CN108810842B - 一种无线传感器网络节点及用于该节点的mac协议方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络节点及用于该节点的MAC协议方法，该网络节点包括无线传感器节点主电路、能量接收天线、匹配电路、整流放大电路、储能模块及唤醒信号处理电路，发送端与接收端无数据传输需求，节点主电路处于睡眠模式，唤醒信号处理电路采集能量存储，当发送端与接收端有数据传输需求，发送端发射唤醒信号到接收端，如果唤醒电路电量充足进入侦听模式，否则退出侦听模式，本发明有效达到无线传感器网络节能目标。

Description

一种无线传感器网络节点及用于该节点的MAC协议方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络数据传输领域，具体涉及一种无线传感器网络节点及用于该节点的MAC协议方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称为WSN)基于物联网(IoT)的大背景下，近年来被广泛应用于军事、交通、环境监控、医疗卫生、智能家居等多个领域。由于无线传感器节点外形小、方便布置、成本低等优点，经常被用于一些复杂或危险的环境中。利用无线设备自组织形成通信网络，完成对周围环境进行监测等工作。
然而，无线传感器设备的能量不足问题成为限制其发展的重要因素。当无线传感器节点被布置于环境中，节点体积的大小限制了自身电池的容量，由于环境和节点数量等因素，更换电池的成本十分昂贵。因此，延长无线传感器的生命周期是影响无线传感网络发展的关键问题。
在无线传感器网络中，媒体介质访问控制(MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，主要用于传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络有效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络能量有限的特点，决定了其协议的设计必须以节能为主要目标，其次才考虑协议的可扩展性、延时、信道利用率、吞吐率、适应性等。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种无线传感器网络节点及用于该节点的MAC协议方法。
本发明采用如下技术方案：
一种无线传感器网络节点，包括无线传感器节点主电路、能量接收天线、匹配电路、整流放大电路、储能模块及唤醒信号处理电路；
所述能量接收天线、匹配电路、整流放大电路、储能模块及唤醒信号处理电路依次连接，所述唤醒信号处理电路与无线传感器节点主电路连接。
所述无线传感器节点主电路包括传感器、主控制器、数据传输天线及无线通信模块，所述主控制器分别与唤醒信号处理电路及无线通信模块连接，数据传输天线与无线通信模块连接。
所述储能模块由超级电容或可充电电池构成。
所述唤醒信号处理电路包括包络检波器、放大器、比较器、MCU及中断产生器，查询指令依次通过包络检波器、放大器及比较器进入MCU，MCU输出信号到中断产生器，进一步输出中断信号。
一种无线传感器网络节点的MAC协议方法，包括如下步骤：
S1设置初始状态：无线传感器网络中的所有节点，在任一时刻，都在接收环境中的射频能量，并存储在储能模块，为唤醒信号处理电路供电，每个节点的储能模块都会设置两个阈值v1、v2，其中v2>v1>＝0；当储能模块中的能量超过阈值v2，该节点的唤醒电路即可进入侦听模式，可接收到其他节点或终端传来的唤醒信号，当储能模块中的能量低于阈值v1时，该节点的唤醒电路将退出侦听模式，停止工作以减少能耗，此时将无法接收到唤醒信号；
S2当发送端与接收端有数据传输需求时，发送端向接收端发射唤醒信号；
S3若接收端唤醒电路正处于侦听模式，接收到发送端传来的唤醒信号，唤醒电路将无线传感器节点主电路唤醒，无线传感器节点主电路发送一个反馈信息给发送端，若接收端正与其他节点或终端进行通信，或唤醒电路因电量低于阈值v1，未开启侦听模式，则无法接收到发送端发来的唤醒信号，即无法发送反馈信息则进入S4，否则进入S5；
S4发送端判断此次数据传输是否紧急，若否，则发送端进入睡眠模式，时间为t，定时唤醒后返回步骤S2；
若此次数据传输判断为紧急，发送端再判断此前是否为该接收端发送过能量信号，若有，则排除接收端唤醒电路能量不足，即说明此时接收端正与其他节点或终端通信，发送端进入睡眠模式，时间为t，定时唤醒后返回步骤S2；若无，则发送端向接收端发送一段能量信号e，使其快速充电以开启侦听模式接收唤醒信号，然后直接返回步骤S2；
S5若发送端接收到接收端传来的反馈信息，得知接收端已被唤醒，即可开始数据传输。
本发明的有益效果：本发明提供一种用于具有无线供电唤醒电路的无线传感器网络的MAC协议方法，能有效降低网络中数据传输发送端与接收端节点的能量消耗，达到一定的节能效果，延长无线传感器网络的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的硬件结构示意图；
图2是本发明唤醒处理电路的电路结构示意图；
图3是本发明的流程图；
图4是本发明的侦听模式工作流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种无线传感器网络节点，包括：包括无线传感器节点主电路、能量接收天线、匹配电路、整流放大电路、储能模块及唤醒信号处理电路；
所述能量接收天线、匹配电路、整流放大电路、储能模块及唤醒信号处理电路依次连接，所述唤醒信号处理电路与无线传感器节点主电路连接。
在无数据传输的情况下，节点主电路处于睡眠模式，唤醒信号处理电路可一直采集环境中的射频能量为供自身功能，当唤醒信号电路自身能量充足且接收到针对该节点的唤醒信息时，可节点主电路产生一个中断信号，使主电路从睡眠模式中唤醒，然后完成数据传输等工作。若唤醒电路自身能量不足，则暂时无法接收或处理唤醒信息，节点主电路也则暂时无法被唤醒。
本发明中所述能量接收天线负责收集环境中的射频能量，匹配电路负责完成能量接收天线与后续电路的阻抗匹配，减少因阻抗不匹配导致的能量反射。
整流放大电路将从能量接收天线传入的电磁波进行整流放大，以便将电磁波能量存储到存储模块，同时为唤醒信号处理电路供能。
