CN1815924A - 传感器节点、基站和传感器网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明所要解决的问题是在传感器网络系统中，实现进行间歇动作的传感器节点的低消耗功率化。在基站的无线部设置预测传感器节点向基站发送信号的时间，并根据预测来存储从传感器节点发送的信号的表。由此，可以缩短传感器节点和基站的通信时间。另外，使得在传感器节点内的RTC设置微机的启动时间，可使传感器节点内的微机处于备用状态。

Description

传感器节点、基站和传感器网络系统
技术领域
本发明涉及进行间歇动作的传感器节点、从该传感器节点接收数据的基站和传感器网络系统。
背景技术
近年来，研究了在传感器上添加具有无线通信功能的小型电子电路，将现实世界的各种信息实时取入信息处理装置中的网络系统(下面，称为传感器网络)。在传感器网络中考虑了大范围的应用，例如，考虑了通过集成了无线电路、处理器、传感器、电池的指环型的小型电子电路，来总是监视脉搏等，并将监视结果通过无线通信发送到诊断装置，根据监视结果来判断健康状态等的医疗应用(非专利文献1)。
为了广泛实用化传感器网络，将装载无线通信功能、传感器和电池等的电源的电子电路(下面称为传感器节点)作成经过长时间不需要维修且持续发送传感器数据的电路，并且外形还较小型很重要。因此，超小型且无论哪里都可以设置的传感器节点的开发正在进行中。现阶段，虽然在实用上可使用一年左右的期间且不用更换电池，但是认为需要兼顾维修成本和使用的便利性两个方面。
例如，在非专利文献2中，介绍了称作“Mica2Dot”的直径为3cm左右的小型传感器节点的原型。该Mica2Dot由集成了无线通信所需的功能的RF芯片和低消耗功率的处理器芯片构成。在该原型中，通过99％的时间为待机状态，仅间歇启动剩余的1％的时间而使传感器动作、并将结果进行无线通信的间歇动作，可用小型电池维持1年左右的操作。
传感器网络中需要上述这种小型且进行无线通信的传感器节点，以及和用无线来收集所检测到的数据、并连接到互联网等有线网络的设备(下面称作基站)的两种设备。相对于传感器节点中加入小型和移动性并由电池来驱动的情况较多，基站为固定且由AC电源驱动的情况较多。
从这些理由可知，传感器节点和基站中存在几个功能上的不同。例如，在基站中，为了提高通信性能、即，通信的可靠性和通信距离，构筑了硬件为高性能，接收性能提高的结构。例如，通常设置多个天线来比较分析从两个天线得到的数据，并生成原始的正确数据的空间分集式(diversity)等。除此之外，提高了角度分集式和极化波分集式等的空间分集式的应用和使用两种不同频率的频率分集式等的应用。
因此，在传感器节点和基站中，通常使用不同的硬件结构。
另外，在网络中，作为防止通信量增加的方法，已知有设置暂时存储存取频率高的数据的高速缓存器区域的方法(例如，参照专利文献1)。
【专利文献1】特开平11-65915号公报
【非专利文献1】Sokwoo Rhoo等“Artifact-Resistant Power-EfficientDesign of Finger-Ring Plethysmographic Sensors”，IEEE Transactions OnBiomedical Engineering，Vol.48，No.7，July，2001，pp.795-805
【非专利文献2】Crossbow“Smarter Sensors In Silicon”“online”“2004年2月16日检索”、互联网＜URL：http：//www.xhow.com/Support/Support pdf files/Motetraining/Hardware.pdf>
但是，在制作传感器节点和基站两种硬件的情况下，两方都需要开发的工数、无线功能调谐工数、检验工数、接受认证的工数等。
与此相对，若传感器节点和基站可以部分共用硬件结构，则可以缩短设计时间。
但是，当共用这种硬件结构时，发明者们关心应该注意下面这些方面。假设如与基站同样地制作传感器节点的情况下，传感器节点大型且性能为必要以上，消耗功率高。结果，不能在要求小型、低成本、长操作寿命的应用下使用。另一方面，若假定将传感器节点用作基站，则此时性能过低成为问题。例如，由于传感器节点可以具有检测温度等的数据，并进行发送的功能，所以可以装载几十MHz左右的CPU和100k字节左右的RAM、ROM。与此相对，基站需要进行与基站管理的所有节点的通信和数据/调度管理，还需要进行与互联网等的有线网络的连接。因此，传感器节点不充分。
因此，作为第一问题，提出为缩短传感器节点和基站的开发工艺，实现具有两者性能的硬件。具体来说，使得传感器节点可以处理无线通信，在用了该传感器节点的基站中，在新追加的CPU和存储器上可以进行其他处理(下面，将使用传感器节点构成的基站的局部称作基站无线部，将除此之外的部分称作基站控制部)。在基站无线部和基站控制部之间通过串行接口等来有线连接。
在采取这种结构的情况下，基站无线部和基站控制部之间的通信时间成为问题。该串行接口的延迟时间越多，因下面的理由，节点的消耗功率变高。
通常传感器节点以预定的间隔(例如5分钟一次)进行检测和与基站的通信，为了减小消耗功率而延长寿命，除进行检测和通信时之外，处于待机状态(之后，将其称作间歇动作)。在待机状态中，不能进行通信。因此，为了从基站向节点发送指令等，需要在节点可接收的状态时从基站进行发送。为了高效进行，基站需要把握节点何时处于接收状态。例如，考虑在节点发送数据之后成为接收状态，从基站发送数据的接收确认(下面，称作ACK)和指令的协议。这时，传感器节点需要维持接收状态直到可以接收ACK和指令。
在这种情况下，若上述基站无线部和基站控制部之间的接口的延迟时间增大，由于ACK和指令的发送相应地延迟，所以节点为接收状态的时间也相应地变长，相应地消耗多余的功率。
