一種降低傳感器節點休眠功耗的方法及裝置的製作方法
2023-05-23 19:00:26
專利名稱：一種降低傳感器節點休眠功耗的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及嵌入式系統，尤其涉及一種降低傳感器節點功耗的方法和裝置。
背景技術：
無線傳感器網絡綜合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代計算機網絡 技術及無線通訊技術、分布式信息處理技術等多種先進技術，網絡中的無線 傳感器節點能夠相互協作地進行實時監測、感知和採集網絡覆蓋區域中各種 環境或監測對象的信息，並對其進行處理，處理後的信息通過無線方式發送， 並以自組多跳的方式傳送給觀察者。無線傳感器網絡將邏輯上的信息世界與 客觀的物理世界融合在了一起，從而實現物理世界、計算世界以及人類社會 三元世界的連通。
無線傳感器網絡作為當今信息與計算機領域的一個全新的研究方向，綜 合了多種學科的前沿技術，現在已經受到學術界和工業界的廣泛關注。很多 科研機構和大學研究機構都已經紛紛投入了大量的研發力量和精力從事無線 傳感器網絡軟硬體系統的研究。在無線傳感器網絡硬體平臺的實現方面，最具有代表性的就是Berkeley (伯克利)大學的Smart Dust (智能塵埃)以及 Crossbow公司的Mica系列節點的研製。
無線傳感器網絡節點的設計需要考慮微型化、低功耗、擴展性、穩定性、 安全性等多種因素。其實現方法有多種途徑， 一種途徑可以採用超大規才莫集 成電路技術，以片上系統的方式，將信息採集模塊、信息處理模塊和無線通 信模塊等集成在一片晶片上，但由於無線傳感器網絡的應用針對性很強，不 同的網絡需要不同的傳感器節點，該種方法的靈活性較差，前期投入成本高。
另一種途徑是用商用集成電路和分離元器件實現傳感器節點的各部分摸塊，比如"智能塵埃(SmartDust)"和"圖釘(Pushpin)，，等節點系統都釆用了
這樣的實現方式，其系統實現靈活，能夠針對具體的應用，較為方便地實現 所需要的傳感器節點。
傳感器節點一般採用電池供電，由於節點放置在危險或不易到達的區域， 更換電池幾乎是不可能，因此節能成為設計的關鍵技術，在無線傳感器網絡 中如何延長系統生命周期，是一個具有挑戰性的問題，其中之一的解決方法 是傳感器節點在沒有事件發生時處於休眠狀態，從而降低傳感器節點的能量
消耗。在現在的傳感器節點實現方案中，傳感器節點通常包含處理模塊CPU、 傳感模塊、射頻模塊和電源模塊，CPU及射頻模塊大多都具備多種休眠模式， 以Mica2為例，所使用的CPU是ATmegal28，在掉電(power down)模式下， 以3.3伏電壓供電時的電流不到0.5微安；在省電(power save)模式下，以 3.3伏電壓供電時的電流大約為IO微安。但是在傳感器節點周期釆集發送數 據的時候，CPU不能處於掉電(power down)狀態，否則CPU的時鐘將停止 工作，從而無法完成周期計算。目前採取的方法是使CPU處於省電(power save)模式，但此時休眠功耗相比掉電狀態要大很多。因此，有必要提供一 種減少傳感器節點周期性工作時的能量消耗的方法。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種降低傳感器節點休眠功耗的方法及 裝置，解決現有傳感器節點休眠功耗較大的問題。
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種降低傳感器節點休眠功耗的 方法，所述傳感器節點與一外部時鐘才莫塊相連，所述傳感器節點進入休眠狀 態前，發送控制信號給所述外部時鐘模塊，所述外部時鐘模塊收到所述控制 信號後，開始計時，在定時時間到達後發送中斷信號給所述傳感器節點，所 述傳感器節點收到所述中斷信號後，進入工作狀態。