所述唤醒信号处理电路负责根据唤醒周期或查询指令唤醒传感器节点主电路，使其从睡眠状态切换至工作状态，完成数据采集、传输数据、无线通信等工作。
所述无线传感器节点主电路包括传感器、主控制器、数据传输天线、电源及无线通信模块，所述传感器分别与主控制器及电源连接，所述主控制器分别与唤醒信号处理电路及无线通信模块连接。
如图2所示，所述唤醒信号处理电路包括包络检波器、放大器、比较器、超低功耗MCU及中断产生器，所述超低功耗MCU分别于中断产生器及比较器连接，所述比较器、放大器及包络检波器依次连接。
如图3所示，无线传感器网络的MAC协议方法，包括以下步骤：
S1设置初始状态：无线传感器网络中的所有节点，在任一时刻，都在接收环境中的射频能量，并存储在储能模块，为唤醒信号处理电路供电，每个节点的储能模块都会设置两个阈值v1、v2，其中v2>v1>＝0；当储能模块中的能量超过阈值v2，该节点的唤醒电路即可进入侦听模式，可接收到其他节点或终端传来的唤醒信号，当储能模块中的能量低于阈值v1时，该节点的唤醒电路将退出侦听模式，停止工作以减少能耗，此时将无法接收到唤醒信号；
S2当发送端与接收端有数据传输需求时，发送端向接收端发射唤醒信号；
S3若接收端唤醒电路正处于侦听模式，接收到发送端传来的唤醒信号，唤醒电路将无线传感器节点主电路唤醒，无线传感器节点主电路发送一个反馈信息给发送端，若接收端正与其他节点或终端进行通信，或唤醒电路因电量低于阈值v1，未开启侦听模式，则无法接收到发送端发来的唤醒信号，即无法发送反馈信息则进入S4，否则进入S5；
S4发送端判断此次数据传输是否紧急，若否，则发送端进入睡眠模式，时间为t，定时唤醒后返回步骤S2；
若此次数据传输判断为紧急，发送端再判断此前是否为该接收端发送过能量信号，若有，则排除接收端唤醒电路能量不足，即说明此时接收端正与其他节点或终端通信，发送端进入睡眠模式，时间为t，定时唤醒后返回步骤S2；若无，则发送端向接收端发送一段能量信号e，使其快速充电以开启侦听模式接收唤醒信号，然后直接返回步骤S2。
S5若发送端接收到接收端传来的反馈信息，得知接收端已被唤醒，即可开始数据传输。
如图4所示，所述具有无线供电唤醒电路的无线传感器网络的节点处于侦听模式时，节点的工作流程如下：
(1)初始状态：节点在任一时刻，都在接收环境中的射频能量，并存储在储能模块，为唤醒电路供电。而且在侦听模式中，节点的唤醒电路模块可接收外界所有的唤醒信号。
(2)当节点接收到一个唤醒信号时，传到唤醒信号处理模块，判断此唤醒信号的目标节点是否为本节点，若不是，则忽略此唤醒信号，继续保持侦听模式；若是，则产生中断信号，穿到主电路，唤醒主控制器。
(3)主电路进入工作模式后，向发送端发送反馈信息，与发送端建立通信，完成数据传输。此过程中唤醒电路将暂停侦听模式。
(4)完成数据传输后，节点判断此时唤醒电路中储能模块的电量是否达到阈值v2，若达到，则重新开启侦听模式，若未达到，则暂不开启侦听模式，直至储能模块电量达到阈值v2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络节点，其特征在于，包括无线传感器节点主电路、能量接收天线、匹配电路、整流放大电路、储能模块及唤醒信号处理电路；
所述能量接收天线、匹配电路、整流放大电路、储能模块及唤醒信号处理电路依次连接，所述唤醒信号处理电路与无线传感器节点主电路连接；
无线传感器网络节点的MAC协议方法，包括如下步骤：
S1设置初始状态：无线传感器网络中的所有节点，在任一时刻，都在接收环境中的射频能量，并存储在储能模块，为唤醒信号处理电路供电，每个节点的储能模块都会设置两个阈值v1、v2，其中v2>v1>＝0；当储能模块中的能量超过阈值v2，该节点的唤醒电路即可进入侦听模式，可接收到其他节点或终端传来的唤醒信号，当储能模块中的能量低于阈值v1时，该节点的唤醒电路将退出侦听模式，停止工作以减少能耗，此时将无法接收到唤醒信号；
S2当发送端与接收端有数据传输需求时，发送端向接收端发射唤醒信号；
S3若接收端唤醒电路正处于侦听模式，接收到发送端传来的唤醒信号，唤醒电路将无线传感器节点主电路唤醒，无线传感器节点主电路发送一个反馈信息给发送端，若接收端正与其他节点或终端进行通信，或唤醒电路因电量低于阈值v1，未开启侦听模式，则无法接收到发送端发来的唤醒信号，即无法发送反馈信息则进入S4，否则进入S5；
S4发送端判断此次数据传输是否紧急，若否，则发送端进入睡眠模式，时间为t，定时唤醒后返回步骤S2；
若此次数据传输判断为紧急，发送端再判断此前是否为该接收端发送过能量信号，若有，则排除接收端唤醒电路能量不足，即说明此时接收端正与其他节点或终端通信，发送端进入睡眠模式，时间为t，定时唤醒后返回步骤S2；若无，则发送端向接收端发送一段能量信号e，使其快速充电以开启侦听模式接收唤醒信号，然后直接返回步骤S2；
S5若发送端接收到接收端传来的反馈信息，得知接收端已被唤醒，即可开始数据传输。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于，所述无线传感器节点主电路包括传感器、主控制器、数据传输天线及无线通信模块，所述主控制器分别与唤醒信号处理电路及无线通信模块连接，数据传输天线与无线通信模块连接。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于，所述储能模块由超级电容或可充电电池构成。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点，其特征在于，所述唤醒信号处理电路包括包络检波器、放大器、比较器、MCU及中断产生器，查询指令依次通过包络检波器、放大器及比较器进入MCU，MCU输出信号到中断产生器，进一步输出中断信号。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109774743A (zh) * 2019-01-23 2019-05-21 北京交通大学 一种轨道列车的运行数据采集传输***及数据采集传输方法
CN112271832A (zh) * 2020-09-27 2021-01-26 北京智芯微电子科技有限公司 供电装置、电力设备传感器及电力***