因此，在如上利用传感器节点的硬件来构成基站的情况下，为了使传感器节点在有限长的时间上动作，需要使等待时间即从基站接收数据后到回应ACK和指令的时间为最小限度。尤其，利用传感器节点对基站的存取时间可预测的情况，使基站和传感器节点的交换所使用的时间为最小限度。因此，需要研究利用传感器节点的间歇动作来实现高速化的方法，而不是如现有的高速缓存方式那样利用数据的存取频率的多少来实现高速化的方法。
作为第二问题，提出了噪声的对策。通常，传感器节点中，从大小的限制来看需要将处理器芯片和无线芯片(RF芯片)集成到非常小的区域(～几cm角)内。另一方面，如熟知的，如传感器节点那样，通过微弱的高频无线信号来进行无线通信的情况下，来自处理器芯片的辐射噪声成为障碍，不能简单提高接收灵敏度。通常，数字电路用矩形波来交换信号。矩形波由各种各样的频率成份的交流信号构成，其中包含与在无线通信中使用的信号成份极其接近频带的信号。另一方面，RF芯片中，放大非常微弱的高频无线信号(典型为uV以下的规则(order))，来解调希望的数据。因此，即使数字电路的信号小，若蔓延到RF信号的输入部分，则RF芯片中不能正常解调来自天线的高频无线信号。进一步，即使是看上去完全不同的频率成份，因放大电路LNA和RF芯片内部使用的半导体设备的输入输出非线性特性，合成新的频率成份的信号，在接收对象的频带上出现噪声信号。
对于这种问题，在特愿2004-064973号中记载的电子装置具有：基板；连接传感器用的连接器；经连接器从传感器接收传感器数据的输入，并形成发送数据的第一信号处理电路；以及，将来自第一信号处理电路的发送信号转换为高频信号的第二信号处理电路；将连接器和第一信号处理电路安装在基板的第一面上，将第二信号处理电路安装在基板的第二面上。由此，分离了作为噪声的产生源的数字电路和高频电路。另外，为了进一步提高分离的效果，在基板上设置噪声屏蔽层。进一步，各个面的配置也花时间作为用远离作为噪声产生源的电路和对噪声敏感的电路。
但是，基站中，在装载LCD和开关、硬盘等新的噪声源的情况下，进一步需要对噪声的对策。因此，需要容易接受噪声的模块的屏蔽物等进一步降低噪声的物体。
作为第三问题，提出了传感器节点的进一步低消耗功率化。现在，由于通过微机来进行间歇动作的控制，所以在待机中也因微机消耗了2～30mA左右的功率。通过不用微机来进行间歇动作的控制，可以节约消耗功率。
发明内容
因此，本发明中，通过共用传感器节点和基站的硬件结构，而使设计变得容易，使响应性能的延迟为最小限度。另外，排除了噪声，提高了实际的接收灵敏度。进一步，通过不用指令进行间歇动作的控制可以实现低功率化。由此，可以短期间且低成本地提供通信可靠性高且传感器节点的寿命长的实用的传感器网络系统。
本发明的代表例子如下。对于第一问题，作为基站的RF模块，原样在无线部中是用传感器节点的硬件结构(基站无线部)。在基站无线部和基站控制部之间例如通过串行接口等连接。在进行空间分集式的情况下，制作两个相同的结构来连接实现。
另外，为了实现基站接收来自节点的数据后到回应(ACK)和指令的时间的最小化，通过在基站无线部的存储器中对存储了向节点的指令的表进行存储，可以在基站无线部和基站控制部之间避免不需要的通信。
接着，对于第二问题，在基站无线部上使用传感器节点，与微机或LCD等的噪声源物理隔离，并进一步屏蔽该传感器节点。
对于第三问题，本发明的电子装置除了微机和除此之外必须的RF模块和电源、传感器等，具有外部RTC。在间歇动作下进入到停止状态时，截断RF芯片或传感器的电源，并且，在外部RTC上设置启动时间，使微机处于备用状态。由此，电流的消耗仅有外置RTC的动作和备用状态的微机。在启动时，通过将外部RTC的信号作为中断来接收，进行启动。
发明效果
根据本发明，可以提供降低了消耗功率、具有实用性的操作寿命的传感器节点。
附图说明
图1是表示将传感器节点用于基站无线部的传感器网络的一实施方式的图；
图2是表示将传感器节点用于基站无线部的基站的一实施方式的图；
图3是表示将传感器节点用于基站无线部的基站的一实施方式的图；
图4是表示在基站无线部的存储器中存储的高速缓存表的一实施方式的图；
图5是表示在基站控制部的存储器中存储的调度表的一实施方式的图；
图6是表示图1的传感器节点中的传感器节点、基站和服务器的动作和数据的流向的一例的图；
图7是表示图6的基站的节点通信控制部的动作和数据的流向的图；
图8是表示图7的基站的指令确认和发送部的动作的图；
图9是表示图6的基站的节点管理部的动作和数据的流向的图；
图10是表示图6的基站的主机通信管理部的动作和数据的流向的图；
图11是表示图1的传感器网络的动作时序的一例(有高速缓存)的图；
图12是表示图1的传感器网络的动作时序的一例(没有高速缓存)的图；
图13是表示屏蔽基站无线部的硬件的一例的图；
图14是表示外置了实时时钟(RTC)的硬件表面的一例的图；
图15是表示外置了实时时钟(RTC)的硬件背面的一例的图；
图16是表示使用了外置了实时时钟(RTC)的硬件时的控制流程的一例的图；
图17是表示外置的实时时钟(RTC)和指令的动作的流程的图；
图18是表示传感器节点的间歇动作的图。
具体实施方式
图1表示通信系统的一例。通信系统由带多个传感器功能的无线终端SN0～SN2、基站BS1、BS2和互联网WAN1、服务器SV10构成。无线终端SN0～SN2和基站BS1之间通过无线通信WC0～WC2来进行连接。基站BS1和互联网WAN1之间通过有线通信LIFW1来连接。互联网WAN1和服务器SV10之间通过有线通信N2来连接。
作为信息的流向大致有两种。一种是传感器节点通过传感器取得温度、加速度、亮度等的数据，并将其经基站发送到互联网上的服务器。另一种是从服务器对基站和传感器节点发送设置通信频率等条件的指令。
