CN106413065B - 低功耗无线传感网络系统的控制方法 - Google Patents

低功耗无线传感网络系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低功耗无线传感网络系统的控制方法，包括：设置基于时间触发调度的通信周期Tcom，在任何整数倍的Tcom时刻点都将发起一起通信；Ts为系统程序执行周期，同时作为系统唤醒周期，在任何整数倍的Ts时刻，系统被唤醒，在随后的tm时隙内执行系统程序任务，并进行传感与数据采样处理；在定周期通信时隙tp内进行传感数据和诊断状态的传输，所述的定周期之周期大于所述统程序执行周期之周期。本发明的优点是确保系统实时性能的基础上，最大可能地采用了低功耗的模式，极大地降低了系统的能耗，延长了电池的寿命，极大提高了无线网络测控系统的适用性和可用性。

Description

低功耗无线传感网络系统的控制方法
技术领域
本发明涉及无线传感技术领域，具体涉及一种低功耗无线传感网络系统的控制方法。
背景技术
在现有技术当中，信息化、智能化已经成为轨道交通、静态交通以及工业控制领域的重要发展方向，而无线传感网络是信息化、智能化的重要技术支撑。在很多的应用场合，由于电源和布线等制约因素限制，采用有线的测控系统不太现实，这就需要无需外部供电以及布线的无线传感网络的测控系统。这样的状态监测与传感系统的工作年限就受制于电池供电的寿命。
无线传感网络测控系统主要基于电池供电，采用无线通信的方式进行数据的传输。由于电池容量有限，若不进行低功耗设计，电池的电量将在很短的时间内耗尽，这将极大地影响系统的可用性。而无线传感网络测控系统之电池的耗电量与其工作方式有关，在不影响物理信号状态检测与通信的实时性的情况下，通过改进其工作方式、方法来减小其单位时间的耗电量仍存在提升的空间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能实现低功耗、实时采集处理与传输的低功耗无线传感网络系统的控制方法，用以解决现有技术存在的功耗大的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下步骤的低功耗无线传感网络系统的控制方法，包括以下步骤：
设置基于时间触发调度的通信周期Tcom，在任何整数倍的Tcom时刻点都将发起一起通信；
Ts为系统程序执行周期，同时作为系统唤醒周期，在任何整数倍的Ts时刻，系统被唤醒，在随后的tm时隙内执行系统程序任务，并进行传感与数据采样处理；
在定周期通信时隙tp内进行传感数据和诊断状态的传输，所述的定周期之周期大于所述统程序执行周期之周期。
作为优选，在系统唤醒周期内，若信号状态发生变化或设备的关键诊断状态发生变化，则在特定的Ts间隔的事件触发通信时隙tn内将传感数据和诊断状态实时传输给数据中心。
作为优选，在所述的tm时隙内之传感与数据采样处理是指通过斯密特处理算法进行数据处理和信号状态检测判断。以提高状态变化判断的准确性。
作为优选，在系统唤醒周期内，优先执行耗电端口的相关操作，操作完成之后将立即对耗电端口进行节电操作。以进一步降低系统的能耗。
作为优选，事件触发基于最小的时间周期颗粒度，以提高系统实时状态传输的实时性。
作为优选，具体的执行流程为：
当系统休眠结束则唤醒系统执行正常的程序流程；
系统唤醒执行正常的程序流程后，系统将进行是否是采样宏周期时刻判断，如果是则执行采样子流程；在检测子流程之后，若有事件触发性通信需求，则执行通信子流程；
在采样宏周期判断之后，继续判断是否已是通信宏周期时刻，如果是则执行通信子流程。
采用本发明的方法，与现有技术相比，具有以下优点：本发明提出了一种适用超低功耗无线传感网络系统的方法，该方法的核心是以时间触发调度为基石，并在颗粒度最小的调度周期内实现事件触发时通信，确保系统及传感器状态可实时传输到数据中心。本发明的优点是确保系统实时性能的基础上，最大可能地采用了低功耗的模式，极大地降低了系统的能耗，延长了电池的寿命，极大提高了无线网络测控系统的适用性和可用性。
附图说明
图1为本发明主流程示意图；
图2为本发明采样处理及触发事件流程图；
图3为本发明通信处理流程图。
图4为本发明的时间调度示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
低功耗无线传感网络系统的控制方法，包括以下步骤：
设置基于时间触发调度的通信周期Tcom，在任何整数倍的Tcom时刻点都将发起一起通信；
Ts为系统程序执行周期，同时作为系统唤醒周期，在任何整数倍的Ts时刻，系统被唤醒，在随后的tm时隙内执行系统程序任务，并进行传感与数据采样处理；
在定周期通信时隙tp内进行传感数据和诊断状态的传输，所述的定周期之周期大于所述统程序执行周期之周期。
