤醒信号中包括的唤醒地址一致时、使得能够进行单独的唤醒操作。
本发明还可实施为计算机可读记录介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是可以存储其后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。
计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置、和载波(诸如，通过因特网的数据传送)。还可以在网络耦接的计算机系统上分布计算机可读记录介质，使得以分布式的方式来存储并执行计算机可读代码。
尽管已经参考本发明的示范实施例而具体示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在其中做出形式和细节上的各种改变，而不脱离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种用于低功率传感器节点的唤醒设备，该设备包括：
唤醒信号检测器，用于接收和检测传感器节点的唤醒信号；
唤醒射频(RF)电路单元，用于对该唤醒信号进行滤波和放大；以及
唤醒基带变换器，用于从该唤醒信号中检测唤醒地址，并对该唤醒地址与从用以管理该传感器节点的服务器提供的唤醒地址进行比较和验证，并且如果当验证该唤醒地址时没有检测到误差，则输出用于传送传感器节点的感测事件的中断信号，或者输出其中要感测该中断信号的区域中的另一传感器节点的唤醒地址。
2.根据权利要求1的设备，其中该唤醒信号包括：
开始分组区段，用于指示所接收的信号是唤醒信号；以及
唤醒地址信息区段，包括存储了该传感器节点的唤醒模式方法的模式信息区段、和存储了该传感器节点的唤醒地址的区段。
3.根据权利要求1的设备，还包括：
唤醒传送变换器，用于向用以传送该传感器节点的感测事件的主RF设备传送该唤醒基带变换器的唤醒操作信号。
4.根据权利要求2的设备，其中该传感器节点的唤醒模式方法包括单播方法、广播方法、和多播方法中的至少一个。
5.根据权利要求2的设备，其中将指示所接收的信号是唤醒信号的开始分组区段信息输出为相反值0或1，并且具有2比特、8比特、和16比特之一的输出形式。
6.根据权利要求2的设备，其中使用开/关键控(OOK)传送方法或曼彻斯特编码方法来形成该唤醒地址。
7.一种用于低功率传感器节点的唤醒方法，该方法包括：
接收和检测传感器节点的唤醒信号；
对所接收和检测的唤醒信号进行滤波和放大；
通过从所滤波和放大的唤醒信号中检测唤醒地址，来对地址与从用以管理该传感器节点的服务器提供的唤醒地址进行比较和验证；以及
如果当验证该唤醒地址时没有检测到误差，则输出用于传送传感器节点的感测事件的中断信号，或者输出其中要感测该中断信号的区域中的另一传感器节点的唤醒操作信号。
8.根据权利要求7的方法，还包括：
对位于感测区域中的该传感器节点和汇聚节点进行初始化，该汇聚节点正在向用于收集所述两个节点的位置信息的服务器传送该传感器节点的感测事件。
9.根据权利要求7的方法，其中该唤醒信号包括：
开始分组区段，用于指示所接收的信号是唤醒信号；以及
唤醒地址信息区段，包括存储了该传感器节点的唤醒模式方法的模式信息区段、和存储了该传感器节点的唤醒地址的区段。
10.根据权利要求9的方法，其中该传感器节点的唤醒模式方法包括单播方法、广播方法、和多播方法中的至少一个。
11.一种低功率传感器节点，包括：
唤醒设备单元，用于检测输入信号的唤醒地址，并且对所检测的唤醒地址与从服务器提供的唤醒地址进行比较和验证，并且如果当验证该唤醒地址时没有检测到误差，则输出用于传送感测事件的中断信号，或者输出唤醒操作信号；
功率源设备管理单元，用于接收该中断信号或该唤醒操作信号，并且供应功率；以及
主RF设备单元，用于在供应功率之后，传送该感测事件并且输出该唤醒操作信号。
12.根据权利要求11的低功率传感器节点，包括：
唤醒信号检测器，用于接收和检测该传感器节点的输入唤醒信号；
唤醒RF电路单元，用于对所接收和检测的输入唤醒信号进行滤波和放大；以及
唤醒基带变换器，用于从该唤醒信号中检测唤醒地址，并对该唤醒地址与从用以管理该传感器节点的服务器提供的唤醒地址进行比较和验证，并且如果当验证该唤醒地址时没有检测到误差，则输出用于传送该传感器节点的感测事件的中断信号，或者输出其中要感测该中断信号的区域中的其他传感器节点的唤醒地址。
13.根据权利要求12的低功率传感器节点，还包括：
唤醒传送变换器，用于向该主RF设备单元传送该唤醒基带变换器的唤醒操作信号。
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