CN103843416A

CN103843416A - 用于在无线传感器网络中无线广播上电序列的方法和设备

Info

Publication number: CN103843416A
Application number: CN201280048656.XA
Authority: CN
Inventors: 李在植; 李寅燮
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-06-04
Also published as: EP2742742A4; WO2013022983A1; US20130039230A1; EP2742742A1

Abstract

本发明提供用于对无线传感器网络内的传感器节点进行智能电源管理以实现极其低的待机电流和同时快速上电时间的方法和设备。该方法的特征在于组合以局部广播上电序列的集中式远程上电方案以实现快速上电时间和扩展的上电覆盖区的技术。其能依序管理从基站到传感器节点的掉电序列，而上电序列从基站向传感器网络内的所有传感器节点广播其上电命令。该设备接受相同的频带用于数据通信和上电消息，并且RF开关分开接收RF数据和RF上电消息。无线上电接收器从上电消息自供电并且也从上电消息生成上电启动信号。

Description

用于在无线传感器网络中无线广播上电序列的方法和设备

相关申请

本申请为对应于在2011年8月9日提交的名称为“Method andDevice for Wireless Broadcast Power-up Sequence in Wireless SensorNetwork”的美国专利申请序列号No.61/521,412的非临时专利申请。

背景技术

无线传感器网络（WSN）的重要性在许多应用中表现出来，诸如空气污染监视、火灾监视、机器健康监视、区域监视和军事应用。无线传感器网络包括多个具有感测和计算能力的低功率网络节点设备。基站为具有强大的计算、能量和通信资源的WSN的一个或多个可辨别的组件。它们充当在传感器节点与终端使用者之间的网关，因为它们通常从WSN向服务器转发数据。WSN由传感器“节点”构成，从几个到数百个或甚至上千个节点，其中每个节点连接到一个（或有时多个）传感器。每个传感器节点通常具有若干部件：无线电收发器，其具有内部天线或者到外部天线的连接；微控制器；以及电子电路，其与传感器形成接口连接。用于WSN节点的电源通常为可耗减的电源，诸如电池。为了延长传感器网络的寿命期限，设计了多种电源管理方案。许多电源管理方案利用传感器网络硬件的节能特征。电源管理方案需要控制网络传感器节点何时应进入高功率运行模式和何时进入低功率睡眠模式。从高功率到低功率模式的掉电转变可以通常利用关掉硬件组件的一组指令来进行，并且电源管理方案可以在保持特定条件时，例如系统长期无事件时执行这种操作。但从低功率模式到高功率模式的上电转变是一个棘手的问题，因为网络传感器节点使其自己的CPU停止并且不能注意到外面的事件。在许多应用中，希望在相关的某些事件发生时唤醒网络。但传感器节点不能容易地精确地知道何时事件发生。

为了解决这个问题，许多电源管理方案需要每个传感器节点周期性上电以收听无线电信道。通过选择良好的上电/掉电时间表，网络可以节省大量能量而不会有损系统功能。示例包括“Method and device fortransponder aided wake-up of a low power radio device by a wake-upevent”美国专利No.7,072,697B2。在此专利中，上电/掉电安排的实现方式常常涉及计时器，其经由中断来唤醒微控制器。

另一办法是使用低功率待机硬件组件来在节点进入睡眠模式时观察环境。某些示例为“Remote control wake up detector system”美国专利No.6,100,814，“Wake up device for communications system”美国专利No.7,912,442B2，和“Method and device for transponder aidedwake-up of a low power radio device by a wake-up event”美国专利No.7,072,697B2。该系统包括用于将第一通信设备切换到睡眠模式和响应于接收到唤醒信号将第一通信设备从睡眠模式切换的装置。但是，这些系统在先前并未解决增加上电序列覆盖的问题。而且，对于低功率唤醒设备的控制仍需要额外功耗和额外复杂的控制单元。

在诸如运输或汽车的某些WSN应用中，通过关掉长时间未使用或有源的传感器节点使传感器节点置于长期冬眠或掉电模式。这样的方案允许传感器节点具有极其低的待机电流（<1μA），但传感器节点上电时间变得重要。而且，如果这些应用同时需要快速上电时间和宽广上电覆盖区，常规的电源管理方案难以实现这些设计规范。