一般传感器节点以预定间隔(例如5分钟一次)进行检测或与基站之间的通信。并且，为了减小消耗功率而延长寿命，除了进行检测和通信的动作状态时之外，处于消耗功率小的待机状态。图18表示动作状态和待机状态中的传感器节点的消耗功率的情况。在待机状态中，切断无线芯片或传感器的电源。因此，不能进行检测和通信。因此，为了从基站向节点发送指令等，需要在节点处于可接收状态时从基站进行发送。为了更高效地进行，基站需要把握节点何时处于接收状态。
例如，考虑在节点发送数据之后成为接收状态，从基站发送数据的接收确认(下面，称作ACK)或指令的协议。另外，这时，通过基站指定该节点进行下次通信的时间，可在基站中控制各节点的发送时间。由此，可以使各节点的发送时间分散而避免通信的冲突，降低节点的消耗功率。将这些节点的出现时间的分配称作调度。当使用该方法时，在基站启动后到与全部节点确立通信之前的过渡期间中，有可能存在通信冲突，但是一旦确立了通信，则可以没有冲突，全部节点次序良好地有次序地发送数据。这时作为调度混乱的主因，认为是节点不仅进行定期性的数据发送，还通知灾害或状态不好的检测地震等紧急事件的情况。除此之外作为由节点的状态引起，有因节点的移动而与基站之间的通信状态变差，或电池切断而不能进行动作的情况等。
传感器节点和基站BS、服务器SV10之间的数据的收发通过各设备具有例如如下所述的模块和功能来实现。
传感器节点SN0中包含无线通信模块RF0、控制装置CPU0、存储器MEM0、传感器SNS0和接口控制部SIF0。
如图2所详细表示，基站BS1上存在由与传感器节点相同的硬件构成的硬件(下面称作基站无线部)BSN1、进行传感器节点的管理或调度、与WAN1之间通信的基站控制控制部CNT1，双方之间例如通过串行接口SIFW1连接，并在接口控制部SIF1、2中进行来自双方的数据的交换。在基站BS1上，除此之外连接各种外围输入输出设备IO1。若为外围输入输出设备，例如连接开关SW1、小型闪存(注册商标)等存储器接口CFSLOT1、硬盘HDD1和液晶LCD1等。
在基站无线部BSN1上主要通过无线通信模块RF1将从传感器节点SN1～SN3用无线接收的数据转换为数字信号，并发送到基站控制部CNT1，或相反，将从基站控制部CNT1接收的指令用无线发送到传感器节点SN1～SN3。另一方面，在基站控制部CNT1中，将从基站无线部BSN1接收的数据、即从传感器节点SN0～SN3接收的数据经有线连接LIFW1发送到服务器SV10，或相反将从服务器SV10接收的数据经有线连接LIFW1发送到基站无线部BSN1。
在基站控制部CNT1的存储器MEM2的数据DATA2上存储了存储节点的调度结果的表格(调度表)SCHETBL1。在MEM2内除此之外，还包含进行主控制部CNT1和基站无线部BSN1之间的通信的程序和进行主控制部CNT1和互联网WAN1的通信的程序和进行调度的程序等。
接口控制部SIF1是在基站无线部BSN1中，与基站无线部的外部交换信息用的模块。作为外部接口，例如一般知道有串行接口等。在接口控制部SIF1中，将内部总线BUS1上的数据转换为串行接口而输出到SIFW1，或相反，将从SIFW1得到的数据输出到内部总线BUS1。
接口控制部SIF2与上述SIF1相同，是用于交换基站控制部CNT1和外部之间的信息的模块。进行SIFW1和BUS2之间的数据的控制和转换。
这样，传感器节点和基站同时由无线通信模块RF0、控制装置CPU0、存储器MEM0、传感器SNS0和接口控制部SIF0构成，通过构成为传感器节点、基站都可用的硬件结构，传感器节点、基站的硬件的开发变得容易。例如，可以减小开发工数、无线功能的调谐工数、验证工数和接受认证的工数等。不仅硬件，还共用用于控制基站无线部分的软件来使开发变得容易。另外，在本实施例中，虽然传感器节点和基站为相同的结构，但是当然，若开发时间和无线功能的调谐工数、验证、认证的工数为可削减，则可以改变结构。
接着，说明基站对传感器节点的存取的响应时间的最小化。如图5所示，在调度表SCHETBL1上，按预定出现的顺序来排列已经与基站BS1确保连接的传感器节点和要对该终端发送的指令和数据来进行存储。例如，ORDER为1的行是与预定最先出现的传感器节点有关的行，存储了该传感器节点的识别号(NODEID)、送到该传感器节点的指令(CMD)、传感器节点的出现时间(TIME)和表示是否在后述的高速缓存表CASHTBL上存储了数据的标记(CASHED)。CMD上包含通信频率等的设置请求和该传感器节点应在下面出现的时刻的指定等。ORDER为2的行是预定在其后面出现的传感器节点，之后，存储到第3、第4、....、第1000为止。
另一方面，在基站无线部的存储器MEM1的数据DATA1内存储了高速缓存表CASHTBL1。在图4中进行详细表示。高速缓存表CASHTBL1中存储了与预定在最近的将来出现的传感器节点有关的信息。即，存储了调度表SCHETBL1中存储的数据的INDEX为第一到进入高速缓存表的大小内的数据，例如100个数据。高速缓存表CASHTBL1存储了传感器节点的识别号(NODEID)、送到该传感器节点的指令(CMD)和传感器节点的出现时间(TIME)。起动时高速缓存表中不存在数据。高速缓存表CASHTBL1的容量取决于节点的规格和精度。在指定各节点的时刻可靠发送数据的情况下，只要是与下次出现的节点有关的指令都进行高速缓存即可。与此相对，在节点的发送时间的精度有误差，或存在不定期地发送数据的节点的情况下，需要高速缓存对应于某种个数节点量的指令。
这样，对于基站的响应时间最小化的问题，通过在基站无线部的存储器中存储对节点的指令的一览表，而不在基站无线部和基站控制部之间进行不需要的通信，可以最小限度地抑制节点的消耗功率的增大。尤其，不是如现有的高速缓存方式那样利用存取频率来在高速缓存器中存储数据，而是通过利用要存取基站的传感器节点的出现时刻，将数据存储在高速缓存表上，即可以实现击中(hit)率高的高速缓存器。
