CN102695249A - IPv6无线传感器网络节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IPv6无线传感器网络节能方案。无线传感器网络节点一般比较微小，大多采用电池供电，而且节点数量大，更换电池比较麻烦，所以节能是无线传感器网络在实际应用中比较重要的部分。本发明在分析了无线传感器网络中常用的节能方法以及传感器节点的各个模块能耗后，结合具体的节点进行各个模块的能耗测试，去除能耗大并且不重要的器件，设计出节点休眠的机制和一种整个网络同步的休眠机制，并提出了传感器网络休眠的调度算法和命令帧格式。本发明有效解决了无线传感器网络的节能问题。

Description

IPv6无线传感器网络节能方法

技术领域

本发明涉及一种IPv6无线传感器网络节能方案。

背景技术

无线传感器网络节点是无线传感器网络最基本的组成部分，负责信息的采集、处理和传输，无线传感器节点体积微小，通常使用的是能量有限的电池。由于传感器节点的计算能力、存储能力和通信能力非常有限，因此需要与距离较远的基站进行频繁通信。由时间衡量的网络生存时间-网络中所有节点的能量被耗尽或不再提供有效的事件检测，直接影响网络的有效性。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以无线传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。传感器节点由有限容量的电池供电。电池能量的有效利用对传感器网络的生存时间很关键，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的严重挑战。

现有无线传感器网络节点主要由控制单元、传感单元、电源单元、通信单元等部分组成。在网络实际运行过程中，能耗主要来源于处理、传感和无线传输三个操作。处理的能量消耗主要是由于微处理器执行指令的能量消耗，处理器处于激活状态与睡眠状态时的能量消耗有很大差别。传感器的能量消耗主要包括变换器(Transducer)、前端处理、A/D转换等操作，其能量消耗根据传感器的种类不同而有所不同，较低能耗传感器包括：温度，光强，加速度传感器等；较高能耗传感器包括：图像，视频传感器等。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗越来越低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。在网络运行过程中，无线模块可能处于四种状态：发送、接收、空闲以及睡眠，这四种状态下的能耗是不一样的。无线通信能耗主要是无线模块在收发数据及空闲侦听时的能耗。为了有效节省能量，应该尽可能使无线模块睡眠。

发明内容

本发明的目的是提供一种IPv6无线传感器网络节能方法。

无线传感器网络节点一般比较微小，大多采用电池供电，而且节点数量大，更换电池比较麻烦，所以节能是无线传感器网络在实际应用中比较重要的部分。本发明分析了无线传感器网络中常用的节能方法以及传感器节点的各个模块能耗，结合具体的节点进行各个模块的能耗测试，去除能耗大并且不重要的器件。在此基础上，在分析了MCU即ATmegal28与射频芯片CC2420相关参数后，设计了节点休眠的机制和一种整个网络同步的休眠机制，提出了传感器网络休眠的调度算法和命令帧格式，最后总结了建筑物内节点的工作方式。

本发明采用的技术方案如下：

为节点配置低功耗且支持休眠机制的处理器和无线收发模块，将网络生存时间划分为若干等长时间段，每个时间段包括调度阶段和稳定阶段，在调度阶段，每个节点向周围发送广播包，告诉邻居节点自己的信息，该信息包括自己的ID号、剩余能量、位置，节点了解到所有邻居节点的位置后就能判别能否覆盖监控区域，然后节点依据各自的剩余电量来决定休眠优先权，剩余电量高的节点优先权低，剩余电量低的节点优先权高，如果多个节点的剩余电量一样，则以节点ID号作参考，ID号小的优先级高，在一个节点判决之后，该节点要向周围节点发送状态信息包，告诉邻居节点自己的状态：是否休眠，休眠多长时间，邻居节点在收到状态包后，就知道发包节点的状态，如果对方确定休眠，就要把该节点从自己的邻居表中删除，以免出现网络连通问题。节点如果不满足睡眠条件，则在当前时间段的稳定阶段内保持活跃状态，负责对目标区域进行感知、监测以及数据传输；如果满足睡眠条件，则将处理器设置成休眠模式，将无线收发模块设置成掉电模式，进入低功耗的睡眠状态，直到进入下一个调度阶段。