发明内容

本发明设法解决现有技术的缺点。

本发明的一方面提供一种用于无线传感器网络的电源管理序列的系统。该系统包括基站和多个传感器节点。

基站控制整个传感器节点的数据传输和电源管理序列。

传感器节点向基站提供感测数据。

基站使用一种类型的多路复用方案来用于数据和掉电消息传输。

基站向多个传感器节点广播RF上电消息。

传感器节点接受上电消息并且生成上电检测信号，其中在上电序列期间，上电检测电路使用来自RF上电消息的能量，并且其中传感器节点准备与基站通信。

在上电序列之后传感器节点开始向不在基站的覆盖区的邻近节点传播局部上电消息。

基站与传感器网络中的节点对讲以确认所有网络节点被唤醒。

传感器节点可包括有源RF无线电，且其中有源RF无线电包括电子电路，包括：

用于无线数据传输的RF无线电收发器，其适于分配单个频道；

天线，其适于从基站或传感器网络中的传感器节点接收单个频道RF信号；

电源管理单元，其适于提供具有多个电力/接地域的调节的电源；以及

上电接收器，其耦接到天线并且适于针对上电接收器启动（检测）信号的存在而动态地采样RF信号，其中上电接收器与数据传输收发器使用相同频率。

用于形成上电信号以警示从掉电模式转变到上电模式的上电接收器包括：

电子开关，其适于在传感器节点处于掉电模式时耦接天线，其中开关在数据传输期间为断开模式，受到上电接收器启动信号控制；以及

RF至DC转换器，其适于将RF上电消息转换为DC功率以驱动上电接收器，其中整流器有时直接耦接到天线以提高RF敏感性。

上电接收器还包括：

RF放大器，其适于增加RF上电消息的动态范围；

RF包络检测器或整流器，其适于将RF信号转换为DC信号电平；以及

比较器，其适于获得DC信号电平并且驱动它到上电管理单元。

用于生成控制上电接收器之前的LDO和电子开关的上电检测信号的上电检测器包括：加电复位（PoR）、两个滞后输入缓冲器、异或门和D型触发器。

在电源管理单元中的加电复位（PoR）可检测来自电池的施加到芯片上的外部电力并且生成复位脉冲，复位脉冲通往传感器节点，将其置于已知状态。

本发明的另一方面提供一种用于无线传感器网络的电源管理序列的方法，无线传感器网络包括基站，其用于控制整个传感器节点的数据传输和电源管理序列；和多个传感器节点，其向基站提供感测数据，

该方法包括以下步骤：

基站向多个传感器节点广播RF上电消息；

在接收到上电消息时，传感器节点使用来自RF消息的能量并且使得传感器IC上电以准备进行数据传输；

传感器节点开始向不在基站的覆盖区的邻近节点传输相同的上电消息；以及

多路复用方案的类型可包括用于数据和掉电消息传输的TDD或FDD。

虽然简要地总结了本发明，通过附图、详细描述和所附权利要求得到对本发明的更全面了解。

附图说明

参考附图，本发明的这些和其它特征、方面和优点将会被更好地理解，在附图中：

图1为示出根据本发明的实施例的所提议的上电序列的拓扑的图；

图2为示出根据本发明的实施例的传感器节点的示例性框图的图；

图3为示出根据本发明的实施例的掉电序列的示意图；

图4为示出根据本发明的实施例的上电序列的示意图；

图5为根据本发明的实施例的电源管理单元的框图；

图6为根据本发明的实施例的传感器的节点的电源管理序列的时序图；

图7为根据本发明的实施例的电源管理序列的状态图；以及

图8为示出根据本发明的另一实施例的电源管理序列的方法的流程图。

具体实施例

临时美国专利申请序列号No.61/521,412以引用的方式并入到本文中如同其在本文中全面地陈述。

本发明公开了对无线传感器网络内的传感器节点进行智能电源管理以实现极其低的待机电流和快速上电时间的方法和设备。所提议的电源管理序列的特征在于针对整个传感器节点的组合以局部广播上电序列的集中式远程上电方案的技术。更重要的是，来自基站的RF上电消息使用与RF数据通信相同的频带，因此更易于实施无线开关。其能循序地管理从基站向传感器节点的掉电序列，而上电序列从基站向传感器网络内的所有传感器节点广播其上电消息。当网络开通时，基站将上电消息广播给在其覆盖区内的所有传感器节点。如果一个传感器节点接收的能量低，在集中式远程上电覆盖区内的邻近的传感器节点传播局部上电消息以完成在网络内的上电序列。每个传感器节点具有RF数据收发器和上电接收器，并且它们利用RF上电开关分开。上电接收器能生成自供电上电检测信号。其包括RF至DC转换器、上电开关、RF增益放大器、RF包络检测器和比较器。在数据传输与上电/掉电之间的模式转变受到上电开关的状态控制，上电开关的状态由在电源管理单元处的上电检测器确定。