上述中，虽然在高速缓存表CASHTBL1中存储了发送到传感器节点SN1～SN3的指令CMD，但是作为其他的实施方法，考虑不存储指令本身，而具有表示指令是否存在于SCHETBL1中的标记CASHED的方法。在标记为ON时，实际的指令或数据存在于调度表SCHETBL1内。因此，在检查了标记CASHED后，在标记为ON的情况下，需要从基站无线部BSN1向基站控制部CNT1请求其指令和数据，来取得。在标记为OFF的情况下，可以立即向传感器节点回应，而不会产生多余的延迟。
在本实施例中，在标记为ON的情况下，由于需要从基站无线部BSN1向基站控制部CNT1请求数据，并从基站控制部CNT1向基站无线部BSN1发送，所以有产生了该部分延迟的缺点。但是，使用本实施例的优点是可以节约高速缓存表CASHTBL1的存储器。例如，在发送128字节的指令的情况下，在将其本身存储在高速缓存表的情况下，总共需要128字节，但是在仅将有无作为标记来进行存储的情况下，可以为1比特。
图3在基站BS1内装载了BSN11和BSN12两个基站无线部。基站无线部BSN11和BSN12与主控制部CNT1之间通过例如串行接口SIFW1和SIFW2来连接。
在电波传送激烈的环境中，为了提高通信的可靠性，将使用两个天线来使用好的一方数据的方法称作空间分集式。如上那样，通过装载两个RF部，利用接收灵敏度好的一方的数据，来可实现空间分集式。
这时，使BSN11内和BSN12内具有相同的高速缓存表，以基站控制部CNT1为主导来得到双方表格数据的匹配。
图6是表示图1的传感器网络的传感器节点、基站、服务器的动作和数据的流向的一例的图。
在传感器节点SN0中首先进行初始化P000。在初始化中，进行无线频率的设置、发送功率的设置、检测间隔或发送间隔的设置等。接着，由P001将电源供给检测温度等的数据的传感器和进行数据的收发的无线芯片。之后，进行检测P002，并将数据存储在存储器MEM0中。之后，在P003中通过无线通信D1将数据发送到基站BS1。之后，在接收状态下待机，并在P004中由无线通信C2来接收来自基站BS1的指令。之后，停止向传感器和无线芯片的电源供给，进入低功率模式。之后，在所设定的检测间隔或发送间隔后启动，并从P001重新开始动作。在该实施例中，仅在基站BS1处于节点通信控制状态时，可在基站BS1和传感器节点SN0之间进行收发，但是还可使用中断等来提高该通信的优先级。
在基站BS1中首先进行初始化P100。在初始化中，进行无线频率的设置、发送功率的设置和与服务器SV10之间的通信速率的设置等。之后，使用附图按照后述在节点通信控制P200中进行与节点的通信。这里，接收从节点送来的检测数据，并将从服务器SV10送来的指令传送到节点。
接着，使用图9如后所述，进行节点管理P201。这里，进行调度和高速缓存数据的生成。
最后，使用图10如后所述，进行主机通信管理P202。这里，进行基站BS1和由有线LIFW连接的网络WAN1上的服务器SV10之间的数据收发。通过无线通信D2来发送从节点SN0接收的检测数据，并通过无线通信C1来接收来自服务器的指令。
最后，在服务器SV10中，首先在初始化P500中进行了网络WAN1上的通信设置后，重复与基站的数据发送P501和接收P502。在该实施例中，仅在基站BS1处于主机通信管理状态时，可以在服务器SV10和基站BS1之间进行收发的，但是可以使用中断等来提高该通信的优先级。
图7表示节点通信控制部P200的细节。在基站无线部BSN1中，若首先在P211中从传感器节点接收了数据，则在P212中调查高速缓存表CASHTBL内的NODEID，确认是否存在该行。
在存在该行的情况下，在P216中将高速缓存表内的指令和ACK发送到该传感器节点SN0中。之后，在P217中将从节点接收的检测数据发送到基站控制部CNT1。在基站控制部CNT1中，在P223中进行接收。
另一方面，在高速缓存表内不存在该行的情况下，在P213中向基站控制部CNT1发送检测数据和指令请求T201。
在P221中接收了请求的基站控制部CNT1中，在P222中调查对于所请求的节点的指令是否存在于高速缓存表中，并在T202中进行响应。
图8表示P222的细节。在接收了指令请求的基站控制部CNT1中，在P2031中参照调度表SCHETBL的NODE ID。
在P2032的判断中，在存在具有该NODE ID的行的情况下，在P2035中将指令CMD为空(NULL)的数据T202发送到基站无线部BSN。其适合于该传感器节点SN0初次存取基站BS1的情况和虽然存在前次存取但是因移动或超时等而从SCHETBL1中被删除的情况。
在P2032的判断中，存在具有该NODE ID的行的情况是虽然存在前次的存取并已经进行了调度，但是存在因紧急情况等，比预定的时刻先出现的情况等。这时，在P2033中判断是否存在CMD。
在不存在的情况下，同样在P2035发送CMD为空(NULL)的数据T202。
在存在的情况下，在P2034中发送添加了CMD的数据T202。
在P214接收了数据T202的基站无线部BSN1中，在P215将所接收的数据T202中含有的CMD和ACK发送到节点SN0中。由此节点SN0和基站BS1之间的通信完成。
接着，在图9中示出图6的节点管理部P300的细节。在基站控制部CNT1中，根据与节点SN0的通信结果，来进行调度P321。
在P2032的判断中该节点不存在于调度表SCHETBL的情况下，注册到调度表SCHETBL上。注册的位置是：比较在送到该节点SN0的指令CMD中含有的下次的出现指定时刻和SCHETBL内的各数据的TIME，下次的出现指定时刻不超过TIME且顺序ORDER最大的行的下一行。
在P2032的判断中，在该节点存在于调度表SCHETBL的情况下，删除调度表SCHETBL的该行，并注册对应于下次预定出现的行。注册的位置与上述相同。
