CN104219743B - 用于无线传感和控制的低能耗通信方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感和控制的低能耗通信方法和装置，包括发送端和接收端，发送端向接收端发送数据包，每个数据包均采用尽可能高的发送速率发送，一旦数据包发送完毕，发送端电路即进入休眠状态。本发明着力于降低无线传感和控制中的通信能耗，这种能耗的降低并不是建立在牺牲通信系统的实时性以及准确性的基础上的，反而对这两方面均有所增益。

Description

用于无线传感和控制的低能耗通信方法和装置

技术领域

本发明涉及建筑和工业控制、智能家居、无线通信以及模拟电路设计等技术领域的内容，用于极低功耗下小信息量数据的快速、准确传输。

背景技术

随着工业控制及智能建筑的发展，低功耗和实时性通信在无线传感网络中越来越重要，为了保证传感器或者信息发送端能够在尽可能少的能量基础上发送必要的信息，而且要保证信息发送的准确度，必须采取一系列措施来节约发送能量。对于发送端发送的数据包，可以在数据编码、调制形式、发送和接收端等方面来采取措施减小能量消耗。而为了保证信息发送的准确度，则可以将同一数据包重复发送多次，以保证接收端能够接收到正确的信息。

集成电路的功耗分为静态功耗和动态功耗。其中静态（或称稳态）功耗可用下列关系来表示：

P_stat＝I_statV_DD

式中，I_stat是在没有开关活动存在时在电源两条轨线之间流动的电流，P_stat代表静态功耗，V_DD代表电源电压。

理想情况下CMOS电路的静态电流为零，因为PMOS和NMOS器件在稳态工作状态下不会同时导通，但是实际上总会有泄漏电流流过位于晶体管源（或漏）与衬底之间反相偏置的二极管结。由于结的泄漏电流是由热产生的载流子引起的，它们的数值随结温而增加，并且呈指数关系。在85℃（民用硬件通常规定的结温上限）时，泄漏电流为室温时的60倍。泄漏电流的一个越来越突出的来源是晶体管的亚阈值电流，因此阈值电压的选择代表了在性能和静态功耗 之间的权衡取舍。

对于CMOS电路来说，起支配作用的是由充电和放电电容引起的动态功耗，可以设电路的负载电容为C_L，当它通过PMOS管充电的时候，它的电压从0升至V_DD，此时电容从电源吸取了一定的能量。该能量一部分消耗在PMOS器件中，而其余则存放在负载电容上。在由高至低的翻转期间，这一电容被放电，于是存放的能量被消耗在NMOS管中。假设某个门电路每秒通断f_0→1次，则功耗等于：

式中，f_0→1代表开关消耗能量的翻转频率（对于静态CMOS为0→1翻转），P_dyn代表动态功耗。

在本发明中，信息的调制和发送采用的是ASK的方式，ASK即振幅键控，ASK中将信号的相位和频率作为常量，而将信号的幅度作为变量来储存信息。本发明采用的是二进制的振幅键控，即2ASK，在这种调制方式中，正弦载波的幅度随数字基带信号而变化，如果调制深度为100%，即当源信号为“1”时，发送载波，当源信号为“0”时，发送0电平，所以也称这种调制方式为通、断键控（OOK）。二进制振幅键控信号可以表示为二进制基带信号和正弦型载波的乘积，即：

其中，g(t-nT_s)是持续时间为T_s的波形，载波为余弦波，频率为ω。

通常2ASK的产生方法有两种，一种是模拟的振幅调制方法，另一种方法即为利用一个数字开关控制电路的通断以产生相应的调制信号，这种方法也叫开关键控方法。

2ASK信号的功率谱密度为：

其中f_c为载波频率。

可知2ASK信号的功率谱为基带信号功率谱的线性搬移，所以2ASK也称为线性调制。2ASK信号的功率谱由连续谱和离散谱两个部分组成；连续谱取决于矩形脉冲经过线性调制后的双边带谱，离散谱由载波分量决定。2ASK信号的带宽为基带信号的两倍，也是码元速率的两倍。

