CN105050166A - 一种低功耗的无线传感器网络节点定位系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低功耗的无线传感器网络节点定位系统及其方法，该系统包括电源模块、电源管理模块、无线传感器模块、MCU模块、AGC模块、射频功率放大器、无线收发器和天线；电源模块通过电源管理模块连接MCU模块，无线传感器模块连接MCU模块，MCU模块通过AGC模块连接射频功率放大器，射频功率放大器通过无线收发器连接天线。本发明增加了AGC模块，可以使得节点间通信的功耗以及定位由以前的固定值，变成可以灵活变换的值，由此及可以减小能量损耗，也可以使得网络的定位更加灵活、智能化；电源管理模块通过检测电源的储能情况，来决定节点的工作模式，从而降低系统能耗，延长网络的生命周期。

Description

一种低功耗的无线传感器网络节点定位系统及其方法

技术领域

本发明属于网络节点定位技术领域，具体涉及一种低功耗的无线传感器网络节点定位系统及其方法。

背景技术

无线传感器网络(Wirelesssensornetworks,WSNs)是综合了嵌入式计算技术、遥感测控技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等多个学科，交叉发展而成的军民两用战略高新技术，是物联网技术的核心，是新一代信息技术革命的重要推动力。无线传感器网络由大量分布式无线传感器节点(Mote)构成，实时对环境或目标监测，感知、采集相关信息。

无线传感器可随机布设，以无线方式构成蜘蛛网状传感器网络，具有无数个可以双向传送信息的路径，不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等独特优点；与无线自组网(MobileAdHocNetworks,MANETs)不同，由于受到成本以及体积等原因的限制，无线传感器节点的处理能力、通信带宽以及电池容量等资源更为有限。尤其是在多数应用中，传感器节点的能量无法得到补充(如被部署在敌后或者环境恶劣的地区)，如何有效利用能源，延长网络的工作寿命成为设计的关键因素，高效节能技术成为研究热点。

无线传感器网络有自组织、多跳路、动态拓扑等特点，节点之间通信采用中间节点跳转路由实现。由于节点之间是对等网络，节点定位技术是无线传感器网络的关键技术之一。现阶段常用的定位方法主要有基于测距的(Range-Based)方法和基于不测距的(Range-fre)方法。

基于测距的定位机制通过测量锚点和未知节点之间的距离或者角度信息，再使用数学方法计算未知节点的位置，具体方法有信号强度测距法、到达时间及时间差测距法、时间差定位法、到达角定位法等。由于测距法需要附加超声波发射器、阵列天线等硬件结构，且测试过程复杂，一般应用较少。

不基于测距的算法不需要直接测量距离，通过信标转发时计算跳数等方法实现粗精度的定位机制然，对大多数无线传感器网络的应用已经足够。在成本和功耗方面比基于测距的方法具有优势。一般有质心法、基于距离矢量计算跳数的算法(DV-Hop)、无定形的(Amorphous)算法和以三角形内的点近似定位(APIT)算法等。

目前无线传感器网络节点定位技术整体尚处于初步研究阶段，主要研究成果基本是基于网络拓扑方向，对节点级别的研究尚有不足。

发明内容

本发明目的之一在于提供一种低成本、低功耗、高效率运行的低功耗的无线传感器网络节点定位系统及方法。

本发明提供的一种低功耗的无线传感器网络节点定位系统，包括电源模块、电源管理模块、无线传感器模块、MCU模块、AGC模块、射频功率放大器、无线收发器和天线；

所述电源模块通过所述电源管理模块连接所述MCU模块，所述无线传感器模块连接所述MCU模块，所述MCU模块通过所述AGC模块连接所述射频功率放大器，所述射频功率放大器通过所述无线收发器连接所述天线；

