[发明专利]一种无线传感器网络节点低功耗设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点低功耗设计方法。

背景技术

无线传感器网络的低功耗主要是通过网络协议的设计改进、无线传感器网络结构 的高效管理、网络拓扑的优化、应用支撑服务的提升等实现的，可以降低系统功耗，保证系 统的最低电量运行。无线传感器网络的功耗主要包括节点功耗、通信功耗、处理功耗和网络 功耗。通过研制小型化、低功耗、低成本的传感器节点可以降低节点的无效功耗；通过设计 新的网络通信协议，优化传输层、网络层的协议格式，可以满足大规模组网的要求，降低通 信功耗；设计新的逐跳控制、速率限制方法等，可以降低网络管理功耗；优化网络拓扑结构， 避免网络冗余，选取合理的组网方式以及适宜的信号调制方式则可以降低网络功耗。除此 之外，还有数据冲突重发和开销控制等因素引起额外的能量消耗。

目前大多数的设计都集中在拓扑结构的优化，通信协议的设计、信号调制方法的 改进上面，已经做的很完善，但面对当前对于无线传感网络的功耗新要求还存在不足。

现有的低功耗技术多针对传输层、网络层、协议层，而且有限定条件，只为降低特 定情况下的特定功耗，使得低功耗的效果打了折扣。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种无线传感器网络节点低功耗设计 方法。

本发明的原理和构思如下：

通过对无线传感器网络的能耗进行深入的分析，发现了一种被人们忽略而又可以常常 出现的功耗，主要是节点电路运行中的等待功耗。无线传感器网络在信号接收和处理过程 中有四个时段，即无线唤醒时段，无线接收时段，数据格式判断时段和物理层处理时段。这 四个时段对应四个等级的电路功耗，通过对电路信号的监测，控制这四种功耗，减少等待时 间，即可实现低功耗的目的。

无线射频电路单元中各个电路模块的启动时间有先后之分，电能消耗也是不同 的。而且根据电路频率的不同，频率高的启动快耗能多，频率低的启动慢而耗能少。能耗分 时段控制按照信号的流向次序进行，根据信号处理的优先级，将对应的处理单元放在适当 的位置，使得其等待时间最短，能耗最低。

无线唤醒时段增加低功耗定时器，RF（RadioFrequency）苏醒时间和接收发送状 态切换时间越短越好，过滤唤醒信息，避免杂波信息干扰；无线接收时段增加有阈值门限的 载波场强指示RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）电路，设置载波场强指示 RSSI，过滤低于阈值的信号强度，避免无效信号，使得无线收发单元具有简单的载波侦听能 力；数据格式判断时段设置独立的帧逻辑处理单元，通过简单的移位寄存器和逻辑比较器， 将一个完整的数据包中与物理层相关的前导码和确认字进行处理，将目的地址不匹配或 CRC校验出错的帧丢弃，确认完成后，最后由物理层处理时段来进行最后的数据处理。这四 个时段层层过滤，避免了电路全部启动，等待时间过长，消耗不必要的电能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线传感器网络节点低功耗设计方法，由以下具体步骤组成：

步骤1：设置无线传感器网络，选取其中的随机两个节点A和B，监测两个节点间的信号 传输过程，上位机记录接收节点功耗；

步骤2：初始化各个节点；

步骤3：节点A向节点B定期发送数据，每次发送N个RTS请求，每个RTS请求包括一个CTS， 一个ACK，一个数据包；

步骤4：节点B定期醒来接收信号，检验信号的前导码，判断是否为唤醒信号；若是唤醒 信号，则节点B进入无线接收时段，转向步骤5；若不是唤醒信号，则节点B停止信号的接收， 进入深度休眠模式；

步骤5：节点B进入无线接收时段，判断接收信号的场强；若场强大于预先设定的RSSI 值，节点B则进入数据格式判断时段，转向步骤6；若场强小于预先设定的RSSI值，则判定数 据无效，节点B直接进入休眠模式；

步骤6：节点B进入数据帧格式判断时段，判断信息是否符合条件；若数据格式满足节点 MCU处理要求，节点B则进入MCU处理时段，转向步骤7；若数据格式不满足MCU处理要求，判定 为无效数据，节点B直接进入休眠模式；

步骤7：节点B进入MCU处理时段，进行数据的处理，执行相应的动作。

所述步骤2中初始化各个节点具体如下：

步骤2-1：配置好定时信息和发送频率；