專利名稱：一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動 態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī)制。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了傳感器、無線通信、嵌入式計算、微型機(jī)電系統(tǒng)和信息處理 等技術(shù)，通過傳感器節(jié)點協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸監(jiān)控區(qū)域中感知對象的信息，完成 對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控的目的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)不同，它的節(jié)點數(shù)目更為龐大 (上千甚至上萬)，通常密集分布在惡劣的環(huán)境或無人區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中存在大量重復(fù)覆蓋的冗 余節(jié)點，這些冗余節(jié)點的監(jiān)控區(qū)域相同，當(dāng)出現(xiàn)部分節(jié)點壞死時利用這些冗余節(jié)點來保證 網(wǎng)絡(luò)的連通性和可靠性。并且由于受到硬件條件的限制，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般由電池供電， 基于目前電池容量和能量補(bǔ)充設(shè)備的限制以及人工更換電池的不可操作性，能量有限成為 制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最大瓶頸，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是能量的高效 利用。為了取得令人滿意的網(wǎng)絡(luò)壽命，研究人員在許多方面致力于減少傳感器網(wǎng)絡(luò)的能 耗，例如硬件設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、操作系統(tǒng)等。一旦整個系統(tǒng)的設(shè)計確定了，額外的 能量節(jié)省可以通過采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的方法來獲得。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)通 過降低處理器的工作電壓來降低節(jié)點功耗。這個方法的原理是處理器的功耗可近似用公式 P = cvdd2f。表示，其中P表示處理器功耗，C表示電路中的電容，Vdd表示工作電壓，f。表示 時鐘頻率。處理器的工作電壓和工作頻率成正比關(guān)系，降低處理器的工作電壓增加了事件 處理時間，減少了節(jié)點的能耗。動態(tài)能量管理通過關(guān)閉沒有事件發(fā)生的傳感器節(jié)點來有效降低系統(tǒng)的功耗。這個 方法的原理是將傳感器節(jié)點分成四個單元，分別是存儲單元，處理單元，傳輸單元和感知單 元，讓當(dāng)前不需要的單元進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)需要再次使用的時候再將其喚醒。這四個單元可 以分別處于不同的狀態(tài)，節(jié)點的每個休眠狀態(tài)是這些獨立單元不同狀態(tài)的特定組合。節(jié)點 的休眠狀態(tài)越深，能耗就越小，但同時喚醒延時就越大。在目前所提出的傳感器節(jié)點休眠狀 態(tài)中，在最深度休眠狀態(tài)下傳感器節(jié)點無法感知到事件，處于“假死”狀態(tài)，只能通過內(nèi)部時 鐘定時器喚醒，若此時有事件發(fā)生將會造成事件丟失，降低了傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性。因為在 傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在大量監(jiān)測區(qū)域相同的冗余節(jié)點，利用節(jié)點定位技術(shù)通過節(jié)點的地理位置 來判斷哪些節(jié)點是冗余節(jié)點，只讓這些冗余節(jié)點進(jìn)入最深度休眠狀態(tài)，而讓其余節(jié)點處于 淺度休眠狀態(tài)則可以避免感知事件丟失。雖然這種動態(tài)能量管理方法看起來能夠有效的降低節(jié)點功耗，但是需要注意的是 打開或關(guān)閉某個節(jié)點單元需要消耗額外的能量，如果盲目的在每個空閑時隙都讓傳感器節(jié) 點進(jìn)入休眠狀態(tài)，過一段時間后會比讓節(jié)點一直保持在工作狀態(tài)更加消耗能量。一些論文針對這個問題提出的解決方法是設(shè)定一個時間門限Tth,k，
