长时深度休眠无线传感器网络同步苏醒机制

摘要

本发明公开了一种长时深度休眠无线传感器网络同步苏醒机制，通过外加时钟芯片、在电源模块欠压时采用备用电池给时钟芯片供电方法，提高节点计时精度，在物理层上达到同步；时钟芯片以年月日时分秒的形式计时，提高休眠定时可操作性。软件上采用以监测中心时钟为基准的同步算法来校正分布式时钟，在MAC层上实现同步；采用长短时休眠相结合的方法解决节点加入或退出网络产生拓扑变化问题，使新结构下节点能够与网络同步休眠；汇聚节点采用休眠的方式更节能，均衡网络能量，延长网络寿命。

说明书

技术领域

无线传感器网络→低功耗→休眠\苏醒技术→同步苏醒。 

背景技术

为解决环境监测无线传感器网络节点携带能量有限问题，往往从配备持续供电设备（如太阳能板）和在采样间隔期间休眠两个方面延长网络生命周期。现有无线传感器节点休眠方式大体分为三类：CPU休眠、带内存休眠、深度休眠。在一些无需频繁采集信息的无线传感器监测网络实际应用中，可用长时、深度休眠来最大限度的节省能量。 

节点唤醒的方法分为两种：一是网络唤醒、二是本地唤醒。网络唤醒由汇聚节点或簇头节点向一般节点发送唤醒信号^[1]，这种唤醒方式节点的收发模块不休眠，功耗仍然较大节能效果不够显著；本地唤醒通过节点的定时器预先设定休眠时长^[2]，自行苏醒。为保证同步苏醒、完成全网数据的发送和转发，此方法要求节点内部时钟在休眠模式下仍能准确计时，不因休眠期间的积累误差（特别是以小时、天计，苏醒工作时间以秒、分钟计的长时间休眠中），失去同步、导致网络崩溃。 

在常见无线传感器网络节点中，Jennic公司生产的JN51系列（包括JN5121、JN5139、JN5148等）产品核心采用32bit MCU，运算性能较高；可直接用作汇聚节点控制GPRS模块，无需另加ARM板，功耗较低；传播距离较远（实测距离>200米）；内部含有的接口众多，方便与多种类型的传感器对接，调试方便。TI公司生产的CC2430^[3]外扩接口较少；CPU为8bit的8051内核，做汇聚节点控制GPRS时需外加ARM板。在需考虑汇聚能耗及多类型传感器连接的监测网络中，JN51系列有优势。但JN51系列在休眠时的内部计时有最大可达30%的误差，短时休眠因可在苏醒时段统一刷新时间，故在一定范围内仍能保持时间同步，但当休眠时长为几小时、几天或更长时，计时误差将高达几小时。为解决这个问题， 本发明采用外加时钟芯片，且在休眠期用备用电源供电，保证计时准确性，在物理层上达到同步；同时，采用校时方法来调整分布式时钟，在MAC层上实现同步。采用长时休眠节省网络能量；采用长\短时休眠相结合的方法解决节点加入或退出网络产生的拓扑变化问题，使新结构下节点能够与网络同步休眠；在汇聚节点上也采用休眠方式节省能量，使网络各点能量进一步均衡。本地唤醒采用中断方式，由外加时钟芯片产生的中断信号唤醒节点，时钟芯片以年/月/日/时/分/秒形式计时，可按照用户需要直接写入节点的唤醒时间，无需再用换算休眠个数的方式填写内部时钟。 

对比文件 

[1] 中国人民解放军理工大学 朱贇 徐友云 蔡跃明 分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法 发明专利 公开号100438474C, 公开日期2008.11.26

[2] 中国人民解放军信息工程大学 张大龙 于弘毅 郭云飞 张效义 李鸥 李青 一种无线传感器网络主动式休眠调度方法 发明专利 公开号 101557408A 公开日期 2009.10.14

[3] CC2430用户手册 http://wenku.baidu.com/view/c8bbbb05bed5b9f3f90f1ca3.html。

发明内容

1、要解决的技术问题 

针对JN5139无线传感器节点源代码不开放不便通过查找计时缺陷纠正同步误差，本发明通过外加时钟芯片、在电源模块欠压时采用备用电池给时钟芯片供电的方法，提高节点计时精度，在物理层上达到同步；时钟芯片以年月日时分秒的形式计时，提高休眠定时的可操作性。软件上采用以监测中心时钟为基准的同步算法来校正分布式时钟，在MAC层上实现同步；采用长\短时休眠相结合的方法解决节点加入或退出网络产生的拓扑变化问题，使新结构下节点能够与网络同步休眠；汇聚节点也采用休眠的方式进一步节能，均衡网络能量，延长网络寿命。