2ASK信号有两种基本的解调方法，即相干解调和非相干解调（包络检波）。其中相干解调需要在接收端采用与载波同步的信号，非相干解调主要采用模拟包络检波电路。

由于在2ASK中，源信号为“0”时，发送的信号电平为0，因而当源信号中“0”较多的时候，可以大大节省通信能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低无线传感和控制中的通信能耗的方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种用于无线传感和控制的低能耗通信方法，包括发送端和接收端，发送端向接收端发送数据包，每个数据包均采用尽可能高的发送速率发送，一旦数据包发送完毕，发送端电路即进入休眠状态。

本发明的有益效果在于：本发明着力于无线传感和控制中的通信能耗，这种能耗的降低并不是建立在牺牲通信系统的实时性以及准确性的基础上的，反而对这两方面均有所增益。本发明中，每个数据包都以尽可能高的速率发送，一旦数据包发送结束，发送端即进入休眠状态。这样可以最大限度降低数据包 发送时间从而大大减小无用功率的消耗。

发送端和接收端均采用休眠-唤醒机制。

发送端和接收端可以采用定时唤醒方式，使用大电容周期性充放电，通过选择合适大小的电容控制定时时间。

发送端和接收端的唤醒可以采用低功耗射频唤醒方式，利用波束供电，将接收到的射频能量转化为接收端内部使用的直流能量，直流电流经过放大器放大后用来唤醒接收端，只要有数据包到达即可唤醒接收端。在射频唤醒模块中加入导频计数器，只有当射频唤醒模块接收到足够数量的导频信号才会产生唤醒中断信号。在数据包中加入目的地址信息，射频唤醒模块中加入一个比较器，只有当接收端ROM中储存的地址和数据包的目的地址信息相同时，接收端才会开始接收数据包。

发送端发送的数据均采用ASK的调制方式，在数据包发送之前，依次将数据包的连续七个比特位分为一组，检查每一组中“1”的数量，如果“1”的数量在5个或者5个以上，这时要在这七位比特位之前加上一位“1”，而这七位数据每一位均需要取反，这样八位比特位就组成了一个字节；反之如果“1”的数量低于5个，这时要在这七位比特位之前加上一位“0”，七位数据位不需要变化，这样这八位比特位就组成了一个字节；处理后的数据还是按照之前的顺序排列，每个字节的首位为取反标志位。

数据包的格式为将每个字节的首位设为取反标志位，用来表示本字节的数据是否取反，每个字节的最后一位设为校验位，它的取值和它之前的那一位是相反的，数据包的最后四位设为哈希校验位；接收端接收到数据包之后，会按照字节依次对数据包进行处理，首先判断字节的首位是否为“1”，如果首位为“1”的话就将这个字节每一位均取反并丢弃这个字节的首位；如果首位为“0”的话 就只丢弃这个字节的首位，然后再将得到的七位数据位依次组合起来。

本发明还提供了一种用于无线传感和控制的低能耗通信装置，包括：

发送端和接收端；

其中发送端包括：

微控制单元MCU，微控制单元MCU控制数据的采集或者开关命令的产生；

判断/取反模块，判断/取反模块判断每七位数据中“1”的数量是否为5个或者5个以上，如果是的话则将这七位取反并在七位数据之前加上一位“1”，反之则对这七位数据不做处理并在这七位数据之前加上一位“0”；

