TWI511494B - 一種低耗電之無線感測網路系統與運作方法 - Google Patents

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Chi Yuan Lee
Shin Yi Chang
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Description

一種低耗電之無線感測網路系統與運作方法
本發明係關於一種無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)系統，特別是關於一種利用光源進行喚醒之無線感測網路系統。
在目前無線感測網路系統上所實作的喚醒機制，幾乎都是以單一喚醒機制為主。當無線感測網路系統中的節點進入睡眠狀態時，其節點中的傳輸裝置仍需在喚醒狀態，如此一來才能透過射頻訊號(RF Signal)喚醒網路系統中的各節點。
由於無線感測網路系統透過射頻訊號執行喚醒機制為一高耗電機制，若無線感測網路系統係設置於一般市內電源無法供應之地點時，則無線感測網路系統必須使用一般電池，然而其高耗電量容易使無線感測網路系統電力耗盡。當無線感測網路系統電量耗盡或故障時，整個無線感測網路亦也跟著停擺，故即使終端裝置仍有電量也無法進行運作。
因此，本發明之目的之一，是在提供一種無線感測網路系統，可降低耗電量。
本發明之目的之一，是在提供一種無線感測網路系統，不需經過射頻訊號進行喚醒機制。
本發明之目的之一，是在提供一種無線感測網路系統，可延長無線感測網路系統的整體壽命。
本發明一實施例提供了一種低耗電之無線感測網路系統，包含：複數個節點；其中，節點可於一預設時間進入一睡眠狀態，並透過一第一光源進入一喚醒狀態。
本發明一實施例提供了一種低耗電之無線感測網路系統之運作方法，包含：建立複數個節點；其中，節點於一預設時間進入一睡眠狀態，並透過一光源進入一喚醒狀態。
請參考第1圖，第1圖係顯示本發明無線感測網路系統(Wireless Sensor Network，WSN)一實施例之節點分佈示意圖，無線感測網路系統100具有9個節點N1~N9、以及1個協調器(Coordinator)C。在本實施例中，無線感測網路系統100之節點數目不應以此為限，且協調器C係用負責建立一無線網路。
在此舉例說明，對節點N1而言，其節點N5與N8可視為其對應的子節點(Child Node)，換言之，節點N1為節點N5與N8的父節點(Parent Node)；對節點N5而言，其節點N6與N7可視為其對應的子節點，換言之，節點N5為節點N6與N7的父節點；對節點N4而言，其節點N2、N3、以及N5可視為其對應的父節點，換言之，節點N4為節點N2、N3、以及N5的子節點。
故無線感網路系統100可視為具有複數個子節點與複數個父節點，且對每一個節點而言，亦可能是其他的節點的子節點或父節點，需視整個無線感網路系統100架構而決定，本發明不應以此為限，換言之，節點N1~N9亦可能是子節點或父節點。
請同時參考第2圖，第2圖係顯示本發明無線感測網路系統之一實施例之示意圖，在本發明一實施例中子節點與父節點(節點N1~N9)分別包含光感測裝置201、傳輸裝置202、類比比較裝置203、以及微處理裝置204。
其中，光感測裝置201用以感測節點N1~N9所處之環境的光源亮度，並依據其亮度產生一類比訊號AS；傳輸裝置202耦接光感測裝置201，傳輸裝置202可透過一射頻訊號RF與鄰近的子節點或父節點進行資料傳輸。且光感測裝置201係將類比訊號AS傳輸至類比比較裝置203，並由類比比較裝置203將類比訊號AS與預先設定之臨限值相比較，以決定是否輸出數位訊號DS，喚醒微處理裝置204。
在此請注意，當無線感測網路系統100初始化後，類比比較裝置203係預先設定一臨限值，微處理裝置204與傳輸裝置202則處於睡眠狀態，而類比比較裝置203則處於喚醒狀態。
當環境的光源亮度超越臨限值，意即類比比較裝置203依據類比訊號AS判斷其亮度大於臨限值時，則類比比較裝置203將類比訊號AS轉換成數位訊號DS，並將數位訊號DS傳輸至微處理裝置204，使微處理裝置204被喚醒並進而控制傳輸裝置202，使微處理裝置204與傳輸裝置202進行相對應的運作。