2、技术方案 

本发明涉及到的长时休眠无线传感器节点同步苏醒机制包括硬件和软件两部分。

（1） 节点的硬件部分包括电源模块、JN5139节点、PCF8563时钟芯片，备用电源，如图1所示。JN5139由电源模块供电，通过I²C接口外接PCF8563时钟芯片以写入\读出时钟信息；PCF8563提供以年月日方式计时的时钟，供节点设置休眠苏醒时间；PCF8563中断引脚与JN5139的DIO引脚相连用以唤醒节点；PCF8563由外部晶振32768提供时钟，电源采用双重供电模式以保证在休眠期计时准确。 

JN5139节点根据实际需要设置苏醒时间，送入PCF8563时钟芯片内部并写入寄存器；苏醒时间到时，PCF8563在INT引脚产生中断信号送入JN5139，唤醒节点重新工作。 

（2） 软件部分是在外加时钟芯片计时精度高的前提条件下实施的。 

长时休眠的无线传感器网络监测系统工作的一般步骤如图2所示： 

汇聚节点打开，建立起一个网络，并设立ID号。

汇聚节点与监测中心之间建立连接，获取监测中心时间后对本地时间进行校正。 

一般节点寻找网络，成功后与汇聚节点通信。 

一般节点发送监测数据以及本地时间给汇聚节点。 

汇聚节点读出本地时间，并把休眠信息以及时钟信息发送给一般节点。 

一般节点把休眠信息转换成年月日形式与时钟信息一起送入时钟芯片。 

一般节点时钟芯片修改本地时钟，并设立苏醒时间。 

休眠时刻到，一般节点开始长时休眠，（休眠时间最长可以年为单位计）。 

汇聚节点在收到所有节点数据后或者是设定的工作时间T ₂到后休眠。 

由时钟芯片设定的苏醒时间到，产生中断信号唤醒节点。汇聚节点早于一般节点醒来。 

新一轮数据的发送以及时间校正开始。 

为防止分布式时钟累计误差的产生，采用时钟校正的方法图3所示。汇聚节点每次醒来先从监测中心获取时间后对本地时钟进行校正，一般节点苏醒后都会向汇聚节点发送本地时钟，汇聚节点把收到的一般节点的时钟信息与本地时钟进行对比，计算出相对误差送回给一般节点并同时送出汇聚的时钟，一般节点收到校正信息后首先刷新自己的时钟并把相对误差加入以补偿下个休眠周期产生的计时系统误差。经过若干次修正后，整个无线传感器监测网络可以在长时休眠的要求条件下达到同步。 

当有新的节点加入网络或者是网络中有节点退出时引起网络拓扑变换，有些节点需要重新寻找网络。如网络正处于休眠状态，发生变化的一般节点采用固有的长时休眠，就会一直处于寻网状态直到网络醒来，耗能巨大。此时，可采用长\短时休眠相结合的方法实现寻找网络的过程，如图4所示。一般节点上电或醒来后在设定的工作时间T₃内，如没有寻找到网络，就设立一个短时休眠周期T₄进入休眠，苏醒时刻到，一般节点继续寻找网络；如寻找到网络就接受汇聚发来的时钟信息以及休眠信息，设立长时休眠周期T₁并与网络一起同步休眠。 

3、有益效果 

通过外加时钟芯片，提高计时精度；采用双重供电模式，使网络内节点经长时休眠后，仍能同步苏醒；采取时间校正的方式，进一步修正同步时钟。节点以年月日方式计时，方便休眠苏醒时间设置。汇聚节点也休眠以节省能量，解决网络中能量消耗的瓶颈问题。本发明提高了应用广泛的JN5139系列节点的计时精度，在一些无需频繁采集信息的无线传感器监测网络中，可用长时深度休眠来最大限度的节省能量。

所述I²C接口数据通信方法以及数据读取方式不局限于外部时钟芯片的连接，可应用于其他外部芯片的扩展连接。 

附图说明

图1. 节点的硬件连接图 

图2. 网络长时同步休眠一般机制流程图

图3. 网络节点时钟校正方法

图4. 长\短时休眠相结合的寻网方法示意图

1、JN5139节点 2、PCF8563时钟芯片 3、电源模块 4、备用电源 5、32.768KHz外部晶振 6、6V蓄电池 7、HT7330

 具体实施方式

为进一步解释本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合实施例并参照附图和相关程序代码来对本发明详细说明。