所述电源模块，用于提供电源；

所述电源管理模块，用于检测电源的储能情况，并将检测结果发送给MCU模块；

所述MCU模块，用于控制所述AGC模块的增益以及节点的工作模式；

所述AGC模块，用于根据所述MCU模块的控制指令控制信号的发射功率；

所述射频功率放大器，用于放大收发信号的功率；

所述无线收发器和天线，用于无线数据传输。

本发明还提供了一种低功耗无线传感器网络节点定位方法，包括如下步骤：

步骤1：MCU模块控制AGC模块依次将携带自身锚点地址以不同功率信息发射给射频功率放大器；

步骤2：所述射频功率放大器将所述信息增益后通过无线收发器和天线进行广播；

步骤3：收到所述广播信息的未知节点将含本节点地址的广播信息通过所述天线发送给所述无线收发器；

步骤4：所述MCU模块根据接收到的所述广播信息的先后次序完成所述未知节点的位置标注，并滤除已经完成标注的节点。

本发明的有益效果在于：本发明增加了AGC模块，可以使得节点间通信的功耗以及定位由以前的固定值，变成可以灵活变换的值，由此及可以减小能量损耗，也可以使得网络的定位更加灵活、智能化；电源管理模块通过检测电源的储能情况，来决定节点的工作模式，从而降低系统能耗，延长网络的生命周期。

附图说明

图1所示为本发明低功耗的无线传感器网络节点定位系统结构示意图。

图2所示为实施例1中单锚点下定位搜索结果示意图。

图3所示为实施例2中多锚点下定位搜索结果示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例详细描述本发明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明提供的一种低功耗的无线传感器网络智能节点，包括电源模块1、电源管理模块2、无线传感器模块3、MCU模块4、AGC模块5、射频功率放大器6、无线收发器7和天线8；

电源模块1通过电源管理模块2连接MCU模块4，无线传感器模块3连接MCU模块4，MCU模块4通过AGC模块5连接射频功率放大器6，射频功率放大器6通过无线收发器7连接天线8；

电源模块1，用于提供电源；

电源管理模块2，用于检测电源的储能情况，并将检测结果发送给MCU模块4；

MCU模块4，用于控制AGC模块5的增益以及节点的工作模式；

AGC模块5，用于根据MCU模块4的控制指令控制信号的发射功率；

射频功率放大器6，用于放大收发信号的功率；

无线收发器7和天线8，用于无线数据传输。

该智能节点采用了自动增益控制(AutomaticGainControl,简称AGC)模块，AGC模块5能够加大或者缩小收发功率，实现该节点的无线数据收发覆盖距离的变化，从而可以实现以单节点为锚点的节点定位技术。AGC模块5具有自动切换的功能，完成发射和接收不同功能的切换。在发射时，MCU模块4根据需要进行预放大或者预缩小增益操作，以单位倍数(dBm)为步进完成调节，或者直接预制到一定增益值，加大或缩小发射增益。接收信号时，AGC模块5主要完成对接收灵敏度的调节，通过增加或者减小接收灵敏度，实现对强度不一的信号捕捉和通信。

MCU模块4可根据通信的距离，自动调节AGC模块5的增益，完成数据通信，由于通信过程中节点能耗的70％-80％消耗在收发器，本发明可以大大节省节点能量消耗。

电源管理模块2能够实时检测电源模块1储能状况，按“％”反馈给MCU模块4，MCU模块4以此决定该节点的工作模式：①标准、②节能、③备用。由MCU模块4决定使电能充足的节点承担更多任务，电能不足节点只发送本节点感知信息或不承担中继任务，从而满足不同应用的需要，延长整网的实验寿命。

当节点剩余电能在50％以上，则为标准工作模式，承担本节点的数据采集以及其他节点的数据中继任务；如节点剩余电能在50％-25％区间，节点工作进入节能模式，只承担本节点的数据采集以及“必要型”数据中继任务，所谓“必要型”中继，指的是当本节点作为中继器时的多跳路径选择，其效率大大优于邻近替代节点作为中继器的路径选择；如节点剩余电能在25％以下，节点工作进入备用模式，只承担本节点的数据采集以及“唯一型”数据中继任务，所谓“唯一型”中继，指的是只有当本节点作为中继器时通信连接才能正常进行，否则通信失败。该节点定位技术不依赖于网络拓扑结构，每个节点可以自行完成本节点覆盖范围内对未知节点的定位，可以大大减轻网络的定位负担，迅速、准确的完成整网的定位，随时根据需要，将所有锚点信息的定位数据共享，完成全网的节点定位和拓扑显示。