编码模块，编码模块对数据进行编码；

发送模块，发送模块将数据包进行ASK调制并发送出去；

休眠模块，休眠模块在数据包发送结束之后使整个电路进入休眠状态；

接收端包括：

接收模块，接收模块接收到信号并解调；

解码模块，解码模块将接收到的数据解码；

判断/恢复模块，判断/恢复模块判断接收到的数据是否是取反后的数据，如果是取反后的数据则将接收到的数据均取反并且丢弃首位，反之则不做处理并且丢弃首位；

微控制单元MCU，微控制单元MCU对接收到的数据或者命令进行处理；

休眠&唤醒模块，休眠&唤醒模块在数据包传送到后台处理后使接收端进入休眠状态，休眠&唤醒模块如果采用定时唤醒模式，则该模块还包括定时装置，用来定时唤醒接收端电路，如果装置采用射频唤醒模式，则该模块还包括匹配接收装置，用于匹配接收地址符合的唤醒数据包，产生电流信号并唤醒接收端。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是用于无线传感和控制的低能耗通信装置图。

图2是高速率发送数据包和低速率发送数据包消耗能量对比。

图3是定时唤醒机制中的定时电路图。

图4是射频唤醒机制中波束供电技术原理图。

图5是ASK调制下的优化编码流程图。

图6是ASK调制下的优化解码流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地表示本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

为使本发明的原理、特性和优点更加清楚，下面详细描述本发明的实现方案。

在本发明中，接收和发送端均采用了休眠机制，为了进一步节约能耗，可以考虑采用低功耗射频唤醒的方式来唤醒接收和发送端。低功耗唤醒方式的核心技术为波束供电技术，根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场周围又会产生变化的电场，如果接收天线和电磁场的频率匹配，那么它就可以从电磁场中获得工作所需的能量，这种技术就是波束供电技术。

接收天线通过波束供电产生的功率如下：

其中：P_r为接收天线产生的功率；P_s为发射源天线的功率；G_s为发送天线增益；G_r为接收天线增益；λ为电磁波波长；D为节点间距离，可知接收功率P_r与波长λ成正比。

由于波长与发送频率之间有如下关系：

所以接收频率P_r与频率f之间的关系为：

所以当发送天线增益G_s和接收天线增益G_r确定的时候，可以通过降低电磁波频率或者提高发射源的发射功率来获得更远的唤醒距离。

根据接收天线的功率和其内部阻抗R_s，接收天线能够产生的电压为：

根据有效工作距离D，发送天线增益G_s，接收天线增益G_r，以及唤醒电压V_in，即可得出发送天线的需求功率P_s：

当发送节点天线驱动芯片不能满足距离要求的时候，可以增加功率放大模块，提高节点发送功率，以满足发送天线的需求功率P_s。

本发明提供一种用于无线传感和控制中低能耗通信的方法与装置。在本发明中，接收天线接收来的射频能量被转化为直流电流，接收的直流电流在大电容上积累，并为接收端电路提供瞬时唤醒电流。本发明所采用的方法与技术，均着力于降低无线传感和控制中的通信能耗，这种能耗的降低并不是建立在牺牲通信系统的实时性以及准确性的基础上的，反而对这两方面均有所增益。本发明中，每个数据包都以尽可能高的速率发送，一旦数据包发送结束，发送端即进入休眠状态。这样可以最大限度降低数据包发送时间从而大大减小无用功率的消耗。

本发明中所采用的接收端和发送端均建立在休眠-唤醒机制之上，除了唤醒电路和少量的接收端之外，所有的电路在不通信的时候均处于休眠状态，这样就可以进一步地降低无用的能量损耗，以达到节约能耗的目的。

对于接收和发送端来说，可以采用两种唤醒方式。第一种方式是定时唤醒机制，通过调整电容大小来控制定时时间的长度。电路在一般情况下处于休眠状态，一旦定时时间耗尽，电路就被唤醒，如果此时有通信任务需要处理，电路就开始处理通信任务并在处理结束后再次进入休眠状态；如果此时并无通信任务需要处理，电路会立即进入休眠状态。所以当某次通信数据到达接收端的时候，如果接收端正处于休眠状态，那么需要等待接收端因为定时时间耗尽而被唤醒时，才能处理此通信数据。在这种唤醒方式下，定时时间如果过短的话，电路频繁的进入休眠和被唤醒状态，会增加额外的能耗；定时时间如果过长的话，任务可能会得不到及时的处理。这时需要考虑任务处理的实时性和能耗之间的折中，选择一个既能满足实时性要求，又能尽可能降低能耗的定时时间。