同时，为了保证上述过程的实现，在邻居发现过程中，为了防止多节点同时广播信息包，节点采用随机等待方式来发送，或者由协调者为每个节点分配一个发送时隙，节点在规定的时隙发送信息包，以避免冲突。当节点的计算和通信模块处于空闲状态时，将这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态；

另外，本发明还通过采用以下方法中的一部分或全部来减少节点的能量消耗：对传感器节点采集的原始数据进行数据融合，去除冗余，仅发送有用信息；链路层采用优化措施，包括冲突避免与纠错；设计路由协议时，均匀使用节点能量和数据融合；保证网络内有“合适的”节点处于激活状态以保证网络连通性，使暂时不参与数据传输的节点处于休眠状态，将数据中继任务均衡地分布在所有节点上，以达到网络整体节能的目的；在进行网络协议设计时，减少控制报文的数量，同时通过报头压缩策略减少报头长度，从而减少通信流量，达到降低能耗的目的。

本发明具有以下优点：

1.节能。节能是传感器网络节点设计最主要的问题。无线传感器网络要部署在人们无法接近的场所，而且不常更换供电设备，对节点功耗要求就非常严格。本发明在设计过程中，采用合理的能量监测与控制机制，将功耗要限制在几十毫瓦甚至更低数量级。

2.低成本。成本的高低是衡量传感器网络节点设计好坏的重要指标。传感器网络节点通常大量散布，只有低成本才能保证节点广泛使用。本发明在设计中去除能耗大并且不重要的器件，力求做到无线传感器节点的简单化，有效地降低了成本。

3.微型化。微型化是传感器网络追求的终极目标。只有节点本身足够小，才能保证不影响目标系统环境；另外在战争侦查等特定用途的环境下，微型化更是首先考虑的问题之一。

4.可扩展。可扩展性也是传感器节点设计中必须考虑的问题。本发明设计的传感器节点在具备通用处理器和通信模块的基础上拥有完整、规范的外部接口，可适应各种不同的组件。

附图说明

图1是MCU控制寄存器MCUCR示意图；

图2是无线传感器网络休眠机制流程图；

图3是休眠调度算法示意图。

具体实施方式

一个微型传感器节点主要由四部分组成：电源，感应单元、处理单元和收发单元。除了产生能量的电源单元以外，感应单元、处理单元和收发单元都是传感器节点的耗能源，其中数据收发单元是能量消耗的主要部分。

能量控制的方法主要集中在休眠机制、数据融合、冲突避免与纠错等方面，它们应用于计算模块和通信模块的各个环节，具体分析如下：

1)硬件节能

硬件选择中，应采用低功耗组件，在性能与耗电量之间进行折中，减小系统整体功耗。处理器应支持对工作电压和工作频率的调节，从而对处理模块的休眠提供必要条件。同时，无线收发器的能耗与其工作状态相关，必须考虑其启动能耗与持续工作能耗间的关系。

2)休眠机制

当节点的计算和通信模块处于空闲状态时，应将这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态，从而延长传感器节点的生存周期。但休眠状态与工作状态的转换需要消耗一定的能量，并且产生时延，所以状态转换策略对于休眠机制非常重要。

3)数据融合

数据处理的功耗小于通信功耗。例如，传感器节点使用无线方式传输1比特到100米远所消耗的能量可供处理器处理3000条指令。所以，在采用无线个域网WPAN为支撑技术的传感器网络中，对传感器节点采集的大量原始数据进行数据融合，去除冗余，仅发送有用信息，就可以有效的减少通信量，达到节能的目的。

4)链路层优化

链路层优化包括冲突避免与纠错。冲突引起的重传造成很大的能量浪费，减少冲突可以有效的节约能量。错误检测和校正机制也可以在给定比特错误率的条件下有效减少数据包的重传，从而降低能耗。

