低功耗射頻喚醒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

彭芬

摘 要：由于傳統(tǒng)模式下為了降低無線傳感器電能損耗而使用的休眠或喚醒機(jī)制有著一定的弊端，對通訊網(wǎng)絡(luò)的咨詢反饋不及時，所以文章提出了采用基于波束供電程式來運行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻喚醒技術(shù)。低功耗的射頻喚醒技術(shù)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其節(jié)點經(jīng)過電波的流動來收集能量，準(zhǔn)時喚醒機(jī)體自身，最終實現(xiàn)成效性。根據(jù)性能分析報告發(fā)現(xiàn)，新型的低功耗射頻喚醒無線傳感程式較之傳統(tǒng)喚醒程式來說，其節(jié)點體系具備更優(yōu)的穩(wěn)定性和較少的耗能，對于支持往后的生活需求以及生產(chǎn)運營來說都有著重大意義。

關(guān)鍵詞：低功耗；射頻喚醒；無線傳感器

利用眾多的傳感節(jié)點架構(gòu)起來，對接受的能量受限于網(wǎng)絡(luò)程式的，就是通常所說的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，無線傳感器節(jié)點需要依賴電池進(jìn)行電力供應(yīng)，且其本身安置的位置多為無人區(qū)域，用于資料的反饋和信息的收集與通訊。而現(xiàn)在，作為研究重點的低功耗型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程式，受到了廣泛關(guān)注。

通過通信板塊、電源板塊、計算板塊以及傳感器板塊四方面來構(gòu)成一個完整的無線傳感器節(jié)點。而關(guān)于這4點的接受程式、信息的掌控了解、運算能耗的產(chǎn)生等因由，人們作了相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)性實驗，而詳細(xì)的實驗成果如圖1所示。作為資源的通信節(jié)點，通信板塊的能耗是其中占據(jù)資源損耗最大的，為了更好地調(diào)控好能源的損耗問題，人們可以利用無線傳感器的休眠與喚醒程式來管制。當(dāng)節(jié)點沒有感知到相關(guān)信息時，休眠程式自動會讓主頻進(jìn)入睡眠。進(jìn)而抑制后續(xù)可能產(chǎn)生的無謂工序，對于調(diào)控傳感器節(jié)點的能量消耗有著很大的作用力。

1 低功耗的射頻喚醒體系

1.1 波束形式的供電技術(shù)

依照J(rèn)ames Clerk Maxwell的電磁場理念：不斷變化的電場會形成同樣變化的磁場，而在變化的磁場周邊也相應(yīng)會出現(xiàn)變化中的電場，最終讓能量經(jīng)由相互變換的電磁場輻射擴(kuò)散。接受線路可以從變動中的電磁場當(dāng)中獲取到工作時需要的能量，也就是利用波束進(jìn)行供電運行，對射頻能量的轉(zhuǎn)化可以直接變換成直流電用作內(nèi)在電路的運作。纖細(xì)的供電波束遠(yuǎn)離如圖2所示。通過天線接獲電感及電容值C1上出現(xiàn)的震電流因，此后，電流流經(jīng)二極管道的后半部分，再通過電容的C2達(dá)成電量存儲，并為芯片提供充足的電流以促成工作。

1.2 避免無效喚醒和誤喚醒抑制

相比起有線信道的干擾而言，無線信道的干擾狀態(tài)要更為嚴(yán)峻一些。和一般的喚醒技術(shù)一樣，當(dāng)射頻喚醒節(jié)點在接收到和載波波頻相當(dāng)?shù)脑肼暽踔潦莿e的輸送源的信號干擾時，一樣會令射頻本身的接受線路出現(xiàn)電流感應(yīng)，而當(dāng)這個時候，喚醒機(jī)構(gòu)就會觸及到核心與射頻通信板塊，但是由于這種情況下的喚醒并不存在數(shù)據(jù)的流通，因此人們將這種現(xiàn)象稱作誤喚醒現(xiàn)象。一般來說，誤喚醒會出現(xiàn)過多無謂資源的能量損耗問題，為了更好地處理這個問題，經(jīng)過認(rèn)真的構(gòu)思和深入的實驗后，將導(dǎo)頻計數(shù)程式安裝在射頻喚醒機(jī)構(gòu)內(nèi)，只有當(dāng)射頻元件接受到一定數(shù)量的數(shù)據(jù)之后，方可帶動喚醒節(jié)點的啟動，從而就能最大限度地降低能量的損耗以及無謂的工序浪費了。