另外，检查出现预定时刻TIME，并删除与出现预定时刻TIME超过当前时刻一定时间的节点有关的数据。其考虑该传感器节点因电池切断和移动，而成为不能与基站BS1通信的状态的情况等。
另外，基站控制部CNT1中，在高速缓存表CASHTBL中存储了下次预定出现的行的情况下，通过设立标记CASHED，可以知道高速缓存了哪个数据，当前有几个被高速缓存。通过事先记录可在高速缓存表CASHTBL中存储的总数据个数，可以求出之后可存储几个数据。由此，在P322，可从调度表SCHETBL的ORDER小的数据开始将可追加存储的数据依次发送到基站无线部中。
另一方面，在基站无线部中，在P311接收高速缓存数据T301。之后，在P312进行高速缓存表CASHTBL的更新。这里，与基站控制部CNT1相同，检查出现预定时刻TIME，并从调度表CASHTBL中删除与出现预定时刻TIME超过当前时刻一定时间的节点有关的数据。除此之外，将在P311接收的高速缓存数据T301追加到高速缓存表CASHTBL中。
另外，作为更新高速缓存表的方法、定时，还有其他方法。图9的方法中，基站控制部CNT1计算基站无线部BSN1的调度表CASHTBL的空余，并发送新的数据。除此之外，例如，还有基站无线部BSN1管理高速缓存器CASHTBL的空余，在为空余且不进行其他通信和操作时，兼用向基站控制部CNT1请求新的数据的发送的单元的方法。每当高速缓存表CASHTBL稍微有空时，若在基站无线部BSN1和基站控制部CNT1之间发生通信，则在确立通信需要时间的情况下，基站无线部BSN1和基站控制部CNT1的操作效率可能变差。与此相对，如上所述，由于以基站无线部BSN1为主导，且高速缓存表CASHTBL中可以有某种程度的空余，所以通过集中传送，提高效率。
接着，图10表示图6的主机通信管理部P400的细节。在基站控制部CNT1中，进行基站BS1和服务器SV10的通信。通信有将从节点SN0～SN3送来的数据送到服务器SV10的通信、和将来自服务器SV10的指令送到节点SN0～SN3的通信。
在基站控制部CNT1中，若在P411中确认没有无线通信，则与服务器SV10确立通信，进行指令的接收412和数据的发送414。
当接收指令时，将其追加到调度表SCHETBLE的该节点的CMD。在没有该节点的情况下，还存在向服务器SV10通知没有或什么都不做的方法。另外，在服务器SV10中进行节点的调度的情况下，有将其结果加到调度表中的等等方法。
在服务器SV10侧，与此对应，进行指令的发送P421和数据的接收P422。
在图11、图12中，表示图6～图10中说明的节点SN0、基站无线部BSN1、基站控制部CNT1、服务器SV10的动作的一例。
图11、12从图左边的直线开始表示节点、基站无线部BSN1、基站控制部CNT1、服务器SV10各自的动作。图的从上到下的的直线表示时间的流向。各直线间的点划线表示数据的流向。另外，图中各动作序号与图6～图10的同一序号相对应。
图11表示在基站无线部BSN1的高速缓存表CASHTBL中高速缓存对发送来数据的节点SN0的指令的情况。节点SN0在P001接通电源，进行了检测P002后，在P003发送数据D11。基站无线部BSN1在P211接收该数据，并在P212确认对该节点的指令是否存在于高速缓存表CASHTBL中。在存在的情况下，在P216将该行的指令CMD附加到ACK，并回应给节点。节点在P004接收该指令，并在P005截断电源。在基站无线部BSN1，向节点发送了ACK后，在P217将在D11接收的数据发送到基站控制部CNT1。在基站控制部CNT1，在P223进行接收该数据。
接着，进入到节点管理部P300，进行调度P321。这里，从调度表SCHETBL一次删除与当前接收的节点对应的行，并加上该节点下次出现的时刻，追加到新顺序的ORDER的位置上。另外，检查调度表SCHETBL中的各节点的预定出现时刻TIME，在异常经过当前时刻一定时间的情况下，删除该行。
接着，算出基站无线部BSN1的高速缓存表CASHTBLE的空余，在P322中进行发送。至少可知这次送来数据的节点空余一个。另外，可知超过预定出现时刻TIME而删除的行也同样为空。在基站无线部BSN1中，在P311接收该数据，在P312进行高速缓存表CASHTBL的更新。更新与上述同样，删除了与到达的节点有关的行，同时，删除出现预定时刻TIME经过当前时刻一定时间以上的行。
在基站控制部中，在P414将在D121接收的数据发送到服务器SV10中。服务器SV10在P422接收数据。另外，在P421发送对节点的指令。在P412接收了指令的基站控制部CNT1在P413向调度表SCHETBL反映该指令。
图12表示在基站无线部BSN1的高速缓存表CASHTBLE中没有高速缓存对发送来数据的节点SN0的指令的情况。
接收来自节点的数据，在P212确认高速缓存之前与图11相同。
之后，在不存在对该节点的指令的情况下，将当前接收的数据和用于确认有无指令的指令请求在P213发送到基站控制部。在P221接收了该数据和指令的基站控制部CNT1确认高速缓存表SCHETBL，并在P222发送该指令CMD。细节如图8中说明的相同。
在P215接收了其的基站无线部BSN1中，在P217将添加到ACK的数据C11发送到节点。
节点在P004接收数据和指令，之后，在P005切断电源。
若将图12与图11相比，可以看出在图11中，在基站无线部BSN1确认高速缓存后立即回应ACK，节点可以使电源处于OFF，但是在图12中，产生一次基站无线部BSN1和基站控制部CNT1的通信，节点需要使电源相应地延长接通。
这里，估计在基站无线部具有高速缓存表、使用上述这种控制方式的情况的效果的一例。
