CN102707140A - 一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测装置，可实时精确测量传感器节点处于不同工作状态时、不同供电模式下的能耗。本发明可对电压电流同时采样、具有高频率采样、高速处理和高传输数据，且能够在节点电流分布的整个范围内实现精确测量并且同时适用于USB供电和电池供电两种情形的传感器节点能量消耗监测方法。该方法可以实时地监测节点能量的消耗情况，并且支持把数据上传到服务器上，结合常见的无线传感器测试平台，可以实现对无线传感器网络进行能耗效率的精确分析。

Description

一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法。该方法通过对节点的能量消耗进行实时精确地监测，从而实现对节点所运行的协议的能量效率进行分析，和预测节点的使用寿命。本发明属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）由空间分布在不同位置的自治且可以互相通信的传感器节点构成。这些节点可以监控温度、声音、震动、压力、移动和污染情况等物理和环境信息，并且可以通过网络将这些信息传送到监控终端。由于经常部署在野外环境中，缺乏持续稳定的电源供电，节点的能耗问题始终是无线传感器网络部署和研究中的核心议题。为了提高节点的能量效率，需要通过预测节点使用寿命，进一步优化协议算法，延长节点的使用寿命。因此在无线传感器网络的部署和研究中需要实现对节点的能量消耗的实时精确监测。

能量消耗是功率在时间上的积分，而功率则是节点电压和电流的乘积。传统节点能耗监测方法认为节点电压会按照设计所预想那样保持恒定，因而往往只对节点电流进行测量，但是在实际中，节点电压并非处于理想状态，尤其是当节点采用USB供电时，节点电压会存在较大的波动。为了精确监测节点的能量消耗状态，需要对节点的电压和电流都进行监测，而且需要实现对电压和电流同时进行采样才能达到实时精确的监测目的。

当传感器节点处于不同工作状态时，其能量消耗差别巨大：当节点处于休眠状态时，其工作电流处于微安级别；当节点进行无线收发时，节点电流可以达到近百毫安。传统的能量测量方法因为模数转换器位数分辨率较低的原因，往往不能同时精确测量这两种情况下的节点电流。通常的做法是选择放弃对节点休眠状态能量消耗的监测，因为其电流较小。但实际上，无线传感器网络在实际部署时都会执行低功耗监听（Low Power Listening），且绝大部分时间处于休眠状态。因此，这部分的能量消耗是不应被忽视的，也应该被纳入监测范围之内。

同时，传感器节点的活动是以毫秒，甚至更小的时间间隔为单位的，因而节点内的电流变化极为迅速。加州伯克利大学的研究表明需要至少40kHz的采样率，才能精确地监测节点活动时的能量消耗变化。传统的测量方法的采样频率只有数百赫兹，因而不具备精确监测节点活动所带来的能量消耗的能力。另外，高采样率所产生的大量数据要求测量方法中的微处理器具备很强的数据处理能力，同时数据传输通道也应具备较高的数据传输速度。加州伯克利学者在他们的论文中选用I2C总线作为传输途径，由于I2C线路能够支持的最大数据传输速率仅为400Kb/s，远小于他们的数据产生速度，因而该机制并不支持实时能耗监测，而只能监测节点一段时间内的总能量消耗。以往的传感器节点能耗监测方法都不能达到这些要求，更不能以较低的成本实现。

在无线传感器网络的部署中，尤其是无线传感器网络测试平台尤其是室内测试平台的搭建中，传感器节点往往采用USB供电的方式。但是在野外大量部署的时候，又大多采用电池供电的方式。因此，为了提高节点能耗监测方法的通用性，能耗监测方法应具备同时适用于这两种供电模式的能力。

经检索发现，申请号为201010200972.7，申请日期为2010年6月8日的国内发明专利申请公开了一种“无线传感器网络的多节点在环境中实时能量消耗监测系统”，该系统侧重于对能耗监测系统整体结构的改进，并未有针对节点能量消耗监测方法创新。除此之外，经检索并未发现国内发明专利涉及无线传感器网络的节点能耗监测。

