CN102413553A - 无线传感器网络低功耗方法及无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络低功耗方法及无线传感器节点。该方法中采用的无线传感器节点包括处理器、FPGA芯片、第一射频电路及第二射频电路，处理器与FPGA芯片电性连接，第一射频电路、第二射频电路分别与FPGA芯片电性连接。第一射频电路的频段与第二射频电路的频段相异，即第一射频电路专门用于数据的传输，第二射频电路专门用于无线传感器网络节点的同步，传输确认帧，第一射频电路与第二射频电路传输的信息不会产生冲突。本发明通过双频段工作，达到无线传感器网络节点之间同步，同时减少数据冲突，使传输数据高效，达到节点功耗下降的功能。

Description

无线传感器网络低功耗方法及无线传感器节点

 

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，具体涉及一种无线传感器网络低功耗方法及传感器节点。

 

背景技术

随着物联网这两年的蓬勃发展，作为物联网感知层的无线传感器网络技术也得到了非常的重视，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

无线传感器网络的节点经常需要散落在野外，节点之间组成自组网，节点通过持续供电或经常换电池就不太现实，一般通过电池供电，网络寿命要持续到几年，这就需要节点经常休眠，传统的方法一般采用软件协议来达到节点之间同步，如TDMA，TMAC等协议，往往需要时钟精确度很高，如果网络存在多跳路由，则同步将会很复杂。

 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提出了一种无线传感器网络低功耗方法，其通过双频段工作，达到无线传感器网络节点之间同步，同时减少数据冲突，使传输数据高效，达到节点功耗下降的功能。

为了达到上述目的之一，本发明所采用的技术方案如下：

一种无线传感器网络低功耗方法，包括以下步骤：

1）        无线传感器网络节点A通过无线传感器网络节点A的第一射频电路接收到数据，并把数据保存到无线传感器网络节点A的缓存中，无线传感器网络节点A的处理器向无线传感器网络节点A的FPGA芯片发送设置目标地地址命令，无线传感器网络节点A的FPGA芯片设置目标地址为地址B，无线传感器网络节点A处于等待接收的状态；

2）        无线传感器网络节点B休眠N秒，N秒后，无线传感器网络节点B定时唤醒，无线传感器网络节点B的第一射频电路向无线传感器网络节点A发送含有目标地址为地址B的数据请求包；

3）        无线传感器网络节点A的第一射频电路接收到数据请求包后，无线传感器网络节点A的FPGA芯片对数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址进行比对，若数据请求包内的目标地址与无线传感器网络节点A的FPGA芯片设置的目标地址相匹配，无线传感器网络节点A通过无线传感器网络节点A的第二射频电路向无线传感器网络节点B发送确认帧，并把数据请求包传输给无线传感器网络节点A的处理器；若数据请求包内的目标地址与无线传感器网络节点A的FPGA芯片设置的目标地址不匹配，把数据请求包删除；

4）        若无线传感器网络节点B通过无线传感器网络节点B的第二射频电路接收到确认帧后，无线传感器网络节点B不休眠；若无线传感器网络节点B在X微秒内没有接收到确认帧，无线传感器网络节点B休眠N秒；

5）        无线传感器网络节点A把保存在其缓存中的数据通过无线传感器网络节点A的第一射频电路发送给无线传感器网络节点B后，无线传感器网络节点A休眠N秒；其中，N、X均为正数，无线传感器网络节点A的第一射频电路的频段与无线传感器网络节点A的第二射频电路的频段相异，无线传感器网络节点B的第一射频电路的频段与无线传感器网络节点B的第二射频电路的频段相异；

6）        无线传感器网络节点B通过无线传感器网络节点B的第一射频电路接收到数据，并把数据保存到无线传感器网络节点B的缓存中，无线传感器网络节点B的处理器向无线传感器网络节点B的FPGA芯片发送设置目标地地址命令，无线传感器网络节点B的FPGA芯片设置目标地址为地址C，无线传感器网络节点B处于等待接收的状态；