5)节能路由

节能路由是在普通的路由协议基础上，考虑相关的能耗因素，引入新的与电源消耗有关的衡量指标，实现能耗的节约。在设计路由协议时，应考虑两个问题：均匀使用节点能量和数据融合。

6)拓扑管理

WPAN拓扑管理的目的是保证网络内有“合适的”节点处于激活状态以保证网络连通性，使暂时不参与数据传输的节点处于休眠状态。拓扑管理应尽可能地将数据中继任务均衡地分布在所有节点上，以达到网络整体节能的目的。

7)报文控制

网络协议需要控制报文和报头来维护其正常运行，但控制报文和报头并不是用户所需的数据，因此，在进行网络协议设计时，应尽量减少控制报文的数量，同时，通过报头压缩等策略，减少报头长度，从而减少通信流量，达到降低能耗的目的。

其中硬件部分的选择关系到整个节点的整体能耗，必须要选择能耗低的组件，并且在节点上有耗能多且基本没用的组件，所以还要去除冗余组件来节省能量；休眠机制是节能的另一重要部分，因为传感器节点不是每刻都要传递信息，且无线发送接收模块是耗能最多的模块，所以适时让节点休眠可大幅度减少能耗。

鉴于硬件节能和休眠机制切换是耗能的两个重要部分，下面主要介绍硬件节能及软件部分的休眠机制节能，其中硬件部分主要介绍ATmegal28单片机和CC2420无线收发芯片，以及分析如何去除冗余组件等问题；休眠机制部分主要研究单个节点休眠机制切换的方法，以及从网络整体上如何传递休眠指令和发送数据包的方法。

1、硬件节能

本发明选用低功耗且支持休眠机制的硬件来组成处理器和无线收发模块，硬件节能即选用低功耗组件并去除冗余组件来节省能量。由于处理器和无线模块是传感器节点最耗能的组件，所以选用能耗低、性能好的处理器和无线收发模块至关重要。至于节点上的其它组件，应对它们进行能耗分析，将能耗大且无关紧要的组件去掉，即去除冗余组件，简化节点，减少能耗。

1)低功耗微处理器硬件构架

选用ATmega公司的处理器ATmegel28，ATmegal28是ATMEL公司发布的AVR8位RISC系列微控制器的最高档品种，是一款基于AVR内核，采用RISC结构，低功耗CMOS的8位单片机。由于在一个时钟周期内执行一条指令，ATmegal28可以达到接近1MIPS/MHz的性能。

2)无线模块构架及与处理器和其它外设连接实例

无线模块选用Chipcon公司的芯片CC2420，CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器，它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用0.18μmCMOS工艺生产，具有很高的集成度。该芯片含有控制逻辑、数字调制、数字解调、滤波器、相位调制、电压校准、数字/模拟测试接口等部分，所有数据通过芯片自身的加密解密可以与外接串口相互通信，具有体积小、功耗低等优点，非常适合于家庭及楼宇自动化、工业监控等应用系统。

2、无线传感器网络休眠机制的实现

休眠模式意味着关闭微控制器MCU中未使用的模块，以此来达到省电的目的。ATmegal28提供了不同的休眠模式，允许用户根据实际应用的需求选定合适的省电模式。

MCU控制寄存器MCUCR，如图1所示，它包含了电源管理的控制位。

当MCUCR寄存器中的休眠允许位SE位为逻辑1时，执行SLEEP指令后，MCU便进入6种休眠模式的一种。MCUCR中的SM2，SM1，SM0的设置决定了执行SLEEP指令后将进入如下几种休眠模式：空闲模式、ADC降噪模式、掉电模式、省电模式、待机模式、扩展待机模式。

CC2420可以工作在发射、接收、空闲和休眠状态下，其中只有发射功率是可调的。CC2420接收、空闲和休眠状态下的电流消耗参数如表1所示。

工作模式	典型消耗
		掉电模式(Power downn mode)	20uA
空闲模式(Idle mode)	426uA
		接收模式(Receive mode)	18.8mA