如下假定节点SN0和基站BS之间的通信。假定检测后发送的数据为9字节。例如，作为温度传感器的信息，典型地只要2、3字节即可。设取得两三种传感器的信息，一次发送几次分量的检测数据。除此之外，还附加所检测的时刻等。另一方面，从基站向节点发送的数据也为相同大小。其中存储了指令或应下次发送的预定时刻等。
发送时，假设在其上附加了7比特的通信识别用的前序码。其中包含分组长度和节点的识别符等。
在一般的无线系统中，无线收发128字节的信息需要50ms左右的时间。因此，在为16字节的情况下，认为需要约6.25ms。因此，若存在对应于基站无线部BSN1的高速缓存表CASHTBL的数据，就立即回应，节点启动的时间为约6.25ms。严格上要在其上加上检测高速缓存器用的时间，但是由于为CPU的几个时钟周期，最高为几us，所以可以忽略。
与此相对，在不存在与无线基站部BSN1的高速缓存表CASHTBL对应的数据的情况下，加上基站无线部BSN1和基站控制部CNT1之间的接口SIFW1的通信的时间。假定该SIFW1上的传送速率为在一般的系统中使用的19.2kbps。这时，若设为发送其中流过的数据的9字节，即72比特，则为72/19200＝0.00375，即3.75ms。由于在基站无线部BSN1和基站控制部CNT12之间需要进行双向通信，所以需要倍数的7.5ms。若加上上述求出的立即响应时的时间6.25ms，则总共成为13.75ms。即，需要立即响应时的2倍以上的时间。
因此，节点必须等待接收的时间也成为2倍以上。
在节点为等待接收，或发送状态时，通常流过30mA左右的电流。与此相对，在为备用状态时，微机、无线芯片都为几uA左右，整体至多为30uA左右。
考虑5秒中进行一次发送的情况。在冲击高速缓存器的情况下，收发需要的功率为6.25ms×30mA＝0.19mAs、备用需要的功率为5s×30uA＝0.15mAs，总计消耗0.34mAs就可以了。在没有冲击高速缓存器的情况下，收发需要的功率为13.75ms×30mA＝0.41mAs，备用需要的功率为5s×30uA＝0.15mAs，总共消耗了0.56mAs左右。因此，消耗了接近于一倍的功率。这时，节点的寿命减少到接近于一半。
【实施例2】
在实施例2中，示出了使基站的通信可靠性提高、使通信距离改善的方法。
图13示出屏蔽了基站无线部BSN1的实施例。
在本实施例中，将图2所示的基站BS1安装在三个基板BB1～BB3上。基板BB1～BB3通过可进行通信的连接器CN12、CN21、CN22、CN31来连接，并且，用框体CASE1进行固定。图16表示三个基板的连接图。图13是该基站的垂直方向的截面图。用图13进行详细说明。
在基板BB1的表面SIDE11上配置液晶LCD1、开关SW1等作为噪声的产生源的构件和不受噪声影响的构件。在这些构件与基板BB2之间，布线通过通路(ビァ)等接口IF1，经连接器CN12、CN21来进行连接。
另外，在基板BB2的表面SIDE21上配置硬盘HDD1或小型闪存(注册商标)CFSLOT等。基板BB1和BB2之间没有特别的不同点，但是在BB1上尤其优先配置了用户看或接触的部件。在基板BB2和BB3之间与上述相同，经接口IF2和连接器CN22、CN31来进行连接。
在第三基板BB3上，在表面SIDE31上配置基站控制部CNT1。在与其他模块最远的基板BB3的背面SIDE32上配置噪声最弱的基站无线部BSN1。BSN1和CNT1经接口IF3和连接器CN2来连接。这里，BSN1通过屏蔽物SLD1来屏蔽。外部天线ANT1与框体CASE1上的连接器CN1、例如与同轴连接器相连，并进一步经同轴电缆等布线WIRE1，与基站无线部BSN1上的连接器ANTCN1相连。WIRE1通过屏蔽物SLD1的一部分上开口的孔HOLE1。也可在屏蔽物SLD1上与CN1同样连接连接器，并经其来通过。
这样，利用传感器节点的硬件与基站进行物理隔离，并进行屏蔽，从而避免数字电路的信号扩散到RF芯片的输入部分，而可正常解调来自天线的高频无线信号，可以改善通信的可靠性，通信距离。
【实施例3】
在实施例3中，示出了进一步降低传感器节点的消耗功率的方法。
图14、图15是说明在CPU的外部设置了实时时钟的一例的图。
图14表示向基板BO1的表面SIDE1安装了构成传感器节点SN1的电路的情况，图15表示向基板BO1的背面SIDE2安装的情况。如图14所示，在基板BO1的表面SIDE1上安装了高频信号处理芯片CHIP1(下面称作“RF芯片”)、第一晶体振子X1、高频开关RFSW、高频率低噪音放大器LNA、匹配电路MA、与在背面SIDE2上安装的电路的接口IF1、显示装置DISP和电容器C1、C2、C3、C4。
另外，如图15所示，在背面SIDE2上由处理器芯片CHIP2、连接器CN1、第一和第二电源截断开关(PS1、PS2)、作为内部传感器的温度传感器TS1、第二晶体振子(X2)、实时时钟(RTC)和通过接口IF1来控制在表面SIDE1上设置的开关RFSW和放大器LNA的RFSW/LNA控制电路LSC构成。在连接器CN1上连接安装在基板的外部，在传感器节点的内部配置的外部传感器、例如温度传感器、加速度传感器、应变传感器等。另外，也可代替晶体振子而使用陶瓷振子。
RF芯片CHIP1和处理器芯片CHIP2通过接口IF1来相互连接。处理器芯片CHIP2从内部传感器或经连接器CN1从外部传感器收集传感器数据，并将传感器数据经接口IF1传到RF芯片CHIP1。RF芯片CHIP1将传感器数据转换为无线信号后，发送到在传感器节点SN1的外部设置的基站BS1。另外，相反，接收来自基站BS1的无线信号。从外部无线终端典型地发送传感器数据的发送请求和无线通信的频率和传送速率等的动作参数，并将由传感器节点SN1接收的数据经接口IF1传到处理器芯片CHIP2，而用于来自下次的无线通信时的设置等。