本发明提供的一种低功耗无线传感器网络节点定位方法，包括如下步骤：

步骤1：MCU模块4控制AGC模块5依次将携带自身锚点地址以不同功率信息发射给射频功率放大器6；

步骤2：射频功率放大器6将信息增益后通过无线收发器7和天线8进行广播；

步骤3：收到广播信息的未知节点将含本节点地址的广播信息通过天线8发送给无线收发器7；

步骤4：MCU模块4根据接收到的广播信息的先后次序完成未知节点的位置标注，并滤除已经完成标注的节点。

实施例1

AGC模块5依次发射功率调节值分别为+5dBm，+10dBm、+15dBm的信号。在某一固定增益下，锚点向周围未知节点进行不跳转式广播，其定位搜索结果如图2所示。锚点将携带本锚点地址的信息进行广播，收到本次广播信息的未知节点向锚点回复广播信息，并将本节点地址发送给锚点，依据接收信息的先后次序完成该节点的位置标注。本次广播信息不进行中继和转发，未接到本次广播的节点则不在本次定位范围之内。

固定增益下，节点标注完成后存入专用的定位信息寄存器中。然后，改变增益，再次进行锚点不中继和转发式广播，搜索本次此时本锚点探测到的未知节点位置，并滤除已经完成标注的节点，则剩余节点为本次广播的定位节点。根据图2所示，得到表1：单锚点下的节点定位信息表。

表1：单锚点下的节点定位信息表

AGC增益	+5dBm(A段)	+10dBm(B段)	+15dBm(C段)
				探测目标标注	A1、A1.1、A1.2	B1、B1.1、B1.2	C1、C1.1

表1中，A段为+5dBm下的广播搜索结果，依据控制器收到的回执信息先后次序，分别标注为A1、A1.1、A1.2，A1为距离锚点1最近者。B段为+10dBm下，去掉已经标注的A段节点信息，搜索到的节点分别为B1、B1.1、B1.2。以后以此类推。如果A段标注的节点数量过多，不便识别，则减小发射增益，缩小识别圈。

实施例2

采用单锚点的定位方法，分别对锚点1和锚点2进行定位搜索，定位搜索结果如图3所示，其中锚点定位搜索的节点位置和其他锚点定位搜索重合的节点称为交叉节点，只有本锚点能定位搜索到的节点称为独立节点。根据图3所示，得到表2：多锚点下的节点定位信息表。

表2：多锚点下的节点定位信息表

本发明增加了AGC模块5，可以使得节点间通信的功耗以及定位由以前的固定值，变成可以灵活变换的值，由此及可以减小能量损耗，也可以使得网络的定位更加灵活、智能化；电源管理模块2通过检测电源的储能情况，来决定节点的工作模式，从而降低系统能耗，延长网络的生命周期。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (2)

1.一种低功耗的无线传感器网络节点定位系统，其特征在于，包括电源模块、电源管理模块、无线传感器模块、MCU模块、AGC模块、射频功率放大器、无线收发器和天线；

所述电源模块通过所述电源管理模块连接所述MCU模块，所述无线传感器模块连接所述MCU模块，所述MCU模块通过所述AGC模块连接所述射频功率放大器，所述射频功率放大器通过所述无线收发器连接所述天线；

所述电源模块，用于提供电源；

所述电源管理模块，用于检测电源的储能情况，并将检测结果发送给MCU模块；

所述MCU模块，用于控制所述AGC模块的增益以及节点的工作模式；

所述AGC模块，用于根据所述MCU模块的控制指令控制信号的发射功率；

所述射频功率放大器，用于放大收发信号的功率；

所述无线收发器和天线，用于无线数据传输。

2.一种低功耗无线传感器网络节点定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：MCU模块控制AGC模块依次将携带自身锚点地址以不同功率信息发射给射频功率放大器；

步骤2：所述射频功率放大器将所述信息增益后通过无线收发器和天线进行广播；

步骤3：收到所述广播信息的未知节点将含本节点地址的广播信息通过所述天线发送给所述无线收发器；

步骤4：所述MCU模块根据接收到的所述广播信息的先后次序完成所述未知节点的位置标注，并滤除已经完成标注的节点。