本发明提出了一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，该方法通过对节点的能量消耗的，尤其是节点休眠状态能量消耗的实时精确监测，进一步协助开发者评估节点的能量效率，优化协议算法，从而延长节点寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何克服传统无线传感器网络的节点能量消耗监测方法不能同时精确测量传感器节点处于不同工作状态时、不同供电模式下的能耗，而且不支持实时测量的问题。本发明可实现一种能对电压电流同时采样、具有高频率采样、高速处理和高传输数据，且能够在节点电流分布的整个范围内实现精确测量并且同时适用于USB供电和电池供电两种情形的传感器节点能量消耗监测方法。该方法可以实时地监测节点能量的消耗情况，并且支持把数据上传到服务器上，结合常见的无线传感器测试平台，可以实现对无线传感器网络进行能耗效率的精确分析。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的监测方法基本框架如下：测量装置由接口、感应、信号调整、数字化及控制传输四个单元组成。所有的测量装置单元都被集成到一块测量电路板上。测量电路板上同时提供USB和电池能量输入接口，可根据具体能量供应方式，而选择相应的接口。两个电流感应电阻被用来将流经被测节点的电流转化为电压降。经过信号调整之后，感应电阻和被测节点两端的电压都会被数字化，最后输入控制单元。

本发明采用的接口设计可适用于传感器节点采用电池供电或由USB供电两种方式。分别对应这两种供电情形，本发明在测量电路板内部采用两条对立且互不干扰的通路。通过提供的接口切换开关，用户可以自主选择相应的连接被测传感器的接口。同时测量装置本身由USB供电，并且通过USB通道向服务器传输数据，因而具有一个USB输出接口。

电流感应单元使用感应电阻将传感器的工作电流转化为感应电阻两端的电压降。而电压降将会在信号处理单元被放大一个合适的倍数，以便最终的模数转换器读取。本发明的一个突出特点在于，在供电电路的正极和传感器正极之间使用多于一个感应电阻，采用动态开关的设计，实现动态量程功能。而动态量程的使用，则是为了能精确测量传感器节点工作时所对应的最小和最大电流及其之间所有大小的电流。

本发明所提出的能量监测方法为了精确测量传感器节点的能量消耗情况，需要在节点处于休眠状态时也能正常工作，即监测方法的精度不应低于1微安。对于模数转换器来说，微安级的电流过小，无法精确测度，因而信号调整单元需要采用电压放大器对在电流感应单元获得的电压降进行放大。除了调整信号大小之外，为了能够同时监测节点在充电和消耗能量时的电流大小，信号调整单元将采用合适的基准电压。

为了精确地监测节点活动时的能量消耗变化，至少需要提供40kHz的采样频率。而且，由于采用了动态量程的设计，模数转换器量程至少需要达到12位分辨率。因此，本发明的数字化及控制及传输单元需要选用满足以上功能的微处理器芯片作为控制单元，比如STM32微处理器。该系列微处理器可负责控制采样频率，测度和数字化输入的模拟信号。STM32微处理器可选的几个抽样频率等级都远大于40kHz，因而可以自由选择一个适中的抽样频率。另外，本发明可通过STM32内的两个12位模数转换器和计时器，同时触发对节点电压和电流的采样，保障精准测量节点某一时刻的功率大小。高采样率所产生的大量数据要求测量方法中的微处理器具备很强的数据处理能力，当抽样频率为100kHz时，每秒钟产生的采样数据大小为16χ2χ100kHz=3.2Mbit/s，即选用的数据传输通道需至少提供3.2Mbit/s的数据传输速度才能保证能量的实时监测，比如采用支持12Mbit/s数据传输速度的USB可满足需要。

本发明是一种新型的适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，能达到的有益效果如下：

（1）实现了极高频率的采样和数据传输，选用的采样率远高于业内之前的500HZ水准。并且采用USB作为传输通道，在保障了极高采样频率下，仍能够实现对节点能量消耗的实时监测，无需缓存。

（2）实现了对传感器节点整个工作电流范围的精确监测，即可在节点休眠状态下进行监测。动态量程的设计既能保障对大电流和小电流都能精确测量，同时也降低了对模数转换器分辨率的要求，从而降低了成本。

（3）实现了对节点电流和电压的同时采样，因而可以精确计算节点在某一时刻的功率。进而通过计算功率在时间上的积分，得到节点在一段时间内的能量消耗值。

（4）具有很好的通用性，并且可大规模应用。可适用于采用USB供电或电池供电两种模式的节点。低成本，对节点本身活动无干扰。

附图说明

图1为本发明在能耗监测系统中的应用方式和作用的示意图；

图2为能耗监测方法的逻辑电路图。

其中：1和2均为感应电阻；3为节点使用电池供电时所应选择的接口；4为节点使用USB供电时所应选择的接口；5为电池输入接口；6和22均为USB接口；7为USB传输通道；8为节点供电接口选择开关；9为代量程选择开关；10和11均为电压放大器；12为基准电压；13和14均为被用来测量节点电压的电阻；15为STM32芯片即监测方法的控制单元；16和17分别为STM32内两个模拟数字转换器；18、19、20均为USB端口；21为USB集线器；23为STM32内的计时器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1，本发明所涉及的节点能量消耗实时监测方法由USB供电，无需消耗节点本身的能量，对节点活动无干扰。监测方法采集节点的电压和电流情况，然后通过USB通道上传给USB集线器，集线器通过网络上传到服务器。节点如果采用USB供电方式，监测方法需通过USB与节点相连接。如果节点由电池供电，只需要在节点供电接口选择开关8中设置即可。