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Tth,k=1/2(td,k-tu,k)+△Ek,0/P0-Pk其中Tth,k表示進(jìn)入Sk休眠狀態(tài)的門限時間，Ptl和Pk分別表示Stl和Sk狀態(tài)下節(jié)點 的功耗；τ d, k表示節(jié)點從Stl狀態(tài)進(jìn)入Sk休眠狀態(tài)的延時；τ u, k表示節(jié)點從Sk休眠狀態(tài)進(jìn) 入Stl狀態(tài)的喚醒延時；△ Eu表示在Sk休眠狀態(tài)下喚醒節(jié)點所需額外消耗能量。只有當(dāng)所預(yù)測的節(jié)點發(fā)生事件的時間間隔大于Tth,k時，節(jié)點才進(jìn)入某個低功耗休 眠狀態(tài)。但是如果事件發(fā)生的時間間隔過小，無法滿足休眠閾值，節(jié)點將一直處于高功耗的 工作狀態(tài)，這在減少能耗方面是沒有效果的。目前關(guān)于進(jìn)入休眠狀態(tài)的時間門限計算公式 并不完善，如果事件發(fā)生間隔剛好等于進(jìn)入某個休眠狀態(tài)的門限值，那么進(jìn)入該休眠狀態(tài) 后所節(jié)省的能量將會是0，此時進(jìn)入更淺度的休眠狀態(tài)會更加節(jié)省能量。此外單純的采用動 態(tài)電壓調(diào)節(jié)方法只能降低處理器的能耗，不能有效降低整個節(jié)點能耗。因此需要一種更高 效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點休眠機(jī)制來降低傳感器節(jié)點功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決當(dāng)事件發(fā)生的時間間隔過小，節(jié)點將一直出于工作狀態(tài)的問題，本發(fā)明 提出了一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī)制。當(dāng)事件發(fā)生的時間間隔 不能滿足優(yōu)化后的進(jìn)入休眠狀態(tài)的時間門限時，通過降低處理器工作電壓來達(dá)到降低功耗 的目的。在本發(fā)明所述的休眠機(jī)制中對當(dāng)前的傳感器節(jié)點休眠狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展，不同的休眠 狀態(tài)如下表1所示，其中S1狀態(tài)為本發(fā)明所述的新增狀態(tài)。所述休眠機(jī)制包括以下步驟步驟1 當(dāng)傳感器節(jié)點感知到事件后，基于事件發(fā)生的概率預(yù)測下一事件發(fā)生的 時間；步驟2 判斷其自身是否是冗余節(jié)點，如果是，則執(zhí)行步驟3 ；否則，執(zhí)行步驟6 ；步驟3 所述當(dāng)前感知到事件的節(jié)點向和它感知區(qū)域相同的其余冗余節(jié)點發(fā)送查 詢消息，判斷它們是否都處于S5狀態(tài)，如果是，則執(zhí)行步驟5 ；否則，執(zhí)行步驟4 ；步驟4:所述當(dāng)前感知到事件的節(jié)點向未處于S5狀態(tài)的冗余節(jié)點發(fā)送指令，采用 輪流的方式指定某一個冗余節(jié)點接收所預(yù)測的下一事件發(fā)生時間，同時指定其余冗余節(jié)點 進(jìn)入S5狀態(tài)5其自身也進(jìn)入S5狀態(tài)；步驟5 處于S5狀態(tài)的冗余節(jié)點休眠系統(tǒng)設(shè)定的時間T后，由節(jié)點內(nèi)部定時器喚 醒，只打開節(jié)點傳輸單元，等待接收步驟3中所述的查詢消息，所述擁有下一事件發(fā)生時間 的冗余節(jié)點執(zhí)行步驟6;步驟6 依次比較距下一事件發(fā)生的時間間隔與進(jìn)入S4、S3和S2休眠狀態(tài)的門限 時間，如果時間間隔大于該休眠狀態(tài)的門限時間，則執(zhí)行步驟7 ；否則執(zhí)行步驟8 ；步驟7 傳感器節(jié)點進(jìn)入Stl狀態(tài)，處理當(dāng)前事件，處理完畢后進(jìn)入相應(yīng)的休眠狀 態(tài)，跳至步驟9;步驟8 傳感器節(jié)點進(jìn)入S1低電壓狀態(tài)，此狀態(tài)下采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，降低處 理單元的工作電壓，以低電壓和低功耗的方式處理當(dāng)前事件，將事件處理時間延長至下一 事件發(fā)生前；從而在保證不影響下一事件處理的前提下達(dá)到進(jìn)一步節(jié)約能耗的目的。步驟9 本輪休眠過程結(jié)束。所述不同的休眠狀態(tài)如下表1所示。