图1展示了组合以局部广播上电序列的集中式远程上电序列的概念拓扑。传感器网络的电源管理受到基站控制。基站利用掉电消息来控制每个节点的掉电序列。但是，不能控制节点的上电序列，因为在掉电模式期间在基站与节点之间并不存在无线链路。当网络开通时，基站以最大输出功率电平将上电消息广播给所有传感器节点。每个节点将其初始信息发送给基站以便确认其上电序列。如果一个节点接收的能量低，那么邻近节点接收到传播局部上电消息的命令。为了节省上电时间，可以部署另一方案：在检测到上电转变之后，节点恢复其电源管理单元，并且变成“复位”状态。并且然后，节点将进入到局部上电模式，其中节点局部地传送上电消息。因为存在系统上电时间规范，上电序列和其输出功率电平必须被良好地优化以满足此规范。

图2示出了包括无线电收发器和传感器的传感器节点的示例框图。完全整合的无线电包括RF收发器、LO合成器、数据转换器和数字基带。主收发器基于低IF接收器和直接上变频发射器。单端LNA具有两种增益模式设置，并且生成差分输出。由双平衡无源开关的I/Q混合器差分下变频的信号被馈送到差分TIA。合并有增益级的复合带通滤波器可以调整其带宽和基带增益。发射器利用有源RC双二阶滤波器支持直接上变频发射模式。驱动器放大器（DA）具有从Po，min dBm至其最大输出功率Po，max dBm范围的输出功率。DA具有用于局部上电序列的增压输出功率模式。使用以LO频率二倍操作的分数N频率合成器在芯片上生成正交LO信号。传感器IC包含四个芯片上模拟传感器、模拟多路复用器和高分辨率ADC。其还包括主电源管理单元（PMU）以从2.7V至4.8V的单个电池电压生成调节的电源。

无线上电接收器（WiPuRx）被设计成生成用于主电源管理单元（PMU）的自供电的上电检测信号（PU_LDO）。其与主收发器共用同一天线以减少系统总开销。天线为印刷PCB天线，并且与主接收器和WiPuRx的平均输入阻抗LC匹配。由于RF信号频率和上电频率在fRF相同，应注意阻抗匹配网络。在接收器模式中，PUSW被关掉，因此RF2DC的电容和WiPuRx的高输入阻抗将添加到主接收器的阻抗。匹配网络被设计成使得其输入阻抗在fRF为50□。虽然主接收器和发射器在上电模式被关掉，合并有芯片上匹配网络的板载匹配网络被设计成在fRF输入阻抗为50O。

WiPuRx具有RF至DC转换器（RF2DC），类似于在RFID系统中的无源应答器，以向WiPuRx提供DC功率（PVDD_RF2DC）。上电检测电路包括上电开关（PUSW）、RF包络检测器（RFED）和比较器。PUSW放置于天线与WiPuRx之间以分开正常与上电操作。

RF2DC从入射的RF上电消息生成上电检测电路的DC功率（PVDD_RF2DC）。上电消息包括具有无数据内容的可调整的多个数据包长度。PUSW受从主PMU（图2）的电源管理逻辑（PML）生成的‘EN—PURX’控制。由于主PMU（包括主LDO）被关断，掉电电流极其低，低于1μA。

当无线传感器网络掉电时，基站通过一次一个或广播来向所有传感器节点发送掉电消息。每个节点解释掉电消息并且使得主PMU关断。在ENPURX=‘L’时，PUSW闭合并且准备检测上电消息（图3）。