7）        无线传感器网络节点C重复步骤2）至步骤6），并把数据传输到下一个无线传感器网络节点，直至数据传输过程结束。

具体的，N可为10秒；X可为100微秒。N、X的值应根据实际使用情况来设置。

本发明的目的之二在于提出了一种使用了上述低功耗方法的无线传感器网络节点，其结构简单，具有低功耗的特点。

为了达到目的之二，本发明采用的技术方案如下：

一种无线传感器节点，包括以下结构：

第一射频电路，用于接收其他无线传感器节点的数据，用于向其他无线传感器节点发送数据，用于接收其他无线传感器节点的含有目标地址信息的数据请求包，用于向其他无线传感器节点发送含有目标地址信息的数据请求包；

第二射频电路，用于接收其他无线传感器节点的确认帧，用于向其他无线传感器节点发送确认帧；第一射频电路与第二射频电路的频段相异；

处理器，向FPGA芯片发出设置目标地址命令，把接收到的数据保存到缓存中，接收FPGA芯片的数据请求包并把缓存中的数据通过FPGA芯片传输到第一射频电路，控制无线传感器节点的休眠及唤醒状态；

FPGA芯片，接收处理器的设置目标地址命令并设置目标地地址信息；对数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址进行比对，若数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址相匹配，通过第二射频电路把确认帧发送出去，并把数据请求包发送给处理器，若数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址不匹配，把数据请求包删除；

处理器与FPGA芯片电性连接，第一射频电路、第二射频电路分别与FPGA芯片电性连接。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于，通过双频段工作，达到无线传感器网络节点之间同步，同时减少数据冲突，使传输数据高效，达到节点功耗下降的功能。

 

附图说明

图1为本发明较佳实施例的无线传感器网络节点的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的无线传感器网络的结构示意图。

 

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，以便于更清楚的理解本发明所要求保护的技术思想。

如图1所示，一种无线传感器网络节点，其包括处理器、FPGA芯片、第一射频电路及第二射频电路。处理器可选择低功耗处理器，与现有技术相同，处理器中具有缓存。处理器与FPGA芯片电性连接，第一射频电路、第二射频电路分别与FPGA芯片电性连接。第一射频电路的频段与第二射频电路的频段相异，即本实施例的无线传感器网络节点采用双频段工作。

第一射频电路，用于接收其他无线传感器节点的数据，用于向其他无线传感器节点发送数据，用于接收其他无线传感器节点的含有目标地址信息的数据请求包，用于向其他无线传感器节点发送含有目标地址信息的数据请求包； 

第二射频电路，用于接收其他无线传感器节点的确认帧，用于向其他无线传感器节点发送确认帧；第一射频电路与第二射频电路的频段相异；也就是说，第一射频电路专门用于数据的传输，第二射频电路专门用于无线传感器网络节点的同步，传输确认帧，第一射频电路与第二射频电路传输的信息不会产生冲突。

处理器，向FPGA芯片发出设置目标地址命令，把接收到的数据保存到缓存中，接收FPGA芯片的数据请求包并把缓存中的数据通过FPGA芯片传输到第一射频电路，控制无线传感器节点的休眠及唤醒状态，此外，与现有技术相同，处理还用于处理链路层以上的协议堆栈；

FPGA芯片，接收处理器的设置目标地址命令并设置目标地地址信息；对数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址进行比对，若数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址相匹配，通过第二射频电路把确认帧发送出去，并把数据请求包发送给处理器，若数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址不匹配，把数据请求包删除。

如图2所示，以三个节点的无线传感器网络来说明本实施例。一种无线传感器网络低功耗方法，其包括无线传感器网络节点A、无线传感器网络节点B、无线传感器网络节点C。无线传感器网络节点A、无线传感器网络节点B、无线传感器网络节点C的结构均采用图1所示的结构。假设无线传感器网络节点A需发送数据到无线传感器网络节点C，当无线传感器网络节点A与其他无线传感器网络节点交换数据时，无线传感器网络节点B、无线传感器网络节点C都定时休眠10秒，然后自动唤醒工作。本实施例的方法包括以下步骤：