接着，参照图15，来说明在基板BO1的背面SIDE2上安装的处理器芯片CHIP2。处理器芯片CHIP2包括存储电路MEM、微机CPU、数据输入输出电路SIO、A/D转换电路ADC、可编程输入输出电路PIO。这些电路块通过内部总线BU1来彼此耦合，进行数据的交换和控制。
存储电路MEM由低消耗功率的SRAM(Static Random Access Memory)或闪存等非挥发性存储器构成。在存储电路MEM上装载了后述的用于实现本发明特有的控制方式的软件。微机CPU根据所装载的软件来控制处理器芯片CHIP2内的其他电路块，实现希望的动作。
数据输入输出电路SIO是串行数据的输入输出电路，用于将传感器数据发送到RF芯片CHIP1上。另外，可编程输入输出电路PIO是并行数据的输入输出电路，主要用于RF芯片CHIP1的发送/接收等的动作模式的控制所需的控制数据的输入输出。
虽然在连接器CN1上连接了外部传感器，但是外部传感器可以输出模拟数据，也可输出数字数据。将模拟型传感器的传感器数据AP通过AD转换电路ADC转换为数字数据。例如，在传感器节点SN1上将模拟型温度传感器TS1内置于基板BO1上，将来自传感器TS1的温度数据AT通过AD转换电路ADC转换为数字量，并根据需要存储到存储器MEM。另一方面，将数字型传感器数据DP经可编程输入输出电路PIO输入到处理器芯片CHIP2中，并根据需要存储到存储器MEM。
另外，处理器芯片CHIP2控制RFSW/LNA控制电路LSC，执行放大器LNA的电源接通/截断和高频开关RFSE的收发切换。进一步，处理器芯片CHIP2控制电源节点开关PS1、PS2，并控制温度传感器TS1或外部传感器电源的接通/截断。
接着，参照图14，来说明在基板BO1的表面SIDE1上安装的RF芯片CHIP1。RF芯片CHIP1由高频调制解调电路RF、振荡电路OSC和控制电路CON构成。从处理器芯片CHIP2送来的传感器数据DS在高频调制解调电路RF中被转换为预定频带(～315MHz)的高频无线信号RFO后，发送到外部无线终端。另外，由天线ANT1接收来自外部无线终端的高频无线信号，并由高频调制解调电路RF进行解调。将解调后的信号CS经接口IF1传到处理器芯片CHIP2。另外，在传感器节点SN1中监视接收强度，并将表示接收强度的信号AS也从高频调制解调电路RF的RSSI端子经接口IF1传到处理器芯片CHIP2中。
另外，振荡电路OSC以晶体振子X1的振荡频率为基础，生成RF芯片CHIP1整体的动作需要的时钟信号和目的的无线通信频带的高频信号(载波频率信号)。
进一步，高频调制解调电路RF和振荡电路OSC通过控制电路CON，根据处理器芯片CHIP2的控制信号CS来进行控制。具体来说，控制发送和接收等动作模式的切换和收发信号的频带的微调、或发送功率等。进一步，可以通过来自处理器芯片CHIP2的控制信号使振荡电路OSC停止，并使RF芯片CHIP1整体进入待机状态。这时，典型地可以将RF芯片CHIP1的消耗电流削减到1uA以下。若对其他结构要素的动作和结构进行说明，则如下所示。
通过在背面SIDE2上设置的RF SW/LNA控制电路LSC来控制高频开关RFSW。切换天线ANT1和RF芯片CHIP1之间的连线来实现希望的收发动作。具体来说，发送时使高频开关RFSW的RI端子和RO2端子之间导通。另外，在接收时，使RI端子和RO1端子导通。
放大器LNA作为RF芯片CHIP1的外置构件，将由天线ANT1接收的非常微弱的高频无线信号通过RF芯片CHIP1放大到可解调的电平。这里，外置放大器LNA是因为使用了通过与RF芯片CHIP1不同的工艺形成的元件。为了进行低成本化和低消耗功率动作，RF芯片CHIP1最好由CMOS电路构成。但是，另一方面，CMOS电路中有门噪声变大的问题，不擅长放大微弱的高频无线信号。因此，作为放大器LNA使用由不是CMOS相容的工艺形成的电路，来作为外置电路。放大器LNA考虑其放大能力，最好例如由GaAs的化合物半导体、SiGe或双极性电路构成。将由天线ANT1接收的高频无线信号输入到放大器LNA的输入端子LI，并通过预定的放大率放大后经输出端子LO输出。想要在315MHz频带下以10m左右的通信距离稳定地进行通信的情况下，放大器LNA的放大率最好是10～20dB左右。另外，由于放大器一般消耗电流大，所以通过控制使能端子LE来切换动作状态和待机状态，可以将待机时的消耗电流削减到10uA左右。但是，由于传感器节点SN1中若总是消耗10uA的电流，则对电池寿命产生了严重的影响，所以在本实施例中，构成为通过来自处理器芯片CHIP2的控制截断向放大器LNA的电源供给，实现了传感器节点SN1的低消耗功率。
匹配电路MA是这样的电路：使RF芯片CHIP1的输入输出阻抗与高频开关RFSW及放大器LNA的输入输出阻抗相匹配，用于使高频无线信号在这些元件之间没有损耗地传送。匹配电路MA由电感、电容、电阻或滤波器等的无源部件构成。
数据信号线DS是在处理器芯片CHIP2的数据输入输出电路SIO和RF芯片CHIP1的高频调制解调电路RF之间连接的信号线。另外，控制线信号CS是连接处理器芯片CHIP2的可编程输入输出电路PIO和RF芯片CHIP1的控制电路CON的信号线。数据信号线DS用于两个芯片间的数据的交换，控制信号线CS用作处理器芯片CHIP2切换RF芯片CHIP1的动作模式用的控制线。进一步，显示装置控制线DC用于显示装置DISP的控制。
另外，LNA使能端子控制线LC、RFSW收发切换控制线RC和LNA电源线VDD1通过RFSW/LNA控制电路LSC来进行控制。
晶体振子X2用于主时钟，例如为几MHz以上。主时钟使用时的消耗电流典型为几mA。处理器芯片CHIP2在低消耗功率模式时使主时钟X2停止，进入到软件备用状态，并利用实时时钟RTC来进行恢复。另外，这里所说的软件备用状态是指用于降低LSI的消耗功率的状态。具体来说，例如停止时钟的供给，使CPU、周围功能的动作停止。只要提供规定的电压，就保持CPU的寄存器和内置RAM的数据，但是在不是这样的情况下不进行保持而进行消除。备用状态的解除通过外部中断或复位和备用控制端子来进行。
