[发明专利]一种无线传感网络的节点能耗管理方法

说明书

技术领域

无线传感网络系统的能耗管理方法的技术领域，特别是移动节点的能耗管理技术。

背景技术

无线传感网络是由很多节点通过无线射频方式彼此通信的网络结构。每个节点一般由传感单元、处理单元、以及通信单元组成。有些节点另外具有控制外部机械系统或电气系统的控制单元。传感单元主要的任务是将需要监测的数据通过一定的模式读入节点。通信单元是射频模块，负责在各个节点间建立统一的通信通道并相互通信。处理单元负责处理传感器接收到的数据，也负责处理通信单元数据。处理单元同时也协调节点上各个功能单元的协同。

无线传感网络在过去的十多年在学术界研究很深入。近年来，随着各种标准机构的推广和政府部门的支持，工业方面的应用正在如火如荼的展开。尽管如此，目前无线传感网络仍然没有被市场广泛采用。究其原因，其中最重要的一个问题是节点能耗始终没有有效的解决方案。无线传感网络的能耗是指各个节点的能耗。一般来说，要使无线传感节点之间能真正的实现无线连接，他们之间就不可能存在电源线，因而电池供电是根本的方式。因为电池容量有限，节点在工作状态的能耗直接关系到节点的寿命。目前一般工业无线传感产品在工作状态的耗能在几十毫安量级。考虑到电池的容量一般在几百到几千毫安时，无线传感节点一般只能处于工作状态几十个小时。对于无线传感网络要解决的多数问题，这么短的寿命市场很难接受。

尽管在全网络范围实现低功耗还存在不小的困难，对于一些特殊的应用场合，通过节点功耗的管理仍然可以使整个系统的寿命延长到几年以上。比如，一个无线传感网络由大量的移动节点和少量的固定节点构成，移动节点只需且必须和固定节点通信。移动节点因为本身的移动特性，使得节点的能量供给必须由电池来完成。固定节点因为数量少、位置固定，可以使用电网或者可充电电池供电。因为固定节点的能量趋向于无穷大而移动节点的电池容量有限，移动节点的工作时间就决定了整个系统的寿命。对于这种无线传感网络，系统的能耗管理的基本原则是让移动节点尽可能多的处于睡眠状态。移动节点的睡眠时间越长，移动节点的平均功耗就越小，它的生存时间就越长。这样整个系统的工作时间就越长，系统对于人员介入和维护的要求就越低。这样的传感网络的实际原型可以是智能车辆管理系统或者人员管理系统等。

如前文所述，节点在工作状态的能耗是几十毫安，普通电池很难维持节点长期处于工作状态。相对地，节点在睡眠状态的能耗低于几十个微安。因此，无线传感网络的移动节点总是要处于周期性的睡眠、苏醒、再睡眠、再苏醒的循环当中。如果节点的睡眠时间远大于苏醒的时间，节点的能耗将大幅度下降，在最好的情况下，也就是节点的睡眠时间相对于苏醒时间的比值远远超过了苏醒状态功耗相对于睡眠状态的功耗，即节点几乎不苏醒而总在睡眠，节点的寿命就达到了它的极限。这个极限就是电池储能相对于节点睡眠能量的比值。

然而，作为一个无线网络，任何节点都需要跟别的节点进行交互。尽管我们不需要每个节点都跟任意一个节点交互，但是至少对于我们所描述的网络，一个移动节点在移动到某个固定节点附近时必须和固定节点有效通信。如果一个移动节点的睡眠时间非常长，节点移动的速度非常快，节点就可能失去和固定节点的通信机会。对于这样的网络，我们当然可以降低移动节点的睡眠周期，保证移动节点在有效的通信范围内苏醒并正常工作。但是，这种方法的局限，像前文论述的一样，降低了节点的睡眠时间，从而减少了节点的生存寿命。

发明内容

一个大规模无线传感网络，由大量的移动节点和少量的固定节点组成。移动节点需要在绝大多数时间里处于周期性的睡眠状态。本发明所要解决的问题是在这样的网络中移动节点保持接近理想的使用寿命，同时也能有效的跟固定节点进行通信。

一个大规模无线传感网络，由大量的移动节点和少量的固定节点组成。移动节点一般安装在运动物体上，比如人员或者车辆，由电池供电。固定节点可以是永久地修建在特定地点的专用设备，由市电供电；或者是短暂地布置在某地点的设备，由可充电电池供电。不论是何种方式，固定节点的显著特点是能量储备相对于系统寿命来说非常大，取之不尽。在考虑系统内节点通信时，它的能耗不必关注。

无线传感网络中的节点通过无线射频方式通信。每个节点都有射频单元。有些设备的射频单元包含发送单元，有些包含接收单元，有些二者兼而有之。无线传感网络的信息接收节点在通信时必须打开接收器，否则它不能收到发送节点的信息。