在一實施例中，微處理裝置204係計算其光源亮度，並透過傳輸裝置202傳輸至對應的子節點或父節點，使節點N1~N9將各感測資料傳輸至協調器C。
在本實施例中，光源並不限制於節點N1~N9環境中自然產生的光源，使用者亦可使用雷射或紅外線等不同能級或波長之光源，利用人為的方式控制光源，以決定是否喚醒節點N1~N9進行運作。
又，本發明無線感測網路系統100，係透過下述的控制函式使各節點依據所處於環境之光線，以決定各節點是否能由睡眠狀態進入喚醒狀態，如此一來，各節點不需一直使傳輸裝置202處於喚醒狀態，亦不需透過射頻訊號RF喚醒各節點，以節省各節點之電力損耗。
接著，請參考下述之控制函式：
/* RF initialization */
epl_rf_en_quick_init(cfg);
/* Light sensor initialization */
epl_light_init();
/* Analog Comparator init,an wakeup source
will raise if analog input is greater than
the preset threshold */
epl_Ana_Cmp_Wakeup_init();
while(1){
/* Sleep and wait for wakeup */
epl_sleep_and_wakeup(OP520);
}
在本實施例中，係先透過函式epl_rf_en_quick_init(cfg)與epl_light_init()初始化設定傳輸裝置202與光感測裝置201，接著傳輸裝置202與微處理裝置204進入睡眠狀態，並透過函式epl_Ana_Cmp_Wakeup_init()設定類比比較裝置203的初始參數以及臨限值。
epl_sleep_and_wakeup(OP520)設定微處理裝置204進入睡眠模式，並依據光感測裝置201(OP520為本發明一實施例中之光感測裝置201之型號)所感測的光線亮度進行判斷是否喚醒微處理裝置204。當感測之光線亮度大於臨限值，則由光感測裝置201利用函式epl_sleep_and_wakeup(OP520)，透過類比比較裝置203進行前述之喚醒動作。在一實施例中，類比比較裝置203喚醒微處理裝置204與傳輸裝置202，使微處理裝置204針對光感測裝置201所感測資料進行運算，並透過傳輸裝置202傳輸資料。
故，在本發明的無線感測網路系統100中，各節點可透過上述控制函式進行判斷，由光感測裝置201所感測之光線是否大於臨限值，以決定節點是否進入喚醒狀態。
在此請注意，當子節點或父節點進入喚醒狀態後，其內部之微處理裝置204係產生一控制訊號CS並透過一通用型之輸入輸出介面(General Purpose I/O,GPIO)21傳輸至一發光二極體單元22，使發光二極體單元22產生光源。如此一來，其對應的鄰近的子節點或父節點可依據發光二極體單元22所產生之光源進入喚醒狀態。在一實施例中，發光二極體單元22所產生之光源可為紅外線或可見光所實現。
故，當節點N1~N9由睡眠狀態中進入喚醒狀態後，並產生光源以喚醒鄰近的節點以進行資料傳輸，其餘操作原理與前述相同，在此不另行贅述。
請同時參考第3圖，第3圖係顯示本發明無線感測網路系統透過紅外線與射頻訊號接收資料之電流示意圖。在本實施例中，當節點不處於運作狀態(此時節點處於睡眠狀態)，節點透過光感測裝置進行紅外線資料接收以決定節點是否進入喚醒狀態，以節省透過射頻訊號RF接收資料所耗之電力，此時節點透過紅外線接收資料，接收所需之電流為3.46mA。
相對應地，當節點處於運作狀態(此時節點處於喚醒狀態)時，則改透過射頻訊號RF接收資料，以提供的更大的頻寬來處理龐大的資料流，此時節點透過該射頻訊號接收資料所需之電流大於15mA。
請參考第4圖，第4圖顯示本發明一種適用於無線感測網路系統之運作方法流程圖，其包含以下步驟：
步驟S400：建立複數個節點；
步驟S401：系統進行初始化設定；
步驟S402：於一預設時間進入一睡眠狀態；
步驟S403：感測第一光源之亮度，並產生一類比訊號；
步驟S404：傳輸該類比訊號至類比比較裝置；
步驟S405：判斷第一光源之亮度是否大於一臨限值，若是，跳至步驟S406；若否，跳至步驟S402；以及
步驟S406：產生一數位訊號喚醒微處理裝置以進入喚醒狀態，並產生一第二光源，且鄰近的節點依據第二光源進入喚醒狀態；