第二种方式是射频唤醒机制，这种机制是建立在波束供电的基础之上的。当发送的信号频率和接收端的天线匹配的时候，会在接收端电路中产生直流感应电流，直流电流会给接收端电路中的大电容充电。当电容中的电荷达到一定值 之后，即可唤醒接收端电路。

在射频唤醒机制中，可能会出现误唤醒和无效唤醒的情况。对于误唤醒的情况，在射频唤醒模块中加入导频计数器，只有当射频唤醒模块接收到足够数量的导频信号才会产生唤醒中断信号，这样就可以解决这个问题。对于无效唤醒的情况，在数据包中加入目的地址信息，射频唤醒模块中加入一个比较器，只有当接收端ROM中存储的地址和数据包的目的地址信息相同时，接收端才会开始接收数据包，即可避免这种情况的发生。

本发明中数据包采用的调制方式是ASK，逻辑为“0”时发送的是零电平，只有在逻辑为“1”时才会发送载波，相对于PSK和FSK，这种调制方式的能耗是最低的。为了进一步降低发送能耗，可以将数据包每个字节的最高位设置为取反标志位，当该字节中“1”的数量为5个或者5个以上时，将取反标志位设为“1”，并将该字节中除首位外的所有位均取反。如果该字节中“1”的数目少于5个，此时取反标志位设为“0”，其他位并无变化。相对于简单的ASK调制，此种方式可以更好地节约发送能量。

综上所述，本发明描述的是一种用于无线传感和控制中的，极低能耗和高准确度，并且满足通信实时性要求的通信方法和装置。

本发明的具体装置如图1所示，装置分为发送端和接收端两个部分。其中发送端主要模块的功能为：微控制单元MCU控制数据的采集或者开关命令的产生；“判断/取反模块”用于判断每七位数据中“1”的数量是否为5个或者5个以上，如果是的话则将这七位取反并在七位数据之前加上一位“1”，反之则对这七位数据不做处理并在这七位数据之前加上一位“0”；“编码模块”用于对数据进行编码；“发送模块”用于将数据包进行ASK调制并发送出去；“休眠模块”用于在数据包发送结束之后使整个电路进入休眠状态。接收端主要模块的功能 为：“接收模块”用于接收到信号并解调；“解码模块”用于将接收并解调的数据解码；“判断/恢复模块”用于判断接收到的数据是否是取反后的数据，如果是取反后的数据则将接收到的数据（包括数据首位）均取反并且丢弃首位，反之则不做处理并且丢弃首位；微控制单元MCU用来对接收到的数据或者命令进行应用级的处理；“休眠&唤醒模块”用于在数据包传送到后台处理后使接收端进入休眠状态，如果装置采用定时唤醒模式，则该模块还包括定时装置，用来定时唤醒接收端电路，如果装置采用射频唤醒模式，则该模块还包括匹配接收装置，用于匹配接收地址符合的唤醒数据包，产生电流信号并唤醒接收端。

在本发明实例中，数据包均以尽可能高的速率发送，数据包发送完之后，发送端立即进入休眠状态，等待下一次的唤醒。图2描述了两种发送方式消耗能量的比较。上面的图表示快速发送数据包然后休眠，下面的图表示以较慢速度来传输数据包。可以知道以高速率发送数据再休眠所消耗的能量E_high为：

E_high＝P_sdT_sd+P_highT_high+P_wuT_wu

其中P_sd为进入休眠所消耗的额外功率，T_sd为进入休眠所用时间，P_high为高速发送数据所需功率，T_high为高速发送数据所需时间，P_wu为唤醒所消耗的额外功率，T_wu为唤醒所用时间。

