CN105119726A - 一种无线传感网节点快速唤醒方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网节点快速唤醒方法及其装置。在该方法中，无线传感网有多个传感器，传感器在监听窗口到达时，以高速率接收数据包，这里的高速率是指传感器以及与传感器交互的手持机两者均能支持的最高速率。本发明具有传感网络唤醒时间短，功率消耗小，可以在随机时间段内与手持机建立通信连接，节约人工，适用范围广等突出特点。

Description

一种无线传感网节点快速唤醒方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种无线传感网节点快速唤醒方法，同时也涉及相应的传感器及手持机，属于无线传感网技术领域。

背景技术

无线传感网(WirelessSensorNetworks，简称为WSN)是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检测环境的传感器。由于无线传感网由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。当下，无线传感网被广泛应用于军事、交通、环境监控、医疗卫生、家居智能化等多个领域。

伴随着公共事业(水、电、燃气)在中国的蓬勃发展，家居智能化得到了高速的发展。作为家居智能化产业链中的一环—远程抄表系统也同时得到了蓬勃发展。现有的远程抄表系统大多是在无线传感网下实现的。由于远程抄表系统采用电池供电，传感器节点的能量供应有限，使得传感器节点不能一直在线，因此，传感器节点必须具有一定的休眠监听时间，才能降低功耗，延长电池的使用寿命。

由于远程抄表系统使用电池供电，电池的使用寿命有限，若表具的传感器节点一直处于工作状态，那么其功率消耗大为增加。为降低功耗，延长电池的使用寿命，表具的传感器节点不能一直处于工作状态，因此为该传感器节点设置周期性的对外监听机制，收到唤醒数据包则进入工作状态，没有收到外界发来的唤醒包，就继续回到休眠状态。这样，可以有效降低表具的传感器节点的功率消耗，延长电池的使用寿命。

目前，市面上需要一种既能满足手持要求可以在随机时间段内快速唤醒传感器节点的手持式抄表系统，又要满足于该节点不必一直处于在线监听的状态；同时又能满足在手持机与传感器节点相互通信时，可以以相对较高的速率进行发送与接收，极大地减少了传感器节点的在线监听时间，在该节点结束监听后，可以立即进入休眠状态，该系统可以有效减少传感器节点的监听时间在休眠时间内所占的比重，降低功率消耗，从而达到延长电池使用寿命的目的。

在无线传感网中，节点的唤醒方式有以下几种：

(1)全唤醒模式：这种模式下，无线传感网中的所有节点同时唤醒，探测并跟踪网络中出现的目标。虽然这种模式下可以得到较高的跟踪精度，然而是以网络能量的消耗巨大为代价的。

(2)随机唤醒模式：这种模式下，无线传感网中的节点由给定的唤醒概率p随机唤醒。正是因为这个随机概率p是不确定的，所以对于传感器节点的传输时延也具有很大的不确定性，因而对于传感器节点的功率消耗就很大。

(3)由预测机制选择唤醒模式：这种模式下，无线传感网中的节点根据跟踪任务的需要，选择性的唤醒对跟踪精度收益较大的节点，预测目标下一时刻的状态，并唤醒节点。

(4)任务循环唤醒模式：这种模式下，无线传感网中的节点周期性的处于唤醒状态，这种工作模式的节点可以与其他工作模式的节点共存，并协助其他工作模式的节点工作。

远程抄表系统中主要采用唤醒模式(1)和(3)。虽然表计平常是处于睡眠状态，当需要抄表时，采集器需要唤醒附近的所有的表计节点被同时唤醒，采集器依次抄取数据，若读取成功，则结束抄表过程，否则再进入到下一级的抄表循环中，虽然可以根据跟踪精度一步步读取表计数据，但是整个网络的能量消耗过大。