表1

由表1可知，掉电模式能耗很小，空闲模式也比较小，而接收模式的能耗比较大。我们可以在节点无任务并且MCU进入休眠前使CC2420进入掉电模式，而在MCU被唤醒时，让CC2420进入空闲模式。这样就能使整个节点在休眠的过程中能耗最小。

无线通信模块CC2420可以通过关闭时钟进入掉电模式，从掉电模式进行时钟使能从而进入空闲模式。

根据实际的硬件条件，我们选择MCU空闲休眠模式，并且CC2420处于掉电模式，整个节点休眠状态的电流仅为3～4mA，能够满足节能需求。此模式下定时器/计数器可以唤醒MCU。为了使最大休眠时间足够长，以便休眠工作时间占空比可以很大范围调节，我们采用16位定时器/计数器T/C1来定时产生中断将MCU唤醒，并采用系统时钟分频的方式。在代码中最后T/C1的时钟被设置成fT/C1＝8M/128/1024HZ，大约等于61Hz。就是说每计数61时间流逝1秒钟。休眠时间最长可以达到18分钟。具体实现图2所示，当满足休眠的条件后，首先关闭中断和T/C1，清除T/C1输出，比较A匹配，中断标志位，设置输出比较寄存器OCRIA的值，初始化T/C1的值，关闭CC2040晶振，使之进入掉电模式，设置系统时钟分频，并设置与分频器，最后打开中断，进入空闲休眠模式。

3、休眠调度算法

上面介绍了节点休眠过程的流程，以及协调者控制节点睡眠的方法。但整个网络的节点休眠需要一套调度算法来规范，比如：在某些节点休眠后，必须保证剩余节点对监控区域的有效覆盖和它们之间的相互连通。因此，要从以下几个方面考虑：

1)保证对监控区域的有效覆盖。在决定哪些节点休眠时，必须考虑到监测区域的覆盖性，不能因为某个节点的休眠而出现覆盖盲区。这就要求每个做休眠决定的节点都要认知周围环境与邻居节点，这样在判别时就不会出现因为不了解外部情况而产生覆盖盲区。

2)保证活跃节点的连通性。在某些节点休眠后，剩余的活跃节点间要保持连通，不能因为这些休眠的节点而影响活跃节点间传送数据。这就要求活跃节点要把休眠节点暂时从自己的邻居列表中删除，这样剩余节点就不会把休眠节点当成活跃的而添加进自己的路由表。

3)要保证网络节点能量的平衡分布。整个网络的能量要近于平均分配，如果让某一个节点总是工作而不休眠，这样单个节点的能量就会降低，网络的整体寿命就会降低。这就要在决定节点休眠时有个先后顺序，节点剩余能量低的优先考虑休眠问题，剩余能量高的就要排在后面，这样网络的整体能量就会有效分布在各个节点上，整体寿命就能延长。

4)服务器要了解任何时刻整个网络中节点的状态，以便进行控制。监控人员可以通过服务器发送命令控制单个节点的行为，或是了解感兴趣的监控区域的信息，服务器先发送命令到协调者，协调者再转发到具体的节点，这样协调者就需要了解网络中节点的状态。单个节点没必要了解整个网络的运行状况，只需要知道周围节点的休眠与否就可以了。协调者要了解网络中每个节点的状态，并把状态信息传给服务器，以便服务器了解网络节点的状态，并把服务器端发来的命令发到需要的节点。

5)节点可以通过突发事件引发中断自动唤醒。节点休眠时要关闭无线收发模块，这样外界节点将无法唤醒它，只能等它内部计数器溢出引发中断才能唤醒。如果遇到突发事件时，这样的设计显然不行，所以节点要有遇突发事件自动唤醒的功能。节点的传感器模块在感应到监控区域的监控值超过某一阈值时，要自动引发中断，唤醒节点。