1）        无线传感器网络节点A通过第一射频电路13接收到数据，并把数据保存到处理器11的缓存中，处理器11向FPGA芯片12发送设置目标地地址命令， FPGA芯片12设置目标地址为地址B，无线传感器网络节点A处于等待接收的状态；

2）        处理器21控制无线传感器网络节点B休眠10秒，10秒后，无线传感器网络节点B定时唤醒，无线传感器网络节点B的第一射频电路23向无线传感器网络节点A发送含有目标地址为地址B的数据请求包AB；

3）        无线传感器网络节点A的第一射频电路13接收到数据请求包AB后，无线传感器网络节点A的FPGA芯片12对数据请求包AB内的目标地址与其设置的目标地址进行比对，若数据请求包AB内的目标地址与无线传感器网络节点A的FPGA芯片12设置的目标地址相匹配，无线传感器网络节点A通过第二射频电路14向无线传感器网络节点B发送确认帧，并把数据请求包AB传输给处理器11；若数据请求包AB内的目标地址与无线传感器网络节点A的FPGA芯片12设置的目标地址不匹配，把数据请求包AB删除；

4）        若无线传感器网络节点B通过第二射频电路24接收到确认帧后，无线传感器网络节点B不休眠；若无线传感器网络节点B在100微秒内没有接收到确认帧，无线传感器网络节点B休眠10秒；

5）        无线传感器网络节点A把保存在处理器11的缓存中的数据通过第一射频电路13发送给无线传感器网络节点B后，无线传感器网络节点A关闭第一射频电路13及第二射频电路14，无线传感器网络节点A休眠10秒； 

6）        无线传感器网络节点B通过第一射频电路23接收到数据，并把数据保存到处理器21的缓存中，处理器21向FPGA芯片22发送设置目标地地址命令，无线传感器网络节点B的FPGA芯片22设置目标地址为地址C，无线传感器网络节点B处于等待接收的状态；

7）        无线传感器网络节点C重复步骤2）至步骤6），即数据传输源换成无线传感器网络节点B，数据接收者变为无线传感器网络节点C，具体的，处理器31控制无线传感器网络节点C休眠10秒，10秒后，无线传感器网络节点C定时唤醒，无线传感器网络节点C的第一射频电路33向无线传感器网络节点B发送含有目标地址为地址C的数据请求包BC；无线传感器网络节点B的第一射频电路23接收到数据请求包BC后，无线传感器网络节点B的FPGA芯片22对数据请求包BC内的目标地址与其设置的目标地址进行比对，若数据请求包BC内的目标地址与无线传感器网络节点B的FPGA芯片22设置的目标地址相匹配，无线传感器网络节点B通过第二射频电路24向无线传感器网络节点C发送确认帧，并把数据请求包BC传输给处理器21；若数据请求包BC内的目标地址与无线传感器网络节点B的FPGA芯片22设置的目标地址不匹配，把数据请求包BC删除；若无线传感器网络节点C通过第二射频电路34接收到确认帧后，无线传感器网络节点C不休眠；若无线传感器网络节点C在100微秒内没有接收到确认帧，无线传感器网络节点C休眠10秒；无线传感器网络节点B把保存在处理器21的缓存中的数据通过第一射频电路23发送给无线传感器网络节点C后，无线传感器网络节点B关闭第一射频电路23及第二射频电路24，无线传感器网络节点B休眠10秒；