在远程抄表系统中，对于任务循环唤醒模式又可以细分为以下三种：主动唤醒模式、异步唤醒模式和同步唤醒模式。

主动唤醒模式是指传感器节点平时都是处于休眠状态，只有在接收到外界设备的唤醒信号后才被唤醒开始工作的主动唤醒机制，这种唤醒机制可以最大程度的降低功耗，但是在该方式中，通常会要求每个传感器节点都配置两套无线收发机，因此对硬件的设计复杂度较高。

在异步唤醒模式中，传感器节点可分为工作期和休眠期，因此对于远程抄表系统中的每个传感节点，发送方在发送指定的数据包之前，都需要对传感器节点先发送一个足够长的唤醒前导，还要等待该节点被唤醒后才能与发送方建立连接，进行抄表工作。因此，虽然这种唤醒方式简单易行，但是唤醒时间过长，能量的消耗相对较大。

此外还有一种同步唤醒模式，它要求远程抄表系统中所有的传感器节点或临近的传感器节点合作性的同时休眠，同时进入工作状态，虽然在能量消耗方面相对具有一定优势，但是在实现手持机与表具传感器节点实时随机通信时，则会显得较为繁琐，不能够灵活的在随机时间段内和该传感器节点进行通信。

现有的远程抄表方式主要有以下两个缺陷：一、唤醒时间过长，增加了不必要的数据传输时间，大大增加了功率的消耗；二、手持机只能定时抄表，例如每月，或是每天的固定时间，进行抄表，影响了综合管理系统对传感器节点的数据的更新，大大降低了远程抄表的灵活性与随机性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种无线传感网节点快速唤醒方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供相应的传感器及手持机。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种无线传感网节点快速唤醒方法，所述无线传感网有多个传感器，包括如下步骤：

所述传感器在监听窗口到达时，以高速率接收数据包，

所述高速率是指所述传感器以及与所述传感器交互的手持机两者均能支持的最高速率。

其中较优地，所述高速率大于在没有收到数据包时所述传感器进行监听所用的速率。

其中较优地，所述传感器判断所述数据包是否为唤醒数据包，如果是则读取数据包；如果不是则丢包。

其中较优地，所述监听窗口的时间包括所述手持机传输唤醒数据包的时间，

所述手持机传输唤醒数据包的时间等于所述唤醒数据包大小除以所述高速率。

其中较优地，所述监听窗口的时间包括所述手持机传输所述唤醒数据包的时间，以及所述手持机等待所述传感器回应的数据包的时间。

一种用于无线传感网的传感器，包括：

第一数据处理部，与所述第一数据处理部连接的设置部、第一发射部以及第一接收部，

所述第一数据处理部对所述第一接收部接收到的来自所述手持机的数据包进行读取，并发送给所述设置部，

所述设置部对所述第一数据处理部进行设置，使其产生回应信息，通过所述第一发射部发送给所述手持机，

其中，所述第一接收部以高速率进行工作，

所述高速率是指所述传感器以及与所述传感器交互的手持机两者均能支持的最高速率。

一种用于无线传感网的手持机，包括：

第二数据处理部，与所述第二数据处理部连接的输入/输出部、第二发射部以及第二接收部，

所述第二数据处理部对所述第二接收部接收到的来自传感器的数据包进行读取，并发送给所述输入/输出部，

所述输入/输出部对所述第二数据处理部进行设置，使其产生回应信息，通过所述第二发射部发送给所述传感器，

其中，所述第二发射部以高速率进行工作，

所述高速率是指所述传感器以及与所述传感器交互的手持机两者均能支持的最高速率。

与现有技术相比较，本发明所提供的无线传感网节点快速唤醒方法具有传感网络唤醒时间短，功率消耗小，可以在随机时间段内与手持机建立通信连接，节约人工，适用范围广等突出特点。