而低速率发送所消耗的能量E_low为：

E_low＝P_lowT_low

其中P_low为低速发送数据所需功率，T_low为低速发送数据所需时间。

高速率发送和低速率发送所消耗的总时间有如下关系：

T_sd+T_high+T_wu+T_sleep＝T_low

其中T_sleep表示休眠时间。

在本发明的一个实测例子中，P_high为400mW，P_low为200mW，而最高的数据 率为100Kbits/s，低速的数据率为20Kbits/s，每个数据包的大小为20Bytes。因此T_high为1.6ms，T_low为8ms，由上述公式可知低速率发送数据所消耗的能量E_low为1.6mJ。实际测得每次进入休眠和退出休眠所需能量是一定的，这个能量为0.4mJ，以最高速率发送数据时消耗的能量为0.64mJ，因此可知以最高速率发送数据所消耗的总能量E_high为1.04mJ。从上述数据可知，每次发送一个数据包，以最大速率发送所消耗的能量要比以低速率发送数据消耗的能量要低35%，可知采用最大速率发送的方法要大大节约能量的消耗。

如果采用休眠-定时唤醒机制，则需要设置一个合理的定时时间，本发明采用的定时电路如图3所示，在正常状况下，控制输出脚GP0状态为低，此时R2，C1组成计时充电电路，VDD通过大电阻R2向C1缓慢充电，电压随时间逐步升高，当电压升高到超过0.7V时，Q2被导通，Q2导通会导致Q3上B,E脚产生电压差，使Q3导通,GP2被拉高。定义GP2被拉高后，GP0迅速输出一个高，此举使Q1导通，C1迅速放电，电压归零，关闭Q2，Q3，使GP2被拉低，如此一个计时循环结束。计时循环的时间长短由C1的充放电时间来决定，微调R2和C1的大小，可以得到不同的计时周期。

如果采用射频唤醒机制，需要通过波束供电原理来产生唤醒电流，以唤醒接收端的数据处理电路。如图4所示，接收天线在电感和电容C1上产生谐振电流，电流通过二极管整流后在电容C2上累积电量，提供唤醒电流给接收端微控制单元MCU。

本发明中波束供电产生的电流数是不足以产生微控制单元MCU的外部中断的，这时需要在接收端的射频唤醒模块处加上一个放大电路，用来产生足够的电平以触发微控制单元MCU的外部中断，并且放大电路的功率可以做得很低。

在本发明实例中，发射端发出的信号采用的是ASK的调制方式，目的是为了 尽量减少能量的消耗。为了进一步减小能耗，可以对数据采取相应的处理。如图5所示，数据包以七位为单位依次输入，计数器计算七位数据中“1”的个数。如果“1”的个数为5个或者5个以上，则将这七位数据均取反，并在七位数据之前加上一位“1”，表示这七位数据均取反过；如果“1”的个数低于5个，则这七位数据不作改变，并在这七位数据之前加上一位“0”，表示这七位数据未被取反。最后得到的八位数据组成一个字节依次输出。

如图6所示，在接收端需要对得到的数据进行相应的预处理。首先以字节为单位依次输入数据，判断每个字节的首位，如果首位即取反标志位为“1”则将首位丢弃并且将剩下的七位均取反，如果首位为“0”则将首位丢弃。最后得到的七位数据依次输出即可。

综上所述，本发明实例描述的是一种用于无线传感和控制的通信方法和装置，它的特点是所消耗的能量极低，而且在数据准确度和实时性方面均达到了较高水平，适用于对能量要求很高，传输少量数据的场合。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (9)

1.一种用于无线传感和控制的低能耗通信方法，包括发送端和接收端，发送端向接收端发送数据包，其特征在于，每个数据包均采用通信系统允许的最高发送速率发送，一旦数据包发送完毕，发送端电路即进入休眠状态；