当网络开通时，基站向所有传感器节点广播上电消息（图4）。上电消息在WiPuRx处（1）转换为DC功率，PVDD_RF2DC，在RF2DC；并且（2）生成上电检测信号（PU_LDO）。实际上，虽然PUSW处于‘开启’状态，上电消息被递送到RFED。单端RFED输出被馈送到滞后缓冲器和比较器以生成上电检测信号PU_LDO。比较器的阈值电压由上拉与下拉设备电导系数的比来确定。信号‘PU_LDO’保持‘H’状态，直到激活了掉电消息（‘PU_LDO’=‘H’）。主PMU生成‘EN_LDO’以激活主LDO并且从电池电压生成调节的电源（图5）。然后，传感器节点进入“复位”（或初始）状态以准备与基站通信。局部上电序列从‘复位’状态起始，并且能以两种方案中的任一个实现。第一个是基于从传感器节点到基站的上电确认消息。基站配置传感器节点的上电状态，并且命令节点将局部上电消息传播到邻近节点。第二方案是将局部上电消息从处于‘复位’状态的节点传播到邻近节点以便缩短上电时间。

图6描绘了在传感器节点中的电源管理序列的时序图。在传感器IC连接到电池时，主电力PVDD_BAT上电。然后，加电复位（PoR）检测到PVDD_BAT并且生成复位脉冲，复位脉冲到传感器节点,传感器节点进入已知状态。在上电序列之前，节点处于掉电模式。上电序列始于来自基站的上电消息，其中基站广播RF上电消息到未规定的节点实体。上电消息并不包括诸如节点ID或操作命令的任何信息，而是仅包含在fRF的Rf信号。由于PUSW在掉电状态期间处于‘开启’状态（EN_PURX=‘L’），RF上电消息被整流为DC功率PVDD_RF2DC并且被馈送到WiPuRx内。WiPuRx生成上电检测信号（PU_LDO）并且其触发节点的启动信号（EN_NODE）。这使得PUSW关断并且将传感器节点推入到正常操作模式（实际上复位状态）。

图7为上电序列的状态图。无线传感器网络初始掉电并且通过从基站接受“SYSTEM_ON”信号开始其操作。然后，传感器网络开始进入上电序列。在此序列期间，无线电上电接收器（WiPuRx）开启以从掉电状态创建上电检测信号（PU_LDO）。一旦完成了上电序列，传感器节点进入‘复位’状态并且开始局部上电序列。在完成了上电序列后，所有节点进入操作模式。在操作模式期间，某些（或大部分）传感器节点能被推入到待机（即，空闲）模式以便满足严格的功率预算。当传感器网络即将掉电时，或者当复位信号中断时，网络开始其掉电序列。

本发明的一方面在于提供一种电源管理序列。

基站用于控制整个传感器节点数据传输和电源管理序列。

传感器节点用于向基站提供感测数据。

基站将一种类型的多路复用方案用于数据和掉电消息传输。

基站向多个传感器节点广播RF上电消息。

在上电序列之后，传感器节点开始向不在基站的覆盖区的邻近节点传播局部上电消息。

基站与传感器网络中的节点对话以确认所有网络节点被唤醒。

传感器节点可以包括有源RF无线电，并且其中有源RF无线电包括电子电路，包括：

RF无线电收发器，其用于无线数据传输，适用于分配单个频道；

天线，其适用于从基站或传感器网络中的传感器节点接收单个频道RF信号；

上电接收器，其耦接到天线并且适于针对上电接收器启动信号的存在而动态地采样RF信号，其中上电接收器使用与数据传输收发器相同的频率。

用于创建上电信号以警示从掉电模式转变为上电模式的上电接收器可包括：

电子开关，当传感器处于掉电模式时，其适于耦接天线，其中在数据传输期间，开关处于关断状态，受上电接收器启动信号控制；以及

上电接收器还可包括：

RF放大器，其适于增加RF上电消息的动态范围；

RF包络检测器，或者整流器，其适于将RF信号转换为DC信号电平；以及

用于生成控制在上电接收器之前的LDO和电子开关的上电检测信号的上电检测器可包括：加电复位（PoR）；两个滞后输入缓冲器；异或门；以及，D型触发器。

在电源管理单元中的加电复位（PoR）可以检测来自电池的施加到芯片上的外部电力并且生成复位脉冲，复位脉冲到传感器节点，将其置于已知状态。

本发明的另一方面在于提供一种用于无线传感器网络的电源管理序列的方法，无线传感器网络包括：用于控制整个传感器节点的数据传输和电源管理序列的基站和如图8所示用于向基站提供感测数据的多个传感器节点。