附图说明

图1为本无线传感网节点快速唤醒方法的流程图；

图2为手持机发送数据包的状态的示意图；

图3为传感器没有收到手持机发送的数据包状态的示意图；

图4为传感器监听窗口大小的示意图；

图5为用于无线传感网的传感器的整体结构示意图；

图6为用于无线传感网的手持机的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容展开进一步的说明。

在远程抄表系统中，引入周期性的唤醒监听机制的根本目的是节省能耗。但在实际生活中，我们会需要对数据进行更新，手持机需要随时对传感器节点进行唤醒，进行抄表。当手持机向传感器节点发送数据时，若以原有传感器网络下的通信速率与该节点进行相互通信，那么数据传输时间过长，向手持机反馈的时间同样过长，那么传感器节点的在线监听时间就会被大大延长，所需要的电流消耗过大。这显然缩短了电池的使用寿命。若是在表具的传感器节点处于工作状态时，手持机才能进行抄表操作，那么就会使抄表人员经常处于被动状态，只能在一个固定时间段内抄表，无法实现数据的及时更新，也无法在随机时间内与传感器节点进行通信，增加了不必要的人工操作，还使得手持机只能以低速率进行发送，同样延长了手持机与传感器节点相互通信的时间，增加了不必要的功率消耗，缩短了电池的使用寿命。

为此，本发明提供了一种无线传感网节点快速唤醒方法，用于实现支持手持机快速唤醒的远程抄表系统。这种远程抄表系统不受时间的控制，可以在随机时间段内对传感器节点进行快速唤醒，通过提高传感器节点与手持机相互通信的速率，缩短唤醒时间，降低传感器节点监听时间在休眠时间中所占的比例，传感器节点监听时间所占的比重越小，传感器节点的功率消耗就越小，这样就可以达到延长传感器节点的电池使用寿命的目的。

需要说明的是，本发明中的唤醒是一种近距离唤醒，即手持机与传感器节点距离较近，两者的灵敏度较高，在这种情况下，可以选择高速率进行数据的发送与接收。传感器节点与手持机之间以高速率完成相关数据包的发送和接收，来达到降低监听时间占整个休眠时间的比重，减小传感器节点功率消耗。

如图1所示，传感器节点每隔一段时间进行一次监听，在监听时间段内，判断外界是否有数据包与规定唤醒传感器节点的数据包相符，若传感器节点接收到这种数据包，那么，发送该数据包的手持机与传感器节点进行相互通信，否则，传感器节点在监听时间过后，进入到休眠状态。

当传感器节点处于监听状态时，若接收到相关数据包，则判断是否是由手持机发出的唤醒数据包，若是，则传感器节点做出回应，若不是，则传感器节点丢弃该数据包，继续监听。

手持机与传感器节点进行相互通信的数据包可以定义成如下形式：当手持机需要唤醒传感器节点，并与传感器节点进行通信时，会立即以速率Vn向传感器节点发送大小为M₀的数据包，这个数据包内包括m₁的唤醒数据包，以及m₂字节等待传感器节点回应的数据包，即M₀＝m₁+m₂，m₂≤m₁。传输m₁数据包所需的时间为t₁，传输m₂数据包所需的时间为t₂，t₂≤t₁。这个大小为M₀的数据包，若被传感器节点接收到，则手持机与传感器节点进行相互通信，若没有被传感器节点接收到，则说明传感器节点处在休眠状态，手持机继续发送这种数据包，一直到被传感器节点所接收。

高速率是指传感器和手持机所均能支持的最高速率。传感器节点可以支持多个速率，例如按照速率从小到大，有V₀、V₁、V₂...V_n(V_n远远大于V₀)。没有收到数据包时传感器节点使用低速率V₀监听。手持机可支持速率V_n，当手持机近距离抄读时，传感器节点使用V_n。如果手持机支持速率V高于传感器支持的最高速率V_n，则采用传感器和手持机分别可以使用的最高速率中的低值V_n。

步骤一：判断是否收到数据包

如果收到数据包，则传感器进入下一步，对数据包进行判断；如果没有收到数据包，则传感器进入步骤五，判断监听时间是否结束。

步骤二：进入监听模式，以高速率接收数据包

对于传感器节点来说，在每一个休眠时长内，需要开一个时间长度为t的监听窗口，用来接收手持机所发送的数据包M0。如图2所示，数据包M0表示手持机发送的数据包大小，其中含有两个大小分别为m1，m2的数据包，这两个数据包分别代表对传感器节点的唤醒数据，以及接收到传感器节点的回应数据。