步驟S407：透過一射頻訊號與鄰近節點傳輸資料。
步驟S408：依據該射頻訊號以產生相對應的運作。
綜上所述，本發明之無線感測網路系統，可透過各節點內部的控制函式進行判斷，使各節點依據所處於環境之光線，決定各節點是否能由睡眠狀態進入喚醒狀態。故，本發明可解決先前技術中，各節點需一直使傳輸裝置處於喚醒狀態，更不需透過射頻訊號RF喚醒各節點，透過低耗電的喚醒機制以減少各節點的耗電量。除此之外，當各節點被喚醒後，仍可透過傳輸裝置利用射頻訊號進行資料傳輸或接收，以應付龐大的資料流。
100．．．網路系統
C．．．協調器
N1~N9．．．節點
201．．．光感測裝置
202．．．傳輸裝置
203．．．類比比較裝置
204．．．微處理裝置
21．．．通用型之輸入輸出介面
22．．．發光二極體單元
S400~S408．．．步驟
第1圖顯示本發明無線感測網路系統之一實施例之節點分佈示意圖。
第2圖顯示本發明無線感測網路系統之一實施例之示意圖。
第3圖係顯示本發明無線感測網路系統透過紅外線與射頻訊號接收資料之電流示意圖。
第4圖顯示本發明一種適用於無線感測網路系統之運作方法流程圖。
100．．．網路系統
C．．．協調器
N1~N9．．．節點

Claims (8)

  1. 一種低耗電之無線感測網路系統，包含：複數個節點，該些節點可於一預設時間進入一睡眠狀態，並透過一第一光源進入一喚醒狀態；該些節點分別包含：一光感測裝置，感測該第一光源之亮度，並產生一類比訊號；一傳輸裝置，耦接至該光感測裝置，透過一射頻訊號與該些節點傳輸資料；一類比比較裝置，依據該類比訊號與預設的一臨限值比較；以及一微處理裝置，依據該數位訊號或該射頻訊號以產生相對應的運作；其中，當該系統之初始化後，該微處理裝置與該傳輸裝置於係處於該睡眠狀態，若該第一光源之亮度超過該類比比較裝置中所預設的該臨限值，則該類比比較裝置將該類比訊號轉換成一數位訊號，並透過該數位訊號喚醒該微處理裝置與該傳輸裝置以進行相對應的運作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之網路系統，其中，該些節點於該睡眠狀態時，係透過該第一光源進行資料接收。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之網路系統，其中，該些節點於該喚醒狀態時，係透過該射頻訊號進行資料傳輸。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之網路系統，其中，透過該光源接收資料，接收資料所需之電流為3.46mA；以及， 透過該射頻訊號接收資料，接收資料所需之電流大於15mA。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之網路系統，其中，該節點進入該喚醒狀態後，該微處理裝置係產生一控制訊號並透過一通用型之輸入輸出介面傳輸至一發光二極體單元，使該發光二極體單元產生一第二光源，鄰近的該些節點依據該第二光源進入喚醒狀態。
  6. 一種低耗電之無線感測網路系統之運作方法，包含：建立複數個節點，該些節點於一預設時間進入一睡眠狀態，並透過一第一光源進入一喚醒狀態；其中，該方法更包含下列步驟；感測該第一光源之亮度，並產生一類比訊號；傳輸該類比訊號；判斷該第一光源之亮度是否大於一臨限值；透過一射頻訊號與鄰近的該些節點傳輸資料；以及依據該射頻訊號以產生相對應的運作；其中，當該第一光源之亮度大於該臨限值時，產生一數位訊號喚醒一微處理裝置以進入該喚醒狀態，並產生一第二光源；鄰近的該些節點依據該第二光源進入該喚醒狀態。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該些節點於該睡眠狀態時，係透過該第一光源接收資料；以及，該些節點於該喚醒狀態時，係透過該射頻訊號接收資料。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，透過該第一光源接收資料，接收資料所需之電流為3.46mA；以及， 透過該射頻訊號接收資料，接收資料所需之電流大於15mA。
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