8）        至此，数据从无线传感器网络节点A传输到无线传感器网络节点C的过程就结束了。

此外，若无线传感器网络的节点数量为更多个，则无线传感器网络节点C把数据传输到下一个无线传感器网络节点，直至数据传输过程结束。

本实施例通过双频段工作，达到无线传感器网络节点之间同步，同时减少数据冲突，使传输数据高效，达到节点功耗下降的功能。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络低功耗方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）无线传感器网络节点A通过无线传感器网络节点A的第一射频电路接收到数据，并把数据保存到无线传感器网络节点A的缓存中，无线传感器网络节点A的处理器向无线传感器网络节点A的FPGA芯片发送设置目标地地址命令，无线传感器网络节点A的FPGA芯片设置目标地址为地址B，无线传感器网络节点A处于等待接收的状态；

（2）无线传感器网络节点B休眠N秒，N秒后，无线传感器网络节点B定时唤醒，无线传感器网络节点B的第一射频电路向无线传感器网络节点A发送含有目标地址为地址B的数据请求包；

（3）无线传感器网络节点A的第一射频电路接收到数据请求包后，无线传感器网络节点A的FPGA芯片对数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址进行比对，若数据请求包内的目标地址与无线传感器网络节点A的FPGA芯片设置的目标地址相匹配，无线传感器网络节点A通过无线传感器网络节点A的第二射频电路向无线传感器网络节点B发送确认帧，并把数据请求包传输给无线传感器网络节点A的处理器；若数据请求包内的目标地址与无线传感器网络节点A的FPGA芯片设置的目标地址不匹配，把数据请求包删除；

（4）若无线传感器网络节点B通过无线传感器网络节点B的第二射频电路接收到确认帧后，无线传感器网络节点B不休眠；若无线传感器网络节点B在X微秒内没有接收到确认帧，无线传感器网络节点B休眠N秒；

（5）无线传感器网络节点A把保存在其缓存中的数据通过无线传感器网络节点A的第一射频电路发送给无线传感器网络节点B后，无线传感器网络节点A休眠N秒；其中，N、X均为正数，无线传感器网络节点A的第一射频电路的频段与无线传感器网络节点A的第二射频电路的频段相异，无线传感器网络节点B的第一射频电路的频段与无线传感器网络节点B的第二射频电路的频段相异；

（6）无线传感器网络节点B通过无线传感器网络节点B的第一射频电路接收到数据，并把数据保存到无线传感器网络节点B的缓存中，无线传感器网络节点B的处理器向无线传感器网络节点B的FPGA芯片发送设置目标地地址命令，无线传感器网络节点B的FPGA芯片设置目标地址为地址C，无线传感器网络节点B处于等待接收的状态；

（7）无线传感器网络节点C重复步骤2）至步骤6），并把数据传输到下一个无线传感器网络节点，直至数据传输过程结束。

2.如权利要求1所述的无线网络传感器低功耗方法，其特征在于，N为10秒；X为100微秒。

3.一种无线传感器节点，其特征在于，包括以下结构：

第一射频电路，用于接收其他无线传感器节点的数据，用于向其他无线传感器节点发送数据，用于接收其他无线传感器节点的含有目标地址信息的数据请求包，用于向其他无线传感器节点发送含有目标地址信息的数据请求包；

第二射频电路，用于接收其他无线传感器节点的确认帧，用于向其他无线传感器节点发送确认帧；第一射频电路与第二射频电路的频段相异；

处理器，向FPGA芯片发出设置目标地址命令，把接收到的数据保存到缓存中，接收FPGA芯片的数据请求包并把缓存中的数据通过FPGA芯片传输到第一射频电路，控制无线传感器节点的休眠及唤醒状态；

FPGA芯片，接收处理器的设置目标地址命令并设置目标地地址信息；对数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址进行比对，若数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址相匹配，通过第二射频电路把确认帧发送出去，并把数据请求包发送给处理器，若数据请求包内的目标地址与其设置的目标地址不匹配，把数据请求包删除；

处理器与FPGA芯片电性连接，第一射频电路、第二射频电路分别与FPGA芯片电性连接。

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