進一步的，上述方法還可具有以下特點，所述定時時間在所述外部時鐘 ^t塊初始化時設置或在所述傳感器節點進入休眠狀態前由所述傳感器節點設置。
進一步的，上述方法還可具有以下特點，所述外部時鐘模塊收到所述控 制信號後，將所述外部時鐘模塊的計數器清零，所述計數器開始計數，在所
述計數器的計數值到達所述定時時間時，所述外部時鐘模塊發送中斷信號給 所述傳感器節點。
進一步的，上述方法還可具有以下特點，所述傳感器節點需周期性工作 時，所述傳感器節點設置所述定時時間為所述傳感器節點周期性工作的周期， 在每個周期到達時，所述傳感器節點接收所述外部時鐘模塊的中斷信號，進 入工作狀態，工作完畢後，轉入休眠狀態。
進一步的，上述方法還可具有以下特點，所述傳感器節點進入休眠狀態 是指進入掉電模式的休眠狀態。
本發明還提出 一種降低傳感器節點休眠功耗的裝置，包含傳感器節點， 還包含外部時鐘模塊，與所述傳感器節點相連，其中，
所述傳感器節點，用於在進入休眠狀態前，發送控制信號給所述外部時
鐘模塊，還用於接收所述外部時鐘模塊的中斷信號，進入工作狀態；
所述外部時鐘;溪塊，用於收到傳感器節點的控制信號後，開始計時，在
定時時間到達後發送中斷信號給所述傳感器節點。
進一步的，上迷裝置還可具有以下特點，所述傳感器節點進一步包含定
時時間設置單元，清零單元，喚醒單元，其中
所述定時時間設置單元，用於設置所述外部時鐘模塊的定時時間；
所述清零單元，用於在傳感器節點進入休眠狀態前，發送控制信號給外 部時鐘模塊；
所述喚醒單元，用於接收到外部時鐘模塊的中斷信號後，喚醒傳感器節 點進入工作狀態。
進一步的，上述裝置還可具有以下特點，所述外部時鐘模塊進一步包含 計數器和中斷信號發送單元，其中
所述計數器，用於保存傳感器節點設置的定時時間，以及在收到傳感器 節點的所述控制信號後，清零並開始計數，當計數值到達所述定時時間時， 發送一觸發信號給中斷信號發送單元；
所述中斷信號發送單元，用於收到計數器的觸發信號後，發送一中斷信 號給傳感器節點。
進一步的，上述裝置還可具有以下特點，所述傳感器節點進入休眠狀態 是指進入掉電模式的休眠狀態。
本發明所涉及的降低傳感器節點休眠功耗的方法及裝置具有以下優點 1、兼容性強，該方法可以通過在現有的傳感器網絡節點上添加外部時鐘^t塊 加以實現，對原有系統硬體部分改動較小，並且控制接口簡單，對於原有的 軟體改動非常小。2、實現成本低，在原有的傳感器節點上加入單晶片的外部 時鐘^t塊，該時鐘i^莫塊成本低廉，對原有傳感器節點的成本影響不大。3、效 果明顯，加入外部的時鐘模塊，可以明顯降低傳感器節點休眠的功耗，以 MICA2為例，在加入外部時鐘模塊後，在不影響其功能的情況下，休眠電流 可由10孩t安降〗氐到2微安。
圖1是加入外部時鐘模塊後傳感器節點的硬體實現框圖2是傳感器節點和外部時鐘模塊具體結構框圖3是加入外部時鐘模塊後傳感器節點實現低功耗休眠的流程圖。
具體實施例方式
本發明的主要思想是，在現有的傳感器節點的基礎上加入外部時鐘模塊 RTC (Real Time Clock,實時時鐘)，例如PHILIPS的PCF8563。該外部時 鐘模塊具有極低的工作電流，只有0.25微安，並且該外部時鐘模塊具有可編 程周期輸出中斷信號的功能，將外部時鐘模塊可產生中斷信號的引腳接到傳 感器節點的CPU的中斷引腳上，這樣即使當CPU處於掉電狀態時，通過外 部時鐘模塊產生的周期中斷信號也可觸發CPU，使之進入工作狀態。
具體實現為傳感器節點的CPU在初始時設置外部時鐘模塊的定時時間 為傳感器節點周期性工作的周期，在傳感器節點CPU進入休眠狀態之前，對 外部時鐘^t塊計數器進行清零，在周期到達時，外部時鐘;漠塊自動產生中斷