表1傳感器節(jié)點休眠狀態(tài) 所述進(jìn)入S3休眠狀態(tài)的門限時間是 所述進(jìn)入S4休眠狀態(tài)的門限時間是 其中？(1、己』3、？4分別表示3(1、52、53、54狀態(tài)下節(jié)點的功耗；1(1,2、τ d,3、τ d,4分別 表示節(jié)點從Stl狀態(tài)進(jìn)入S2、S3、S4休眠狀態(tài)的延時；τ u,2、τ u,3、τ u,4分別表示節(jié)點從S2、S3、 S4休眠狀態(tài)進(jìn)入Stl狀態(tài)的喚醒延時；Δ E2j0, Δ E3,ο> Δ E4j0分別表示在S2、S3、S4狀態(tài)下喚醒 節(jié)點所需額外消耗能量。本發(fā)明提供的休眠機(jī)制的有益效果是1.通過動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，避免了當(dāng)事件發(fā)生的時間間隔過小，無法滿足休眠閾 值時，節(jié)點將一直處于高功耗工作狀態(tài)的問題。從而有效降低了傳感器節(jié)點的功耗，提高了 傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。此外將事件處理時間延長至下一事件到達(dá)前，不會造成事件的丟失和阻塞。2.通過優(yōu)化進(jìn)入休眠狀態(tài)的時間門限計算公式，避免了在休眠狀態(tài)下節(jié)省能量為 0的問題，進(jìn)一步降低了傳感器節(jié)點的功耗，提高了能量利用率。


圖1是本發(fā)明實施例1的一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī) 制的流程具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
圖1是本發(fā)明實施例1的一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī) 制的流程圖。圖1中，本發(fā)明的實現(xiàn)過程包括如下步驟步驟101.某個傳感器節(jié)點感知到事件后，基于事件發(fā)生的概率預(yù)測下一事件發(fā) 生的時間。步驟102.判斷其自身是否是重復(fù)覆蓋的冗余節(jié)點，如果是，執(zhí)行步驟103 ；否則， 跳至步驟106。步驟103 所述當(dāng)前感知到事件的節(jié)點向和它感知區(qū)域相同的其余冗余節(jié)點發(fā)送 查詢消息。步驟104 判斷這些冗余節(jié)點是否都處于S5狀態(tài)。如果是，跳至步驟106 ；否則，執(zhí) 行步驟105。步驟105 向未處于S5狀態(tài)的冗余節(jié)點發(fā)送指令，采用輪流的方式指定某一個冗 余節(jié)點接收所預(yù)測的下一事件發(fā)生時間，其余冗余節(jié)點進(jìn)入S5狀態(tài)，其自身也進(jìn)入S5狀態(tài)。 休眠時間由系統(tǒng)定義的時間T決定。步驟106.擁有下一事件發(fā)生時間的節(jié)點判斷距下一事件發(fā)生的時間間隔是否大 于進(jìn)入S4休眠狀態(tài)的門限時間。如果是，執(zhí)行步驟107 ；否則跳至步驟109。步驟107 該節(jié)點進(jìn)入Stl狀態(tài)處理當(dāng)前事件。步驟108 處理完畢后進(jìn)入S4休眠狀態(tài)。休眠流程結(jié)束。步驟109.擁有下一事件發(fā)生時間的節(jié)點判斷距下一事件發(fā)生的時間間隔是否大 于進(jìn)入S3休眠狀態(tài)的門限時間。如果是，執(zhí)行步驟110 ；否則跳至步驟112。步驟110 該節(jié)點進(jìn)入Stl狀態(tài)處理當(dāng)前事件。步驟111 處理完畢后進(jìn)入S3休眠狀態(tài)。休眠流程結(jié)束。步驟112 擁有下一事件發(fā)生時間的節(jié)點判斷距下一事件發(fā)生的時間間隔是否大 于進(jìn)入S2休眠狀態(tài)的門限時間。如果是，執(zhí)行步驟113 ；否則跳至步驟115。步驟113 該節(jié)點進(jìn)入Stl狀態(tài)處理當(dāng)前事件。步驟114 處理完畢后進(jìn)入S2休眠狀態(tài)。休眠流程結(jié)束。