图17示出用了实时时钟RTC的控制方法。首先，在P711将CPU的RAM的数据保存到存储器MEM中。这是因为当处于软件备用状态时，数据消失。接着，在P712，在RTC将启动时刻设置为数据T701。之后，在P713设置为软件备用状态。
在P721按照数据T701设置启动时刻的RTC，在P722检查是否到启动时刻。若到启动时刻，则在P723产生使信号T702。
CPU在P714接收信号T702来进行启动。之后，在P715中，写回在P711保存的数据，并恢复到软件备用前的状态。
由传感器节点对基站进行通信的时间来决定CPU的启动时刻。
如前所述，不能在CPU的备用状态下进行检测和通信。因此，在CPU对基站进行通信的时间已处于启动状态。并且，由于在对基站不进行通信的时间消耗电流降低，所以处于软件备用状态，可以在利用附带于CPU外部的RTC来再次通信时启动。
产业上的可利用性
根据本发明，在短期内以低成本提供具有能够以低耗电来工作的传感器节点且通信功能高的传感器，由此能够构筑各种领域中的传感器网络系统。

Claims (15)

1、一种基站，分别对多个传感器节点发送第一信号，其特征在于，
所述基站具有第一存储器，存储分别发送到所述多个传感器节点的所述第一信号；
第二存储器，经串行接口与所述第一存储器连接，并对存储在所述第一存储器中的第一信号进行存储；
无线通信模块，与所述第二存储器连接；
在所述第二存储器中存储的第一信号的数目比在所述第一存储器中存储的数目少；
将在所述第二存储器中存储的第一信号经所述无线通信模块发送到所述多个传感器节点；
没有存储在所述第二存储器中的第一信号经所述串行接口和所述无线通信模块，分别被发送到所述多个传感器节点。
2、根据权利要求1所述的基站，其特征在于，所述基站分别从所述多个传感器节点接收第二信号；所述第一存储器和第二存储器进一步存储分别从所述多个传感器节点接收所述第二信号的时刻；
在所述第一存储器中存储的所述时刻包括比在所述第二存储器中存储的所述时刻晚的时刻。
3、根据权利要求2所述的基站，其特征在于，所述基站在从所述多个传感器节点的任一个接收了所述第二信号时，在将发送到该传感器节点的第一信号存储在所述第二存储器中的情况下，将在所述第二存储器中存储的所述第一信号发送到该传感器节点。
4、根据权利要求2所述的基站，其特征在于，所述基站在从所述多个传感器节点的任一个接收了所述第二信号时，在发送到该传感器节点的第一信号没有存储在所述第二存储器中的情况下，判断在所述第一存储器中是否存储有该第一信号。
5、根据权利要求4所述的基站，其特征在于，在所述第一存储器中存储有该第一信号的情况下，将在该第一存储器中存储的所述第一信号发送到该传感器节点。
6、根据权利要求4所述的基站，其特征在于，在该第一信号没有存储在所述第一存储器中的情况下，将第三信号代替该第一信号而发送到该传感器节点。
7、根据权利要求6所述的基站，其特征在于，所述第一信号是分别控制所述多个传感器节点各个的指令信号，所述第二信号是从在所述多个传感器节点的各个中包含的传感器取得的数据；所述第三信号是表示不存在分别控制所述多个传感器节点各个的指令信号的空信号。
8、根据权利要求2所述的基站，其特征在于，所述第一存储器和所述第二存储器中存储的各个所述第一信号，按照所述多个传感器节点使所述基站接收所述第二信号的时刻的顺序来排列存储；
所述基站在从所述多个传感器节点的各个接收了第二信号后，改写在所述第一存储器和所述第二存储器中存储的所述第一信号的顺序。
9、根据权利要求1所述的基站，其特征在于，所述基站还具有：与所述第一存储器相连的第一CPU；与所述第一存储器和所述第一CPU连接的第一接口控制部；与所述第二存储器相连的第二CPU；与所述第二存储器和所述第二CPU连接的第二接口控制部，
所述第一存储器和所述第二存储器经所述第一和第二接口控制部与所述串行接口相连。
10、根据权利要求2所述的基站，其特征在于，分别从所述多个传感器节点各个中周期性地接收所述第二信号。
11、一种传感器网络系统，其特征在于，
具有：传感器节点，传感器节点包括第一处理器、接收从所述第一传感器取得的数据的第一CPU、搭载了所述CPU执行的软件的第一存储器、发送从所述第一传感器取得的数据的第一无线通信模块和第一接口控制部；
基站，包括：接收从所述传感器节点的所述第一无线通信模块发送的数据的第二无线通信模块、存储向所述传感器节点发送的数据的第二存储器、对将在所述第二存储器中存储的数据发送到所述传感器节点动作进行控制的第二CPU、第二传感器和第二接口控制部，
所述第一传感器、第一CPU、第一存储器、所述第一无线通信模块和所述第一接口控制部经第一总线来连接；
所述第二处理器、第二CPU、所述第二存储器、所述第二无线通信模块和所述第二接口控制部经第二总线连接。
12、一种传感器节点，向基站发送数据，其特征在于，
所述传感器节点具有：传感器；接收从所述传感器取得的数据的CPU；配置在所述CPU的外部、与所述CPU相连的实时时钟，
在不向所述基站发送所述数据时，所述CPU向所述实时时钟发送启动时间，所述CPU成为备用状态。
13、根据权利要求12所述的传感器节点，其特征在于，在所述启动时间到来时，所述实时时钟向CPU发送信号。
14、根据权利要求12所述的传感器节点，其特征在于，由所述传感器节点向所述基站发送数据的时间来决定所述启动时间。
15、根据权利要求12所述的传感器节点，其特征在于，所述传感器节点还具有存储器，该存储器对保持在所述CPU中的数据进行存储；
所述CPU在向所述实时块发送启动时间之前，在所述存储器中存储由所述CPU保持的数据。
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