信號，發送給CPU,從而喚醒CPU,傳感器節點進入工作狀態，工作完畢後， 傳感器節點CPU重新進入休眠狀態，在進入休眠狀態前，又將外部時鐘模塊
的計數器清零，等待再次^^喚醒。這樣傳感器節點在周期性工作時，在每個
周期中不工作的時候處於休眠狀態(CPU處於掉電狀態)時，能夠保持非常
低的功耗狀態。
本發明提出的降低休眠功耗的裝置，如圖2所示，包含傳感器節點和外 部時鐘模塊，其中
傳感器節點，用於在進入休眠狀態前，發送控制信號給所述外部時鐘才莫 塊，還用於接收所述外部時鐘模塊的中斷信號，進入工作狀態；
外部時鐘模塊，用於收到傳感器節點的控制信號後，開始計時，在定時 時間到達後發送中斷信號給所述傳感器節點。
傳感器節點進一步包含定時時間設置單元，清零單元，喚醒單元，其中
定時時間設置單元，用於設置外部時鐘模塊的定時時間，例如設置外部 時鐘才莫塊的定時時間和傳感器節點周期性工作的周期相同；
清零單元，用於傳感器節點進入休眠狀態前，發送控制信號給外部時鐘 模塊，用於指示外部時鐘模塊傳感器節點進入休眠狀態，要求外部時鐘模塊 的計數器清零，開始計數；
喚醒單元，用於收到外部時鐘模塊的中斷信號後，喚醒傳感器節點進入 工作狀態；
外部時鐘^t塊，進一步包含計數器和中斷信號發送單元，其中
計數器，用於保存傳感器節點設置的定時時間，以及在收到傳感器節點 的控制信號後，清零並開始計數，當計數值到達所述定時時間時，發送一觸 發信號給中斷信號發送單元；
中斷信號發送單元，用於收到計數器的觸發信號後，發送一中斷信號給
傳感器節點。
本發明還涉及一種降低無線傳感器節點功耗的方法，如圖3所示，包含
301,傳感器節點的CPU通過控制信號設置外部時鐘;漢塊產生中斷信號 的周期；
其中，通過對外部時鐘模塊的內部寄存器進行設置來設置外部時鐘模塊 產生中斷信號的周期。
302，在進入休眠狀態之前，傳感器節點的CPU通過控制信號設置外部 時鐘模塊，使外部時鐘模塊的計數器清零；
303，傳感器節點進入休眠狀態；
傳感器節點在需要周期性工作時，進入掉電模式的休眠狀態。 此時外部時鐘模塊處於工作狀態。
304，當外部時鐘模塊的計數器值等於產生中斷信號的周期時，即計數器 溢出時，產生中斷信號一哈傳感器節點；
305，傳感器節點收到中斷信號後，其CPU被喚醒，傳感器節點進入正 常工作狀態，採集並發送數據，工作完畢後，準備進入休眠狀態，返回步驟 302。
通過上述方法，傳感器節點可以周期性工作，而傳感器節點在不工作時， 可以進入掉電模式的休眠狀態，從而節省功耗。
由於外部時鐘才莫塊可以定時，原則上只要預先知道傳感器節點什麼時候 需要#7奐醒，都可以使用本發明的方法，即使傳感器節點不是周期性的採集 發送數據，也可以進入掉電模式的休眠狀態，通過設置外部時鐘模塊的定時 時間，在定時時間到達後由外部時鐘模塊喚醒傳感器節點從而達到節省功耗 的目的。即本發明不僅僅可以節省傳感器節點周期性工作的功耗，也可以用 於非周期性工作時節省功耗。
本發明的方法通過在現有的傳感器網絡節點上添加外部時鐘模塊加以實 現，對原有系統硬體部分改動較小，並且控制接口簡單，對於原有的軟體改
動非常小，另外，該時鐘;漠塊成本低廉，對原有傳感器節點的成本影響不大。 而且，加入外部的時鐘模塊後，可以明顯降低傳感器節點休眠的功耗，以
MICA2為例，在加入外部時鐘才莫塊後，在不影響其功能的情況下，休眠電流 可由10微安降低到2微安。
本發明提出的降低傳感器網絡節點休眠功耗的方法和裝置，在周期性的 工作場合，也可以使CPU處於掉電狀態，由外部時鐘才莫塊將CPU喚醒進入 工作狀態，從而大大降低了功耗。另外，在非周期性工作時，也可以降低功耗。
權利要求