在现有无线传感网络中，传感器节点的休眠周期为T_s。如图3所示，本发明在时长为T_s的休眠时间(与现有无线传感网络的休眠时间相同)开始时，有一段时长为t的监听窗口，传感器节点在监听窗口内接收附近手持机是否有发送符合要求的通信数据包(唤醒数据包)，若接收到，则传感器节点被唤醒，与手持机进行相关数据的发送与接收；否则，在监听时长t结束后，传感器节点继续进入休眠状态。

如图4所示，要完整地接收到手持机所发送的唤醒数据包，必须规定传感器节点的监听窗口的时间t＝2t₁+t₂+△，△趋近于0，其中，t₁为手持机传输唤醒数据包m₁的时间，t₂为手持机等待传感器节点回应的数据包m₂的时间，△的取值根据实际情况设置，趋近于0。

在此进一步解释如下：两者通信时，手持机是一直在发送唤醒-等待-唤醒-等待.....的数据包，这个监听窗口t就是假设节点监听时刚好处于手持机第一个唤醒的最后一刻，那么监听窗要想接收到一个完整的唤醒等待回应的数据包，那么这个监听窗口t就相当于是监听到了第一个数据包中等待回应的部分和第二个完整的数据包的时间(也就是说这是一个最长的监听时间)，但由于速率提高了上去(高速率接收)，所以可以把这个t压缩得很短，所以接没接受到数据包，t的监听时间是固定的。这样设定后，传感器节点能够在时间t内接收到手持机所发送的至少一个完整的数据包，只有接收到这个完整指令的数据包，传感器节点才能够被唤醒，与手持机进行通信。

本发明通过提高手持机与传感器节点相互通信的速率，来缩短传感器节点的监听窗口时间t，以此降低监听时间t在休眠时间T_s中所占的比重，即t/T_s。在本发明中，由于手持机与传感器节点的距离较近，手持机的灵敏度较高，两者可以实现高速率的数据发送与接收，可以实现手持机在随机时间内与传感器节点相互通信。

在传感器节点这一端，设置一个时间长度为t的监听窗口，并且以速率Vn与手持机进行数据的接收，传感器节点的通信速率V_n远远大于原有数据传输速率V₀，那么在这种情况下，本发明所提供的快速唤醒方法中，所需用的监听时间t＝2t₁+t₂+△，即采用高速率V_n进行数据传输所需要的监听时间t，远远小于原有时间t₀。

假设传感器节点的休眠电流为A_S，休眠时间为T_s，监听电流为A_l，监听时间为t，那么传感器节点在休眠时间内消耗的平均电流为Ⅰ＝[A_S*(T_s-t)+A_l*t]/T_s，在本发明中，由于t的取值趋近与0，所以T_s-t≈T_s，即Ⅰ≈(A_S*T_s+A_l*t)/T_s。由于V_n速率高于现有的V₀速率，时间t大幅缩短，因此根据前述公式可知，平均电流I得到明显减小。

下面以si4464为例做进一步的说明。在本发明中，定义休眠时长为1s，si4464的休眠电流为900nA，监听电流是7.2mA，由于si4464的数据传输速率范围为0.123kbps到1Mbps，si4464在现有技术中通常采用的数据传输速率为0.123kbps，现设定si4464在本发明中的数据传输速率为1Mbps，手持机发送200bits的数据包，其中包括120bits的唤醒数据包，80bits的等待回应数据包，对于传感器节点来说，在休眠周期内所开的监听窗口可以完全接收到手持机所发送的这个200bits的数据包。