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101489304A (zh) * 2009-02-27 2009-07-22 南京邮电大学 基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法
CN103023522A (zh) * 2012-12-05 2013-04-03 中国科学院上海微***与信息技术研究所 物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机
CN202856992U (zh) * 2012-02-24 2013-04-03 苏州博联科技有限公司 一种低功耗无线传感器网络***
CN103731197A (zh) * 2014-01-17 2014-04-16 中国联合网络通信集团有限公司 一种支持能量传输的无线通信装置和方法
JP2016019128A (ja) * 2014-07-08 2016-02-01 日本電気通信システム株式会社 無線装置、それを備えた無線通信システムおよび無線装置において実行されるプログラム

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101489304A (zh) * 2009-02-27 2009-07-22 南京邮电大学 基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法
CN202856992U (zh) * 2012-02-24 2013-04-03 苏州博联科技有限公司 一种低功耗无线传感器网络***
CN103023522A (zh) * 2012-12-05 2013-04-03 中国科学院上海微***与信息技术研究所 物联网与短距离无线互联无线节点的超低功耗唤醒接收机
CN103731197A (zh) * 2014-01-17 2014-04-16 中国联合网络通信集团有限公司 一种支持能量传输的无线通信装置和方法
JP2016019128A (ja) * 2014-07-08 2016-02-01 日本電気通信システム株式会社 無線装置、それを備えた無線通信システムおよび無線装置において実行されるプログラム

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