另一方面，節(jié)點獲取到的不是針對自身喚醒出現(xiàn)的導(dǎo)頻信號，但也同樣依照常規(guī)發(fā)展被喚醒機(jī)構(gòu)喚醒而收集信息的情況稱為無效的喚醒，當(dāng)這種情況出現(xiàn)時，其收集到的資料通常不會是節(jié)點上需要獲取的資源，所以其接收的資源也是無效的。因為無效喚醒狀況同樣會為傳感器系統(tǒng)帶來大量的能量浪費，所以為了更好地處理這個情況，人們采取了新的手法進(jìn)行改革，利用加載地標(biāo)信息來區(qū)分領(lǐng)域接受情況，當(dāng)換新信號中融合了地址信息后，就可以更直接地隔絕不是喚醒對象的信息。一旦喚醒機(jī)構(gòu)內(nèi)接收到喚醒波頻，節(jié)點通過程式的喚醒，將射頻反饋到機(jī)構(gòu)核心中，從而辨別出其中有效的地址信息，假如不是在范疇內(nèi)的地址，喚醒射頻就可以不進(jìn)行喚醒步驟，且拒絕接收所感應(yīng)到的非指定地數(shù)據(jù)資源。通過這種方式，可以降低能量的無效喚醒帶來的損耗。

2 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)射頻喚醒傳感器節(jié)點

2.1 硬件的總體架構(gòu)

絕大多數(shù)情況下，對于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)條當(dāng)中的設(shè)定，都沒有硬性要求傳感器內(nèi)部的全部組件節(jié)點都需要利用電池維持供電。比方說TEEI804.14.3/Zigbea協(xié)議，該協(xié)議從功用的角度將網(wǎng)絡(luò)設(shè)施劃分成2個板塊，分別是功能的簡化設(shè)施以及全功能形式的設(shè)施（簡化設(shè)施簡稱為RFD，全功能設(shè)施簡稱為FFD）。作用于整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定運作的功能協(xié)調(diào)儀器與路由功用的路由器都是依賴全功能設(shè)備來滿足供電需求的，所以其對功能損耗相對沒有太多的要求，并能經(jīng)常打開視頻機(jī)構(gòu)進(jìn)行資源的收集傳輸，以確保信息的實時性與準(zhǔn)效性。而為了了解和探索低功用耗能的射頻喚醒網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳感器技術(shù)的節(jié)點硬件構(gòu)造，本文從能源的損耗角度出發(fā)，將節(jié)點特質(zhì)大致劃分成2個類型：一個是電能受限制設(shè)備（簡稱為PLD），通常用于需要嚴(yán)格遏制電能耗能方面的，常常指代的是電池供電設(shè)施；而另一個則是不受限制的電能設(shè)備（簡稱為PUD），因為其作用于可以維持長期供電電源的構(gòu)件上，并不會造成過大損耗，所以不需要嚴(yán)苛的限制。

2.2 分析功耗和實時性

因為不受限的電能設(shè)備其節(jié)點對損耗沒有嚴(yán)苛的劃分，從而可以體現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)無線傳感器節(jié)點性能特點的主要集中在受限的電能設(shè)備節(jié)點上，對于日常機(jī)構(gòu)運作與生產(chǎn)發(fā)展都有著廣泛的涉獵。接下來本文將對構(gòu)想的低功耗網(wǎng)絡(luò)無線傳感器受限節(jié)點和傳統(tǒng)的休眠或喚醒機(jī)構(gòu)設(shè)置的受限電能設(shè)備進(jìn)行節(jié)點的功耗與實時性分析。