在本发明中，快速唤醒传感器节点时，si4464的传输速率为1Mbps，手持机也使用1Mbps来传输这个200bits的数据，则手持机传输一个完整数据包所需要的时间为t_m＝t1+t2＝(120+80)/106＝(0.12+0.08)ms，那么传感器节点的监听窗口若想完全接收这个完整的数据包可取监听时间t＝2t1+t2+△＝0.35ms，占休眠周期的0.035％，故此时的监听时长t可以忽略，则节点的所消耗的平均电流为2.7μA。

作为对比，若以现有技术的数据传输速率0.123kbps来传输和接受数据时，监听时长为0.35s，占休眠时长的35％，此时的监听时长就不可忽略，则传感器节点所消耗的电流为2520μA。具体数据显示可见表1。

表1si4464使用不同传输速率时，所消耗的平均电流

由此可见，使用本发明中所提供的快速唤醒方法，可以在保证传感器节点接收到手持机发送的完整有效数据包的情况下，有效地缩短监听时间，降低传感器节点在整个工作过程中消耗的平均电流，达到降低传感器节点的功率消耗，延长电池使用寿命的目的。

步骤三：判断接收数据包是否为唤醒数据包

如果传感器判断出接收到的数据包不是唤醒数据包，则直接丢包，然后返回步骤一，继续接收数据包。这样可以节约处理时间。

如果传感器判断为符合格式的唤醒数据包，则进入下一步，读取数据包。

以无线芯片si4464为例，假设手持机需要发送的200bits数据包来唤醒传感器节点，这个数据需包含有唤醒数据和等待传感器回应的数据。

步骤四：读取数据包

传感器节点与手持机以速率Vn完成相关数据包的发送和接收。

由于读取数据包的过程与现有技术相同，在此不赘述。

步骤五：判断监听时间是否结束

传感器在完成数据包发送和接收后，判断监听时间是否结束，如果已经结束，则进入休眠状态(下一步)；如果没有结束，则返回步骤一，准备接收下一个数据包。

步骤六：传感器节点进入休眠状态，等待下一个监听窗口。

在监听时间结束时，传感器进入休眠状态，等待下一个监听窗口的到来。但监听窗口到来时，传感器重新进入步骤一，开始接收数据包。

本发明在传感器节点没有接收到手持机的唤醒数据包情况下，传感器节点一直处于监听—休眠—监听—休眠的循环中，若接收到手持机传输的数据包，则传感器节点与手持机以速率Vn进行数据的发送与接收。相较于现有的远程抄表系统，可以实现快速唤醒。

本发明所提供的无线传感网节点快速唤醒方法改变了以往传感器节点以低速率发送和接收数据的被动唤醒的模式，同时传感器节点功率消耗过大的问题被有效改善了。在本发明中，手持机可以在随机时间段内(随机时间段就是说手持机随时想抄表了，只要一直发送相关数据包，就一定会被节点接收到)，近距离与传感器节点进行相互通信。由于两者接收和传输数据包的速率高于普通情况下的速率，避免了传感器节点唤醒时间过长，有效降低了传感器节点的功率消耗，从而保证了电池长期使用，低功耗连续工作的要求。

本发明对手持机所发送的唤醒数据包有特定的要求，对传感器节点端的接收窗口也有相应的规定，对于不符合规定的数据包，传感器节点直接丢弃，这样就保证了传感器节点的工作效率，不需要为多余的数据包浪费时间。

下面进一步介绍适用于本无线传感网节点快速唤醒方法的传感器。

如图5所示，本发明所提供的传感器，包括第一数据处理部，与第一数据处理部连接的设置部、第一发射部以及第一接收部。第一数据处理部对第一接收部接收到的来自手持机的数据包进行解包，读出数据，并发送给设置部。设置部对第一数据处理部进行设置，使其产生回应信息，通过第一发射部发送给手持机。

