CN102869077B - 基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法 - Google Patents
基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法,所述无线传感网络包括中心节点、路由节点和终端节点,其特征在于所述方法包括以下步骤:(1)中心节点向无线传感网络内其他节点发送管理配置信息;路由节点和终端节点接收中心节点的管理配置信息后,进行节点管理配置;(2)终端节点管理配置完毕后,进行数据采集,并将采集的数据通过ZigBee网络向其他节点发送;(3)终端节点数据传输完毕后,进入休眠状态,将相关数据保存到由外部电源进行持续供电的存储器中,并开启唤醒定时器;(4)定时器定时休眠的时间到达时,节点进行休眠唤醒,开始新一轮的数据采集和数据传输。
Description
技术领域
本发明属于无线传感网络数据传输技术领域,具体涉及一种基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法。
背景技术
在室外环境温湿度数据信息采集监测这类无线传感网路应用中,无线传感网络使用蓄电池供电,并且一般处于较为偏僻的野外,无法经常指派人员专门前往现场为这些无线传感器节点充电,因此,这类无线传感网路应用对于功耗控制有着严格要求。
基于SoC芯片的低功耗工作模式是无线传感网实现低功耗的有效方法。无线传感网节点的处理器功耗主要由系统时钟,工作电压和ASIC制作工艺来决定,一般而言,工作电压越高,运行时钟越快的话其产生的功耗也将越大。如果处理器芯片能够支持低功耗模式,提供有效控制方式来灵活处理内部系统时钟和其它硬件模块的工作状态,从而可以依据不同的应用场景来制定相匹配的低功耗策略,以达到延长无线传感网络节点持续时间的目的。
在无线传感网络中,MAC协议定义了无线信道的使用机制,对网络的性能和效率都有很大的影响。为了尽量减少在MAC层对无线信道使用导致无用的能量消耗,可以采用工作/休眠的循环工作机制,使节点在发送数据时开启射频模块,在无数据传输时,与邻近节点同步来协调休眠和工作的周期,随后进入休眠模式来降低节点功耗。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法,解决了现有技术中基于ZigBee协议的无线传感网络进行数据采集和传输时功耗大、无线传感器节点寿命短等问题。
为了解决现有技术中的这些问题,本发明提供的技术方案是:
一种基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法,所述无线传感网络包括中心节点、路由节点和终端节点,其特征在于所述方法包括以下步骤:
(1)中心节点向无线传感网络内其他节点发送管理配置信息;路由节点和终端节点接收中心节点的管理配置信息后,进行节点管理配置;
(2)终端节点管理配置完毕后,进行数据采集,并将采集的数据通过ZigBee网络向其他节点发送;
(3)终端节点数据传输完毕后,进入休眠状态,将相关数据保存到由外部电源进行持续供电的存储器中,并开启唤醒定时器;
(4)定时器定时休眠的时间到达时,节点进行休眠唤醒,开始新一轮的数据采集和数据传输。
优选的,所述方法中终端节点的微处理器具有低功耗工作模式和高速模式;当进行数据采集和数据传输时,终端节点的微处理器采用高速模式,其他状态终端节点的微处理器采用低功耗工作模式。
优选的,所述方法中中心节点和路由节点保持无线射频模块的开启状态。
优选的,所述方法中终端节点的低功耗工作模式和高速模式通过设置CPU的工作状态寄存器进行切换。
优选的,所述方法中终端节点的低功耗工作模式根据工作状态进行切换;当节点进行数据采集时,终端节点选择关闭无线射频模块;当节点进行数据传输时,关闭数据采集传感器,同时开启无线射频模块。
优选的,所述方法中终端节点的无线射频模块的启闭通过设置射频模块的工作状态寄存器进行切换。
本发明应用于基于ZigBee协议的无线传感网络低功耗应用场合。本发明提出了一种专门针对室外环境温湿度数据信息采集监测的无线传感器网络应用的数据采集和传输方法。在室外环境温湿度数据信息采集监测这种无线传感网应用中,无线传感网络节点使用蓄电池供电,同时一般位于室外安置比较困难的环境,往往无法安排人员定期专门前往现场为室外节点充电,因此,这类无线传感网应用对于功耗控制有着严格要求。本发明基于低功耗SoC芯片的同步循环工作机制的ZigBee协议,也可称为“LP-ZigBee协议”。该协议利用SoC芯片的低功耗工作模式,在不同的状态下采取相适应的工作模式,在保证网络传输正常运行的基础上,最大程度的降低系统运行的功耗。同时,针对无线传感网数据信息采集的工作特点,该协议还使用了同步循环工作机制,该方案使得各终端节点保持同步唤醒和休眠周期,在数据采集和传输任务完成后,及时进入休眠状态,进一步达到降低无线传感器网络节点平均功耗的目的。详细发明内容如下所述:
多芯片的无线传感网络解决方案的芯片组合,都是采用的MCU芯片来进行主要的系统控制和数据处理工作,再通过外围的射频芯片来进行无线数据通信任务,这种解决方案对芯片设计的复杂度要求上较低,以目前的工艺水平来看,相对成本也会低些。但是多芯片解决方案的缺点也同样明显,首先芯片体积较大,外围支持的电路模块要求较多,从而导致整个产品的最终尺寸有所限制,在某些无线传感网特殊应用环境中无法适用,不能很好应用于无线传感网工程项目中。其次,由此带来的功耗问题也无法避免,在主要由非固定电源如电池等来进行能源供应的无线传感网节点上,无法保证无线传感网节点的有效续航能力能够满足系统要求。而目前主流的SoC或者SiP单芯片解决方案,不仅在芯片体积上相比以往的多芯片解决方案有很大缩小,更重要的是有效降低了系统能量消耗,在低功耗方面的突出特性能够很好的满足无线传感网应用需求,同时芯片的稳定性和可靠性也有相应的提升。因此为了解决无线传感网络多芯片解决方案的上述缺陷,采用SoC单芯片解决方案来解决ZigBee无线协议栈的低功耗问题是主要的技术方法。
在现有ZigBee协议栈的实现方案中,往往没有充分考虑无线传感网络的实际特点,从而达到充分降低系统功耗的目的。在许多无线传感网络应用中,节点处于周期性采集数据的工作循环中。在数据采集周期固定的情况下,对无线信道的使用同样是周期性的使用,因此可以在数据采集的间隔时间中将节点的射频模块关闭,同时结合SoC芯片的低功耗技术,使节点的处理器芯片进入低功耗工作模式,从而极大的降低了系统的能量消耗,同时还可以满足无线传感网络数据稳定传输的要求。
因此,该协议利用SoC芯片的低功耗工作模式,在不同的状态下采取相适应的工作模式,在保证网络传输正常运行的基础上,最大程度的降低系统运行的功耗。同时,针对无线传感网数据信息采集的工作特点,该协议还使用了同步循环工作机制,该方案使得各终端节点保持同步唤醒和休眠周期,在数据采集和传输任务完成后,及时进入休眠状态,进一步达到降低无线传感器网络节点平均功耗的目的。
相对于现有技术中的方案,本发明的优点是:
本发明提供了一种专门针对室外环境温湿度数据信息采集监测的无线传感器网络应用的LP-ZigBee协议。在室外环境温湿度数据信息采集监测这种无线传感网应用中,无线传感网络节点使用蓄电池供电,同时一般位于室外安置比较困难的环境,往往无法安排人员定期专门前往现场为室外节点充电,因此,这类无线传感网应用对于功耗控制有着严格要求。本发明基于低功耗SoC芯片的同步循环工作机制的数据采集和传输方法,该方法利用SoC芯片的低功耗工作模式,在不同的状态下采取相适应的工作模式,在保证网络传输正常运行的基础上,最大程度的降低系统运行的功耗。同时,针对无线传感网数据信息采集的工作特点,该协议还使用了同步循环工作机制,该方案使得各终端节点保持同步唤醒和休眠周期,在数据采集和传输任务完成后,及时进入休眠状态,进一步达到降低无线传感器网络节点平均功耗的目的。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1是ZigBee技术协议组成示意图
图2是基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法进行状态切换策略示意图。
图3是基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法的节点设计方案示意图。
图4是基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法的同步循环工作流程图。
图5是基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法的中心节点和终端节点之间关系示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解,这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整,未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例
基于ZigBee协议的无线传感网络的数据采集传输方法
(1)ZigBee协议栈
ZigBee是一种低速的适用于短距离传输的无线网络协定,底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层与物理层,如图1所示。其主要特色有低速、低功耗、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee协定层从下到上分别为物理层(PHY)、媒体存取层(MAC)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。
(2)低功耗工作模式和高速模式切换
低功耗工作模式和高速模式的状态切换策略详细过程如图2所示。节点首先接收来自中心节点协调器的管理配置信息,包括本节点的网络地址,数据采集参数等信息,因为此时对数据传输和处理的及时性要求不高,所以SoC芯片工作于SLOW模式以降低系统功耗;当节点管理配置完毕后,就可以依据之前的指令开始进行无线传感网节点的数据采集工作,并通过ZigBee网络将所采集的数据包发送出去,这时对数据处理能力有很高的要求,需要微处理器运行在高速主频中,因此节点的SEP6010芯片进入High-Speed模式,以进行数据的高速处理;在节点的数据采集和收发完成后,节点需要等待中心节点的统一调度管理,此时仅需要开启射频模块来接收中心节点的调度信息,通过外部唤醒来启动微处理器的继续运行;当接收到中心节点的休眠信息后,节点需要开始配置休眠定时器,以在休眠周期结束后能够及时唤醒,同时还需要相关数据需要保存到由外部电源进行持续供电的SRAM存储器中,包括寄存器数据和程序缓存等。