步驟115 該節(jié)點進(jìn)入S1低電壓狀態(tài)，采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，降低處理單元的工 作電壓，以低電壓低功耗的方式處理當(dāng)前事件，將事件的處理時間延長至下一事件發(fā)生的 時間前，不影響下一事件的處理。休眠流程結(jié)束。當(dāng)節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)后可以重復(fù)上述步驟開始新一輪的休眠過程。本發(fā)明通過動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，避免了當(dāng)事件發(fā)生的時間間隔過小，無法滿足休 眠閾值時，節(jié)點將一直處于高功耗工作狀態(tài)的問題。從而有效的降低了傳感器節(jié)點功耗，提 高了傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命。通過優(yōu)化進(jìn)入休眠狀態(tài)的時間門限計算公式，避免了在休眠狀態(tài)下 節(jié)省能量為0的問題，進(jìn)一步降低了傳感器節(jié)點的功耗，提高了能量利用率。以上所述僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，并不用以限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù) 范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī)制，其特征是在傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點休眠狀態(tài)中增加S1低電壓狀態(tài)，當(dāng)事件發(fā)生的時間間隔不能滿足進(jìn)入休眠狀態(tài)的閾值時，傳感器節(jié)點進(jìn)入S1狀態(tài)，采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)降低處理單元的工作電壓，以低電壓低功耗的方式處理當(dāng)前事件，將事件處理時間延長至下一事件發(fā)生之前。
2.一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī)制，其特征是所述進(jìn)入&和 S4休眠狀態(tài)的門限時間分別是τ — Δ五2’。-Δ五3’0 {TdJ-Tua){P2-P,) | ( ’3-D(P3-P0)'Λ·3" Pi-P22(^3-P2)2(6—巧)τ _ Δ^β,Ο ~ A^4,ρ (Tdti-Tu^)(P3-P0) | (rdA-TuA)(P4-P0) ^-Pi2(P4-P3)2(P4-P3)其中？(1、己、？3、？4分別表示5(1、52、53、54狀態(tài)下節(jié)點的功耗；Td,2、Td,3、Td,4分別表示 節(jié)點從Stl狀態(tài)進(jìn)入S2、S3、S4休眠狀態(tài)的延時；τ u,2、τ u,3、τ u,4分別表示節(jié)點從S2、S3、S4休 眠狀態(tài)進(jìn)入Stl狀態(tài)的喚醒延時；Δ Eu、ΔΕ3,0> AE4j0分別表示在S2、S3> S4狀態(tài)下喚醒節(jié)點 所需額外消耗的能量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和動態(tài)能量管理的傳感器休眠機(jī)制，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。該機(jī)制對傳感器節(jié)點的動態(tài)能量管理策略進(jìn)行了擴(kuò)展，在休眠狀態(tài)中增加了一個融合動態(tài)電壓調(diào)節(jié)的低電壓工作狀態(tài)。當(dāng)事件發(fā)生的時間間隔不能滿足優(yōu)化后的進(jìn)入休眠狀態(tài)的時間門限時，通過降低處理器工作電壓來達(dá)到降低功耗的目的。本發(fā)明可以有效降低基于多跳路由方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，延長傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命。
文檔編號H04W84/18GK101932086SQ201010220540
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者孫詠梅, 王照宇, 紀(jì)越峰 申請人:北京郵電大學(xué)