1、硬件连接 

本发明所述的适用于长时休眠的无线传感器节点包括JN5139节点1，外部PCF8563时钟芯片2，电源模块3以及备用电源4。JN5139系列节点为北京博讯科技有限公司生产，节点1的芯片为JN5139，工作频率为2.45GHz，工作电压为3V。电源模块3包括蓄电池6和电压转换电路。为支持较长的野外工作时间，蓄电池6采用6V12Ah蓄电池。为使电源与节点工作电压匹配，采用HT7330稳压芯片7将蓄电池6的6V电压转换为3V的稳定电压给节点1以及PCF8563时钟芯片2供电。PCF8563时钟芯片2还配有备用电源4，通过二极管相连以防止电流反向充电，此备用电源可采用3V纽扣电池；PCF8563用32.768KHz外部晶振5提供时钟。

节点1与PCF8563时钟芯片2通过I²C接口相连，JN5139节点1作为主控单元，PCF8563时钟芯片2作为从属芯片。JN5139的DIO14引脚与时钟芯片的SCL引脚相连，用以提供同步读写时钟；JN5139的DIO15引脚与时钟芯片的SDA引脚相连，用来读写时间信息，是半双工工作模式；PCF8563时钟芯片的 引脚与5139芯片DIO10引脚相连，用以产生一个低电平触发的中断信号来唤醒时钟。 

节点通过I²C接口写时间的步骤是：总线不忙时，数据线和时钟线保持高电平。通过数椐线发送一个起始信号启动I²C接口；发送时钟芯片的写丛地址0A2H；发送下一个要访问的寄存器地址；将时钟数据按照地址写入时钟芯片。 

节点通过I2C接口读时间的步骤是：总线不忙时，数据线和时钟线保持高电平。通过数椐线发送一个起始信号启动I²C接口；发送时钟芯片的写丛地址0A2H；发送下一个要访问的寄存器地址；发送时钟芯片的读丛地址0A3H；将时钟芯片内时间数据读出并送入主芯片JN5139。 

采用外加时钟的方法可以使JN5139内部计时的精度由分钟级提高到秒级。 

2、软件部分是在外加时钟芯片计时精度高的前提条件下实施的。 

以休眠8小时为例，长时休眠的无线传感器网络监测系统采集数据是在每天的0点、8点和16点。工作的一般步骤如图2所示： 

汇聚节点打开，建立起一个网络，并设立ID号；设立工作时间T₁为10分钟。

汇聚节点与监测中心通信，获取监测中心时间，校正本地时钟。 

一般节点寻找网络，成功后与汇聚节点通信；否则，继续寻找网络。 

一般节点设立工作时间T₂为2分钟，发送监测数据以及本地时间（年月日时分秒的形式）给汇聚节点。 

汇聚节点把长时休眠周期T₃（例如8小时一次）以及时钟校正信息发送给一般节点。 

一般节点读取时钟信息，根据收到的采样间隔与本地时钟计算下一次苏醒的时间（8点、16点或第二天0点）。将苏醒时间以年月日时分秒的形式与时钟信息一起送入时钟芯片。 

一般节点时钟芯片修改本地时钟；按照苏醒时间设立小时以及分钟报警寄存器。 

工作时间T₁时间到，一般节点开始8小时休眠，（休眠时间最长可以年为单位计）。 

汇聚节点在收到所有节点数据后或者是设定的工作时间T₂到后休眠。 

由时钟芯片设定的苏醒时间到，产生中断信号唤醒节点。汇聚节点早于一般节点醒来（苏醒时刻为7:55、15:55、23:55），留出充足的时间让汇聚节点建立网络以及与上位机通信。 

一般节点苏醒，新一轮数据的发送以及时间校正开始。 

为防止分布式时钟累计误差的产生，采用时钟校正的方法图3所示。一般节点每次苏醒后都会向汇聚节点发送本地时钟，汇聚节点把收到的一般节点的时钟信息与本地时钟进行对比，计算出相对误差送回给一般节点并同时送出汇聚的时钟。一般节点收到信息后，令校正数据，把汇聚发来的时钟信息作为自己的时间写入时钟芯片，以补偿下个休眠周期产生的计时系统误差。经过若干次修正后，整个无线传感器监测网络可以在长时休眠的要求条件下达到同步。 

当有新的节点加入网络或者是网络中有节点退出时引起网络拓扑改变，有些节点需要重新寻找网络。此时，采用长\短时休眠相结合的方法实现寻找网络的过程，如图4所示。一般节点上电或醒来后在设定的工作时间T₂内，如没有寻找到网络，设立一个短时休眠周期T₄（本例中设为2分钟，以免错过网络苏醒后的工作周期）进入休眠，苏醒时刻到后，一般节点继续寻找网络，并设立短时工作时间T₅（本例中设为10秒钟）；如寻找到网络就接收汇聚发来的时钟信息以及休眠信息，设立长时休眠周期T₁并与网络一起同步休眠。采用长\短时休眠相结合的方法可以使得寻网过程比单纯使用长时休眠机制节能83.3% 。