1、一種降低傳感器節點休眠功耗的方法，所述傳感器節點與一外部時鐘模塊相連，其特徵在於，所述傳感器節點進入休眠狀態前，發送控制信號給所述外部時鐘模塊，所述外部時鐘模塊收到所述控制信號後，開始計時，在定時時間到達後發送中斷信號給所述傳感器節點，所述傳感器節點收到所述中斷信號後，進入工作狀態。
2、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述定時時間在所述外部時 鍾才莫塊初始化時設置或在所述傳感器節點進入休眠狀態前由所述傳感器節點 設置。
3、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述外部時鐘模塊收到所述 控制信號後，將所述外部時鐘模塊的計數器清零，所述計數器開始計數，在 所述計數器的計數值到達所述定時時間時，所述外部時鐘^t塊發送中斷信號 給所述傳感器節點。
4、 如權利要求1或2或3所述的方法，其特徵在於，所述傳感器節點需 周期性工作時，所述傳感器節點設置所述定時時間為所述傳感器節點周期性 工作的周期，在每個周期到達時，所述傳感器節點^接收所述外部時鐘;溪塊的 中斷信號，進入工作狀態，工作完畢後，轉入休眠狀態。
5、 如權利要求1或2或3所述的方法，其特徵在於，所述傳感器節點進 入休眠狀態是指進入掉電模式的休眠狀態。
6、 一種降低傳感器節點休眠功耗的裝置，包含傳感器節點，其特徵在於， 還包含外部時鐘模塊，與所述傳感器節點相連，其中，所述傳感器節點，用於在進入休眠狀態前，發送控制信號給所述外部時 鐘模塊，還用於接收所述外部時鐘模塊的中斷信號，進入工作狀態；所述外部時鐘才莫塊，用於收到傳感器節點的控制信號後，開始計時，在 定時時間到達後發送中斷信號給所述傳感器節點。
7、 如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述傳感器節點進一步包含定時時間設置單元，清零單元，喚醒單元， 其中所述定時時間設置單元，用於設置所述外部時鐘i^莫塊的定時時間；所述清零單元，用於在傳感器節點進入休眠狀態前，發送控制信號給外 部時鐘模塊；所述喚醒單元，用於接收到外部時鐘才莫塊的中斷信號後，喚醒傳感器節 點進入工作狀態。
8、 如權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，所述外部時鐘才莫塊進一 步包含計數器和中斷信號發送單元，其中所述計數器，用於保存傳感器節點設置的定時時間，以及在收到傳感器 節點的所述控制信號後，清零並開始計數，當計數值到達所述定時時間時， 發送一觸發信號給中斷信號發送單元；所述中斷信號發送單元，用於收到計數器的觸發信號後，發送一中斷信 號給傳感器節點。
9、 如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述傳感器節點進入休眠狀 態是指進入掉電模式的休眠狀態。
全文摘要
本發明提出一種降低傳感器節點休眠功耗的方法和裝置，該裝置包含傳感器節點，還包含外部時鐘模塊，與傳感器節點相連，其中，傳感器節點在進入休眠狀態前，發送控制信號給外部時鐘模塊，外部時鐘模塊收到傳感器節點的控制信號後，開始計時，在定時時間後發送中斷信號給傳感器節點，傳感器節點接收外部時鐘模塊的中斷信號，進入工作狀態。本發明通過在現有的傳感器網絡節點上添加外部時鐘模塊加以實現，對原有系統改動較小，另外，該外部時鐘模塊成本低廉，對原有傳感器節點的成本影響不大，而且，加入外部的時鐘模塊後，可以明顯降低傳感器節點休眠的功耗。
文檔編號H04L29/08GK101364993SQ20081011977
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月9日 優先權日2008年9月9日
發明者李英奇, 勇 樊, 鄭玉東, 魏劍平, 黃孝斌 申請人:北京時代凌宇科技有限公司