其中，第一发射部和第一接收部以Vn进行工作。

接下来，介绍适用于本无线传感网节点快速唤醒方法的手持机。

如图6所示，本发明所提供的手持机，包括第二数据处理部，与第二数据处理部连接的输入/输出部、第二发射部以及第二接收部。第二数据处理部对第二接收部接收到的来自传感器的数据包进行解包，读出数据，并发送给输入/输出部。输入/输出部对第二数据处理部进行设置，使其产生回应信息，通过第二发射部发送给传感器。

其中，第二发射部和第二接收部以Vn进行工作。

与现有技术相比较，本发明可以在随机时间段内与手持机建立通信连接，具有以下特点：

一.适用于不同传感器节点的远程抄表系统，即这种抄表系统可以方便快捷地应用到各种传感器节点中；

二.该传感器节点具有周期性的休眠监听时间，并以高速率与手持机进行相互通信，降低了传感器节点的监听时间在整个休眠周期中所占的比重，这样就有效的降低了传感器节点的功率消耗，延长了电池的使用时间。

三.由于本发明通过高速率交互数据包，唤醒时间短，手持机只需要在传感器附近保持很短时间就能实现数据交互，缩短抄表时间，提高人工操作的效率；

四.采用本发明的远程抄表系统不需要在每个月或是每天的固定时间段中，前去抄表，即手持机持有者可以在随机时间段与传感器节点进行通信，并以高速率与传感器节点进行数据的发送与接收。

上面对本发明所提供的无线传感网节点快速唤醒方法及其装置进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种无线传感网节点快速唤醒方法，所述无线传感网有多个传感器，其特征在于：

所述传感器在监听窗口到达时，以高速率接收数据包，

所述高速率是指在所述传感器以及与所述传感器交互的手持机，两者均能支持的最高速率。

2.如权利要求1所述的无线传感网节点快速唤醒方法，其特征在于：

所述高速率大于在没有收到数据包时所述传感器进行监听所用的速率。

3.如权利要求1所述的无线传感网节点快速唤醒方法，其特征在于：

所述传感器判断所述数据包是否为唤醒数据包，如果是则读取数据包；如果不是则丢包。

4.如权利要求1所述的无线传感网节点快速唤醒方法，其特征在于：

所述监听窗口的时间包括所述手持机传输唤醒数据包的时间，

所述手持机传输唤醒数据包的时间等于所述唤醒数据包大小除以所述高速率。

5.如权利要求4所述的无线传感网节点快速唤醒方法，其特征在于：

所述监听窗口的时间包括所述手持机传输所述唤醒数据包的时间，以及所述手持机等待所述传感器回应的数据包的时间。

6.一种用于无线传感网的传感器，其特征在于包括：

第一数据处理部，与所述第一数据处理部连接的设置部、第一发射部以及第一接收部，

所述第一数据处理部对所述第一接收部接收到的来自所述手持机的数据包进行读取，并发送给所述设置部，

所述设置部对所述第一数据处理部进行设置，使其产生回应信息，通过所述第一发射部发送给所述手持机，

其中，所述第一接收部以高速率进行工作，

所述高速率是指所述传感器以及与所述传感器交互的手持机两者均能支持的最高速率。

7.如权利要求6所述的用于无线传感网的传感器，其特征在于：

所述第一发射部以所述高速率进行工作。

8.一种用于无线传感网的手持机，其特征在于包括：

第二数据处理部，与所述第二数据处理部连接的输入/输出部、第二发射部以及第二接收部，

所述第二数据处理部对所述第二接收部接收到的来自传感器的数据包进行读取，并发送给所述输入/输出部，

所述输入/输出部对所述第二数据处理部进行设置，使其产生回应信息，通过所述第二发射部发送给所述传感器，

其中，所述第二发射部以高速率进行工作，

所述高速率是指所述传感器以及与所述传感器交互的手持机两者均能支持的最高速率。

9.如权利要求8所述的用于无线传感网的手持机，其特征在于：

所述第二接收部以所述高速率进行工作。

10.如权利要求7所述的传感器或权利要求9所述的手持机，其特征在于：

所述高速率大于在没有收到数据包时所述传感器进行监听所用的速率。