针对上面提到的要求，先介绍休眠机制的实现过程：

节点首先进行初始化设置，比如获取位置信息以及进行时钟同步等等。随后的网络生存时间被划分为若干等长时间段R(Ruond)。每个时间段又包括调度阶段(Scheduling Phase)和稳定阶段(Steady Phase)，如图3所示。进一步，调度阶段包括两个子步骤。首先，在邻居发现阶段，节点通过与通信邻居节点间的消息交互获取邻居的有用信息。然后，在已获得的邻居信息基础上，节点自主判断是否满足休眠条件。如果不满足睡眠条件，则节点在当前时间段的稳定阶段内保持活跃状态，负责对目标区域进行感知、监测以及数据传输。如果节点满足睡眠条件，则可以关闭其通信和感知模块，进入低功耗的睡眠状态，直到进入下一个调度阶段。由于调度阶段邻居节点间的消息交互通过无线通信实现，并且节点硬件状态转换也需要耗费一定的能量，因此为了减少调度阶段的能量开销，稳定阶段时间Tw应远大于调度阶段时间Ts。

设计的调度算法如下：

1)邻居发现过程：每个节点需要向周围发送广播包，告诉邻居节点自己的信息，这个信息包括自己的ID号，剩余能量，以及自己的位置等。其中ID号是网络中节点的唯一标示，可以帮助邻居节点认识自己；剩余能量是该节点还可以工作与否的有用参考；节点了解到所有邻居节点的位置后就能判别能否覆盖监控区域。为了防止多节点同时广播信息包，会发生冲突，使能量发生损耗，可以让节点采用随机等待方式来发送，或者让协调者为每个节点分配一个发送时隙，节点在规定的时隙发送信息包，避免冲突。

2)节点调度过程：节点在收到广播包后，要依据各自的剩余电量来决定优先判别权。剩余电量高的节点优先权低，判别靠后；剩余电量低的节点优先权高，优先判决。如果多个节点的剩余电量一样，则以节点ID号作参考，ID号小的优先级高。这样就可以有效分配网络电量。在一个节点判决之后，该节点要向周围节点发送状态信息包，告诉邻居节点自己的状态，如是否休眠，休眠多长时间等等。邻居节点在收到状态包后，就知道发包节点的状态，如果对方确定休眠的话，就要把该节点从自己的邻居表中删除，以免出现网络连通问题。

4、无线传感器网络节点工作方式

传统型的路由协议是通过对节点赋予名称(ID)来实现的，当前的互联网就是采用这一方式，我们称之为以节点为中心(node-centric)的通信模式。然而这种通信模式并不适用于无线传感器网络：因为传感器节点成千上万，为每个节点赋予独一无二的名称比较困难。无线传感器网络中的通信模式是以数据为中心(data-centric)的。例如基站向网络内的传感器节点广播一条“哪里的气温超过30摄氏度”的查询信息，所有接收到这条信息的节点都将检查自己感应得到的数据，如果符合查询要求，就自动将节点的位置信息和气温数据打包发往基站。而在以节点为中心的通信模式中，由于满足该查询信息的那些节点ID事先并不知道，因此必须先在整个网络内进行查找以获取对应节点的ID，然后再由基站向这些特定的节点获取相应的数据。

无线传感器网络中数据传递的模式可分为以下四类：

1)连续发送型(continuous delivery)：传感器节点连续的以某个预先指定的速率将感应数据包发往基站；

2)事件驱动型(event-driven)：只有当传感器节点感应到特殊事件的发生时，才向基站发送感应数据包；

3)查询驱动型(query-driven)：只有当基站向传感器节点发出询问请求时，节点才将符合查询信息的感应数据包发往基站；

4)混合型：将上述三类数据传递模式的某两种或是三种混合在一起得到的传递模式。

以上数据传递模式的划分是从应用的角度进行分类，根据数据通信方向的不同，无线传感器网络中的数据传递模式又可分为以下两类：

1)传感器节点至基站：这是一个数据收集的过程，通常采用单播模式；

2)基站至传感器节点：基站通常需要向网络中的所有或是其中一部分节点发送某类查询信息或是发布某种命令，这是一个数据分发的过程，多采用广播或多播模式。

对于建筑物中节点的工作方式，可以采用混合型模式：

1)在白天，建筑物内节点应该更多的处于活跃状态，对于某些需要实时监控的对象，比如室内二氧化碳浓度监控和空调舒适度监控，可以采用连续发送型传递方式。当监控人员需要了解某个敏感区域时，或是服务器发送某些控制命令时，可以使用查询驱动型传递方式。