在系统唤醒周期内，若信号状态发生变化或设备的关键诊断状态发生变化，则在特定的Ts间隔的事件触发通信时隙tn内将传感数据和诊断状态实时传输给数据中心。
在所述的tm时隙内之传感与数据采样处理是指通过斯密特处理算法进行数据处理和信号状态检测判断。以提高状态变化判断的准确性。
在系统唤醒周期内，优先执行耗电端口的相关操作，操作完成之后将立即对耗电端口进行节电操作。以进一步降低系统的能耗。
事件触发基于最小的时间周期颗粒度，以提高系统实时状态传输的实时性。
本发明以高速铁路供电系统接触线夹温度检测为例，说明如何利用本发明实现满足实时温度信号检测及实时数据传输的超低功耗无线传感网络系统。
本实施例中，一个温度检测节点由微处理器、电源、无线通信模块以及传感器四个模块组成。此四个模块可在硬件电路设计中可基本实现低功耗的目标。
为进一步在降低系统功耗的同时仍满足实时信号检测与实时数据传输的要求。在算法层面采用时间触发调度与事件触发调度相融合的机制，利用软件施密特处理算法确保信号实时变化判断的准确性。为保障时间调度的准确性，需要根据温度测量节点的工作环境以及通过电池容量的大小、系统及各单元的功耗、系统工作年限要求以及系统的实时性要求等制约因素分析，结合嵌入式系统的硬件定时器的参数，确定时间触发调度的通信周期Tcom、系统程序执行周期Ts、采样时隙Tm、定期通信周期时隙tp、事件触发通信时隙tn等相关时间调度周期。此实施例中，由于温度的变化是比较平缓的，因此时间触发调度的通信周期Tcom可以设置为1分钟，即在这1分钟的时间内至少完成一次温度信号的采样以及一次正常数据的发送，传感器模块在采样结束进入休眠状态，在没有无线通信需求的情况下，无线通信模块休眠。但采样数据经过软件斯密特处理之后判断出温度信号或者设备的关键诊断状态发生变化之后，则会产生事件通信需求，通过无线模块将实时数据上传至数据中心。
以上方案中，具体的实施方式如下：
如图1所示，采用嵌入式系统的硬件定时器作为系统的调度时钟，当系统休眠结束则唤醒系统执行正常的程序流程；
系统唤醒执行正常的程序流程后，系统将进行是否是采样宏周期时刻判断，如果是则执行采样子流程；在检测子流程之后，若有事件触发性通信需求，则执行通信子流程；
在采样宏周期判断之后，继续判断是否已是通信宏周期时刻，如果是则执行通信子流程。
如图2所示，系统的采样子流程，首先是执行采样，然后是限值判断，再后是进行物理信号意义的判断，最后是物理信号状态的确认。
如图3所示，系统的通信子流程，系统在发送前首先执行信道空闲的检测判断，当信道空闲时才发送数据，否则退避一定时间后再发送；通信采用应答机制确保数据能够正确接收，若未收到应答，则说明通信失败，则退避一定时间后再发送。
如图4所示，示意了时间触发调度的通信周期Tcom、系统程序执行周期Ts、采样时隙Tm、定期通信周期时隙tp、事件触发通信时隙tn等相关时间调度周期。各个周期在时间轴上的关系如图所示，当然，该图也只是给出了其中一种实施方式，不构成对本发明的限制。
除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低功耗无线传感网络系统的控制方法，包括以下步骤：
设置基于时间触发调度的通信周期Tcom，在任何整数倍的Tcom时刻点都将发起一起通信；
Ts为系统程序执行周期，同时作为系统唤醒周期，在任何整数倍的Ts时刻，系统被唤醒，在随后的tm时隙内执行系统程序任务，并进行传感与数据采样处理；
在定周期通信时隙tp内进行传感数据和诊断状态的传输，所述的定周期之周期大于所述系统程序执行周期之周期；
在所述的tm时隙内之传感与数据采样处理是指通过斯密特处理算法进行数据处理和信号状态检测判断。
2.根据权利要求1所述的低功耗无线传感网络系统的控制方法，其特征在于：在系统唤醒周期内，若信号状态发生变化或设备的关键诊断状态发生变化，则在特定的Ts间隔的事件触发通信时隙tn内将传感数据和诊断状态实时传输给数据中心。
3.根据权利要求2所述的低功耗无线传感网络系统的控制方法，其特征在于：在系统唤醒周期内，优先执行耗电端口的相关操作，操作完成之后将立即对耗电端口进行节电操作。
4.根据权利要求2所述的低功耗无线传感网络系统的控制方法，其特征在于：事件触发基于最小的时间周期颗粒度，以提高系统实时状态传输的实时性。
5.根据权利要求2所述的低功耗无线传感网络系统的控制方法，其特征在于，具体的执行流程为：
当系统休眠结束则唤醒系统执行正常的程序流程；
系统唤醒执行正常的程序流程后，系统将进行是否是采样宏周期时刻判断，如果是则执行采样子流程；在检测子流程之后，若有事件触发性通信需求，则执行通信子流程；
在采样宏周期判断之后，继续判断是否已是通信宏周期时刻，如果是则执行通信子流程。
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