SEP6010基于ARM7TDMI内核,设置其相应的功耗管理寄存器,可以关闭高速时钟以及关闭芯片内部的暂时不使用的模块,使得CPU在一个较低的工作频率上运行,进入休眠状态,从而降低整个芯片的功耗。同时,在休眠模式下,CPU可以通过外部中断以从休眠状态中唤醒。
射频芯片也有接收模式、发送模式、休眠模式等模式可供配置。在需要打开或关闭射频模块时,只需通过主控芯片给射频模块发送命令,使其工作在相应模式即可。一些射频模块也支持无线唤醒的功能:在休眠期定期侦听媒介中的无线信号,如果无线信号的前导码符合,则射频模块自动醒来以接收无线信号。
(3)节点同步循环工作流程
节点设计方案图如图3所示,同步循环工作流程示意图如图4所示,网络结构示意图如图5所示。
如图4所示,节点上电以后,CPU工作在High-Speed模式,射频模块处于关闭状态以降低功耗。CPU发送命令使得传感器采集模块开始采集数据,然后打开射频模块并将数据包发送出去。数据包发送出去以后,节点配置相应寄存器使CPU进入休眠模式,同时关闭射频模块,以降低功耗。CPU休眠一定时间后,唤醒,并继续周期性地采集数据、发送数据、休眠。
实现系统的低功耗一方面依靠硬件的低功耗设计来实现,另一方面通过相应软件措施来配合。低功耗的软件设计的主要方法是依据处理器芯片各个工作模式的特性,设计合理的调度切换模式,充分缩短CPU高速运行的时间,让处理器芯片在低功耗模式下运行。同时无法集成设计到芯片内部的外围硬件模块通常设计有节点功能特性,可以由处理器芯片通过外围引脚或者相应的控制电路使其在空闲时进入节电状态,也可以灵活选择关闭外围模块,达到降低系统总体功耗的目的。
在无线传感网运行过程当中,射频模块一般处于主动模式或者低功耗模式。这两种模式下功耗是不同的。射频模块是无线传感网络的主要能量消耗因素,射频模块的主动模式能耗要超过低功耗模式很多,为了有效节省电量,应该尽量使射频模块运行于低功耗模式。节点的使用时间主要受其功耗高低的影响,在本系统中,基本节点在无数据传送时会进入休眠计时状态,此时节点不会接收和处理其它节点发送来的数据信息,所以基本节点不能够通过其它节点来进行休眠唤醒。而如果节点在休眠时仍然要求能够接收数据,节点就需要开启射频模块来保持监听状态,从而达不到低功耗的要求。因此对基本节点的休眠唤醒需要采用休眠定时的方法来实现。
在数据传输过程中,依据节点应用层所设定的数据采集周期,在每次数据采集后,就开启射频模块向路由节点发送数据,然后进入休眠定时,当定时时间到后节点开始新一轮的数据采集传输过程。在ZigBee无线传感网络中,主要是在终端节点上实现低功耗工作模式,这主要是由于低功耗工作模式下射频模块将频繁处于关闭状态,而协节点和路由节点需要保持射频模块的开启来保证无线网络的正常通信。
在本实施例低功耗设计中,主要是依据无线传感网络节点数据采集的任务特点,将周期性的数据传输与节点休眠结合起来,让传感器节点每隔一定的时间采集数据后就启动射频模块来完成数据发送任务,在这间隔时间周期中,终端节点就处于休眠状态来减低系统功耗。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于 ZigBee 协议的无线传感网络的数据采集传输方法,所述无线传感网络包
括中心节点、路由节点和终端节点,其特征在于所述方法包括以下步骤:
(1)中心节点向无线传感网络内其他节点发送管理配置信息;路由节点和终端节点接收中心节点的管理配置信息后,进行节点管理配置;
(2)终端节点管理配置完毕后,终端节点的微处理器采用高速模式进行数据采集,并将采集的数据通过 ZigBee 网络向其他节点发送;
(3)终端节点数据传输完毕后,节点需要等待中心节点的统一调度管理,此时仅开启射频模块来接收中心节点的调度信息,微处理器采用低功耗工作模式;当接收到中心节点的休眠信息后,节点开始配置休眠定时器,以在休眠周期结束后能够及时唤醒,同时将相关数据保存到由外部电源进行持续供电的存储器中;
(4)定时器定时休眠的时间到达时,节点进行休眠唤醒,开始新一轮的数据采集和数据传输。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述方法中终端节点通过设置微处理器的工作状态寄存器在低功耗工作模式和高速模式之间切换。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述方法中终端节点的低功耗工作模式根据工作状态进行切换;当节点进行数据采集时,终端节点选择关闭射频模块;当节点进行数据传输时,关闭数据采集传感器,同时开启射频模块。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述方法中终端节点通过设置无线射频的工作状态寄存器实现射频模块的开启和关闭。
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