現(xiàn)在可以假設(shè)某個地區(qū)的單位一項任務(wù)的時間點為T（例如10分鐘）之內(nèi)會發(fā)生一次，不過一般出現(xiàn)都是隨意的，為了可以穩(wěn)定在相對時效內(nèi)，對受限的電能節(jié)點可以通過休眠或喚醒機(jī)構(gòu)來達(dá)成過程，就需要在受限的電能節(jié)點的不同位置上設(shè)置好相應(yīng)的時間喚醒次數(shù)（標(biāo)記為N），此外還需要利用詢問的手法對城市提取自身需要的資料，CD1002在423MHz當(dāng)中的頻率段節(jié)的最大數(shù)值的速率達(dá)到了20.1每秒，從而可以得知一條儲存容量為126的消息數(shù)據(jù)需要用時49ms完成，而為了避免偵聽和載波處理時長，其對喚醒機(jī)構(gòu)的設(shè)置保持偵聽的時長約為任務(wù)時間T=100ms?；诶靡曨l喚醒機(jī)構(gòu)來達(dá)成受限節(jié)點調(diào)控的設(shè)備，其在沒有任務(wù)時，內(nèi)部射頻接收模塊和中心機(jī)構(gòu)是處于休眠程式的，只有當(dāng)出現(xiàn)喚醒信號時，才會觸動射頻板塊和核心，進(jìn)而對信息進(jìn)行處理。射頻受限的調(diào)控和實時反饋是對功耗的最大效益體現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文通過一系列的方案和構(gòu)想闡述了低功耗無線網(wǎng)絡(luò)射頻傳感器的設(shè)計想法，利用相關(guān)專業(yè)技術(shù)輔以創(chuàng)新的構(gòu)思，達(dá)成一個更為優(yōu)質(zhì)的傳感器程式的設(shè)定，對于提出的利用無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來運行的傳感器系統(tǒng)，其能夠依照獨立的射頻喚醒單元技術(shù)達(dá)成傳感器載體的適應(yīng)，從而將各種載波進(jìn)行資源傳輸，進(jìn)而反饋到信號網(wǎng)絡(luò)程式當(dāng)中，將核心機(jī)制喚醒，最終達(dá)成射頻單元的數(shù)據(jù)流通和收集。比起傳統(tǒng)模式下運作的周期性喚醒機(jī)制，新的傳感器無線程式的節(jié)點設(shè)計要更為準(zhǔn)確、實時。其運用的低能耗模式射頻技術(shù)對于現(xiàn)實社會發(fā)展來說更具作用力和發(fā)展力。廣義的社會發(fā)展過程中，人們不斷發(fā)掘新的機(jī)制，對于資源的重視也越發(fā)看重，為了更貼合生產(chǎn)需求和日常使用，本文提出的喚醒機(jī)制從根本上改革了傳統(tǒng)高耗能高頻率的傳感器體系，至于能耗的降低而言，有著重大而必然的意義。

傳感器喚醒技術(shù)的提升對于日后在多個領(lǐng)域當(dāng)中的應(yīng)用都有眾多優(yōu)勢。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議之于人們的生活，和環(huán)保節(jié)能的狀況都有著重大的促進(jìn)性，現(xiàn)時低功耗實時性無線傳感技術(shù)已經(jīng)被多方人員納入研究的重點行列。

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The Wireless Sensor Network Design of Low-power Radio Frequency Wake-up

Peng Fen（Department of Electronics & Information Engineering， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430074， China）

Abstract： The sleeping or wake-up mechanism of wireless sensor for reducing energy loss have disadvantages that it can not answer the communication network in time， so using technology of RF waking up for wireless sensor network basing on beam power supply program is proposed.Low-power RF wake-up technology to wireless sensor networks， the node use wave flow to collect energy and wake up the body on time. According to the performance analysis report， we found that the new low power RF wake-up wireless sensor program compared with the traditional wake-up program， the energy consumption of node system has better stability and less energy consumption. For the support of life in the future demand and production operations are of great significance.

Key words： low-power consumption； radio frequency wake-up； wireless sensor