该方法包括以下步骤：

基站向多个传感器节点广播RF上电消息（S100）；

在接收到上电消息时，传感器节点使用来自RF消息的能量并且使得传感器IC上电以准备进行数据传输（S200）；

传感器节点开始向不在基站的覆盖区的邻近节点传输相同上电消息（S300）；以及

基站与传感器网络中的节点对讲以确认所有网络节点被唤醒（S400）。

基于距离来广播上电序列激活在其覆盖区内的传感器节点。并且然后，对于在范围外的节点，上电传感器节点将上电序列传送到其邻近传感器节点以便完成传感器网络的上电序列。

虽然参考本发明的不同实施例示出和描述了本发明，本领域技术人员将认识到在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以做出形式、细节、组成和操作的变化。

Claims

1.一种用于无线传感器网络的电源管理序列的系统，包括：

基站，所述基站用于控制整个传感器节点的数据传输和电源管理序列；以及

多个传感器节点，所述多个传感器节点用于向基站提供感测数据，

其中所述基站使用一种类型的多路复用方案来用于数据和掉电消息传输，

其中所述基站向多个传感器节点广播RF上电消息，

其中所述传感器节点接受所述上电消息并且生成上电检测信号，其中在所述上电序列期间，上电检测电路使用来自所述RF上电消息的能量，并且其中所述传感器节点准备与所述基站通信，

其中在所述上电序列之后，所述传感器节点开始向不在所述基站的覆盖区的邻近节点传播局部上电消息；以及

其中所述基站与传感器网络中的所述节点对讲以确认所有网络节点被唤醒。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器节点包括有源RF无线电，并且其中所述有源RF无线电包括电子电路，包括：

用于无线数据传输的RF无线电收发器，所述RF无线电收发器适于分配单个频道；

天线，所述天线适于从基站或传感器网络中的传感器节点接收单个频道RF信号；

电源管理单元，所述电源管理单元适于提供具有多个电力/接地域的调节的电源；以及

上电接收器，所述上电接收器耦接到所述天线并且适于针对上电接收器启动信号的存在而动态地采样RF信号，其中所述上电接收器与数据传输收发器使用相同的频率。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述上电接收器用于创建上电启动信号以警示从掉电模式转变到上电模式，包括：

电子开关，所述电子开关适于在传感器节点处于所述掉电模式时耦接所述天线，其中所述开关在数据传输期间为断开状态，受上电接收器启动信号控制；以及

RF至DC转换器，所述RF至DC转换器适于将所述RF上电消息转换为DC功率以驱动上电接收器，其中整流器有时直接耦接到所述天线以提高RF敏感性。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述上电接收器还包括：

RF放大器，所述RF放大器适于增加所述RF上电消息的动态范围；

RF包络检测器或整流器，所述RF包络检测器或整流器适于将所述RF信号转换为DC信号电平；以及

比较器，所述比较器适于获得DC信号电平并且将其驱动到所述上电管理单元。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述上电检测器用于生成上电检测信号以控制在上电接收器之前的LDO和电子开关，包括：

加电复位（PoR）；

两个滞后输入缓冲器；

异或门；以及

D型触发器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，在所述电源管理单元中的所述加电复位（PoR）检测来自电池的施加到所述传感器节点上的外部电力并且生成复位脉冲，所述复位脉冲通往所述传感器节点，将其置于已知状态。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，局部广播上电消息从上电传感器节点向邻近节点自动生成，并且其中另外所述基站从所述节点接收上电确认并且然后命令所述节点向邻近节点传播上电消息。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述类型的多路复用方案包括用于数据和掉电消息传输的TDD或FDD。

9.一种用于无线传感器网络的电源管理序列的方法，所述无线传感器网络包括：基站，所述基站用于控制整个传感器节点的数据传输和电源管理序列；和多个传感器节点，所述多个传感器节点用于向基站提供感测数据，所述方法包括以下步骤：

所述基站向多个传感器节点广播RF上电消息；

在接收到所述上电消息时，所述传感器节点使用来自RF消息的能量并且使得传感器IC上电以准备进行所述数据传输；

所述传感器节点开始向不在所述基站的覆盖区的邻近节点传输相同的上电消息；以及

所述基站与传感器网络中的所述节点对讲以确认所有网络节点被唤醒。