发送端发送的数据采用ASK的调制方式；

在数据包发送之前，依次将数据包的连续七个比特位分为一组，检查每一组中“1”的数量，如果“1”的数量在5个或者5个以上，这时要在这七位比特位之前加上一位“1”，而这七位数据每一位均需要取反，这样八位比特位就组成了一个字节；反之如果“1”的数量低于5个，这时要在这七位比特位之前加上一位“0”，七位数据位不需要变化，这样这八位比特位就组成了一个字节；处理后的数据还是按照之前的顺序排列，每个字节的首位为取反标志位。

2.如权利要求1所述的用于无线传感和控制的低能耗通信方法，其特征在于，发送端和接收端均采用休眠-唤醒机制。

3.如权利要求2所述的用于无线传感和控制的低能耗通信方法，其特征在于，发送端和接收端采用定时唤醒方式，使用大电容周期性充放电，通过选择合适大小的电容控制定时时间。

4.如权利要求2所述的用于无线传感和控制的低能耗通信方法，其特征在于，发送端和接收端的唤醒采用低功耗射频唤醒方式，利用波束供电，将接收到的射频能量转化为发送端和接收端内部使用的直流能量，直流电流经过放大器放大后用来唤醒发送端和接收端。

5.如权利要求4所述的用于无线传感和控制的低能耗通信方法，其特征在于，在射频唤醒模块中加入导频计数器，只有当射频唤醒模块接收到足够数量的导频信号才会产生唤醒中断信号。

6.如权利要求4所述的用于无线传感和控制的低能耗通信方法，其特征在于，在数据包中加入目的地址信息，射频唤醒模块中加入一个比较器，只有当接收端ROM中储存的地址和数据包的目的地址信息相同时，接收端才会开始接收数据包。

7.如权利要求1所述的用于无线传感和控制的低能耗通信方法，其特征在于，数据包的格式为将每个字节的首位设为取反标志位，用来表示本字节的数据是否取反，每个字节的最后一位设为校验位，它的取值和它之前的那一位是相反的，数据包的最后四位设为哈希校验位；接收端接收到数据包之后，会按照字节依次对数据包进行处理，首先判断字节的首位是否为“1”，如果首位为“1”的话就将这个字节每一位均取反并丢弃这个字节的首位；如果首位为“0”的话就只丢弃这个字节的首位，然后再将得到的七位数据位依次组合起来。

8.一种用于无线传感和控制的低能耗通信装置，其特征在于，包括：

发送端和接收端；

其中发送端包括：

微控制单元MCU，微控制单元MCU控制数据的采集或者开关命令的产生；

判断/取反模块，判断/取反模块判断每七位数据中“1”的数量是否为5个或者5个以上，如果是的话则将这七位取反并在七位数据之前加上一位“1”，反之则对这七位数据不做处理并在这七位数据之前加上一位“0”；

编码模块，编码模块对数据进行编码；

发送模块，发送模块将数据包进行ASK调制并发送出去；

休眠模块，休眠模块在数据包发送结束之后使整个电路进入休眠状态；

接收端包括：

接收模块，接收模块接收到信号并解调；

解码模块，解码模块将接收到的数据解码；

判断/恢复模块，判断/恢复模块判断接收到的数据是否是取反后的数据，如果是取反后的数据则将接收到的数据均取反并且丢弃首位，反之则不做处理并且丢弃首位；

微控制单元MCU，微控制单元MCU对接收到的数据或者命令进行处理；

休眠&唤醒模块，休眠&唤醒模块在数据包传送到后台处理后使接收端进入休眠状态。

9.如权利要求8所述的用于无线传感和控制的低能耗通信装置，其特征在于，休眠&唤醒模块如果采用定时唤醒模式，则该模块还包括定时装置，用来定时唤醒接收端电路，如果装置采用射频唤醒模式，则该模块还包括匹配接收装置，用于匹配接收地址符合的唤醒数据包，产生电流信号并唤醒接收端。