2)在晚上，建筑物内节点不必要过多的处于活跃状态，当有特殊事件来临时，比如安全方面的突发事件等等，再向服务器发送信息，服务器根据情况判断，让处于敏感区域的节点处于工作状态。

Claims (7)

1.一种IPv6无线传感器网络节能方法，其特征在于：

为节点配置低功耗且支持休眠机制的处理器和无线收发模块；

将网络生存时间划分为若干等长时间段，每个时间段包括调度阶段和稳定阶段；

在调度阶段，节点首先通过与通信邻居节点间的消息交互获取邻居的有用信息，然后节点判断是否满足休眠条件，如果不满足睡眠条件，则节点在当前时间段的稳定阶段内保持活跃状态，负责对目标区域进行感知、监测以及数据传输；如果节点满足睡眠条件，则将处理器设置成休眠模式，将无线收发模块设置成掉电模式，进入低功耗的睡眠状态，直到进入下一个调度阶段。

2.如权利要求1所述的IPv6无线传感器网络节能方法，其特征在于：

为了减少调度阶段的能量开销，稳定阶段时间远大于调度阶段时间。

3.如权利要求2所述的IPv6无线传感器网络节能方法，其特征在于调度阶段进行以下调度过程：

邻居发现过程：每个节点向周围发送广播包，告诉邻居节点自己的信息，该信息包括自己的ID号、剩余能量、位置，节点了解到所有邻居节点的位置后就能判别能否覆盖监控区域；

节点调度过程：节点在收到广播包后，依据各自的剩余电量来决定休眠优先权，剩余电量高的节点优先权低，剩余电量低的节点优先权高，如果多个节点的剩余电量一样，则以节点ID号作参考，ID号小的优先级高，在一个节点判决之后，该节点要向周围节点发送状态信息包，告诉邻居节点自己的状态：是否休眠，休眠多长时间，邻居节点在收到状态包后，就知道发包节点的状态，如果对方确定休眠，就要把该节点从自己的邻居表中删除，以免出现网络连通问题。

4.如权利要求3所述的IPv6无线传感器网络节能方法，其特征在于：

在邻居发现过程中，为了防止多节点同时广播信息包，节点采用随机等待方式来发送，或者由协调者为每个节点分配一个发送时隙，节点在规定的时隙发送信息包，以避免冲突。

5.如权利要求1所述的IPv6无线传感器网络节能方法，其特征在于：

所述无线传感器网络中节点的工作方式为：

对于需要实时监控的对象，节点采用连续发送型传递方式进行数据传递；

在不需要获得节点所在位置的信息的时间段内，节点处于休眠状态，此时若发生突发事件，则向服务器发送信息，服务器让处于敏感区域的节点处于工作状态。

6.如权利要求1所述的IPv6无线传感器网络节能方法，其特征在于：

按以下方法控制整个IPv6无线传感器网络的节点休眠：

保证对监控区域的有效覆盖；

保证活跃节点的连通性；

保证网络节点能量的平衡分布；

服务器要了解任何时刻整个网络中节点的状态，以便进行控制；

节点可以通过突发事件引发中断自动唤醒。

7.如权利要求1所述的IPv6无线传感器网络节能方法，其特征在于：

通过采用以下方法中的一部分或全部来减少节点的能量消耗：

当节点的计算和通信模块处于空闲状态时，将这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态；

对传感器节点采集的原始数据进行数据融合，去除冗余，仅发送有用信息；

链路层采用优化措施，包括冲突避免与纠错；

设计路由协议时，均匀使用节点能量和数据融合；

保证网络内有“合适的”节点处于激活状态以保证网络连通性，使暂时不参与数据传输的节点处于休眠状态，将数据中继任务均衡地分布在所有节点上，以达到网络整体节能的目的；

在进行网络协议设计时，减少控制报文的数量，同时通过报头压缩策略减少报头长度，从而减少通信流量，达到降低能耗的目的。

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