图2为本发明所涉及的监测方法的逻辑电路图，其中电池输入接口5与3构成对使用电池供电的节点的接口，而与之对应的两个USB接口6与4构成使用USB供电的节点的接口。

在实际使用中，电流从电池输入接口5或者对应的USB接口6流经1和2组成的感应电阻，进而通过3或者对应的5流经被测节点。1和2之间采用串联连接方式，同时，一个基于MOSFET材料的动态开关与1串联。当流经感应电阻的电流大于0.3毫安时，1将被短路，2成为唯一的感应电阻。当流经感应电阻的电流小于0.3毫安时，动态开关将形成开路，此时实际的感应电阻值为两个电阻之和。

感应电阻两端的电压降被输入电压放大器10进行放大，10的输出作为电压放大器11的输入。11的另一输入端是基准电压12即节点充电电压的二分之一。根据两个输入之间差分结果的正负可以判断电流的实际方向：如果是正值，则节点处于能量消耗状态，如果是负值则节点处于充电状态。

STM32中的模拟数字转换器16以11的输出作为输入。模拟数字转换器17的输入为13和14之间的电压。因为13和14之间是串联关系，且两者阻值已知，所以可以由17的测量结果，获得节点电压大小。STM32中的计时器23负责同时触发两者的采样。

节点电流的计算公式为                                                。其中R为实际的感应电阻大小，G为放大器A1的放大倍数，N为模数转换器中的实际读数，V_REF为基准电压，Vcc为模数转换器测量范围内的最大电压。

动态开关的电路图并未完整出现在图2中。实际上，STM32中还有第三个模数转换器参与了其反馈电路之中。该模数转换器的读数作为反馈结果，决定开关的闭合与断开。

Claims (9)

1.一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：测量装置通过接口切换开关选择相应的连接被测传感器的接口，其自身由USB供电，并且通过USB通道向服务器传输数据；使用感应电阻将传感器的工作电流转化为感应电阻两端的电压降，采用动态量程；使用电压放大器，并结合基准电压对获得的电压降进行放大；通过微处理器控制采样频率、测度和数字化输入的模拟信号，并利用微处理器的模数转换器和计时器同时触发对节点电压和电流的采样，采用USB传输方式保证对节点能量消耗的实时监测，支持在节点电流分布的整个范围内对处于不同工作状态、不同供电方式的传感器节点能耗进行实时监测。

2.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：支持对电压电流的同时采样。

3.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：同时提供USB和电池能量输入接口，分别对应USB或电池供电情形下，在测量电路板内部采用两条对立且互不干扰的通路，通过提供的接口切换开关，可自主选择相应的连接被测传感器的接口。

4.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：监测装置自身由USB供电，并且通过USB通道向服务器传输数据，因而具有一个USB输出接口，将高频率采样所获得的节点电压和电流数据实时上传到服务器。

5.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：在供电电路的正极和传感器正极之间使用多于一个感应电阻，采用动态开关的设计，实现动态量程功能，即根据流经节点的电流大小，动态开关的闭合和断开改变实际接入电路的感应电阻的大小，从而改变测量量程。

6.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于，信号调整单元采用电压放大器对在电流感应单元获得的电压降进行调整，并采用合适的基准电压，对流经节点的正反两个方向的电流都能精确测量，从而同时监测节点在充电和消耗能量时的电流大小。

7.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：采用位于同一微处理器中的计时器和两个模数转换器，同时触发对节点电压和电流的采样，保障精准测量节点某一时刻的功率大小。

8.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：控制单元的微处理器芯片须采用量程达到12位分辨率的模数转换器，以保障动态量程的实现。

9.根据权利要求书1所述的一种适用于无线传感器网络的节点能量消耗实时监测方法，其特征在于：数据传输通道需至少提供3.2Mbit/s的数据传输速度才能保证能量的实时监测。

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