低功耗射频唤醒无线传感器网络设计

    彭芬

    摘 要：由于传统模式下为了降低无线传感器电能损耗而使用的休眠或唤醒机制有着一定的弊端，对通讯网络的咨询反馈不及时，所以文章提出了采用基于波束供电程式来运行的无线传感器网络射频唤醒技术。低功耗的射频唤醒技术对于无线传感器网络来说，其节点经过电波的流动来收集能量，准时唤醒机体自身，最终实现成效性。根据性能分析报告发现，新型的低功耗射频唤醒无线传感程式较之传统唤醒程式来说，其节点体系具备更优的稳定性和较少的耗能，对于支持往后的生活需求以及生产运营来说都有着重大意义。

    关键词：低功耗；射频唤醒；无线传感器

    利用众多的传感节点架构起来，对接受的能量受限于网络程式的，就是通常所说的无线传感器网络。通常情况下，无线传感器节点需要依赖电池进行电力供应，且其本身安置的位置多为无人区域，用于资料的反馈和信息的收集与通讯。而现在，作为研究重点的低功耗型无线传感器网络程式，受到了广泛关注。

    通过通信板块、电源板块、计算板块以及传感器板块四方面来构成一个完整的无线传感器节点。而关于这4点的接受程式、信息的掌控了解、运算能耗的产生等因由，人们作了相当的关联性实验，而详细的实验成果如图1所示。作为资源的通信节点，通信板块的能耗是其中占据资源损耗最大的，为了更好地调控好能源的损耗问题，人们可以利用无线传感器的休眠与唤醒程式来管制。当节点没有感知到相关信息时，休眠程式自动会让主频进入睡眠。进而抑制后续可能产生的无谓工序，对于调控传感器节点的能量消耗有着很大的作用力。

    1 低功耗的射频唤醒体系

    1.1 波束形式的供电技术

    依照James Clerk Maxwell的电磁场理念：不断变化的电场会形成同样变化的磁场，而在变化的磁场周边也相应会出现变化中的电场，最终让能量经由相互变换的电磁场辐射扩散。接受线路可以从变动中的电磁场当中获取到工作时需要的能量，也就是利用波束进行供电运行，对射频能量的转化可以直接变换成直流电用作内在电路的运作。纤细的供电波束远离如图2所示。通过天线接获电感及电容值C1上出现的震电流因，此后，电流流经二极管道的后半部分，再通过电容的C2达成电量存储，并为芯片提供充足的电流以促成工作。

    1.2 避免无效唤醒和误唤醒抑制

    相比起有线信道的干扰而言，无线信道的干扰状态要更为严峻一些。和一般的唤醒技术一样，当射频唤醒节点在接收到和载波波频相当的噪声甚至是别的输送源的信号干扰时，一样会令射频本身的接受线路出现电流感应，而当这个时候，唤醒机构就会触及到核心与射频通信板块，但是由于这种情况下的唤醒并不存在数据的流通，因此人们将这种现象称作误唤醒现象。一般来说，误唤醒会出现过多无谓资源的能量损耗问题，为了更好地处理这个问题，经过认真的构思和深入的实验后，将导频计数程式安装在射频唤醒机构内，只有当射频元件接受到一定数量的数据之后，方可带动唤醒节点的启动，从而就能最大限度地降低能量的损耗以及无谓的工序浪费了。

    另一方面，节点获取到的不是针对自身唤醒出现的导频信号，但也同样依照常规发展被唤醒机构唤醒而收集信息的情况称为无效的唤醒，当这种情况出现时，其收集到的资料通常不会是节点上需要获取的资源，所以其接收的资源也是无效的。因为无效唤醒状况同样会为传感器系统带来大量的能量浪费，所以为了更好地处理这个情况，人们采取了新的手法进行改革，利用加载地标信息来区分领域接受情况，当换新信号中融合了地址信息后，就可以更直接地隔绝不是唤醒对象的信息。一旦唤醒机构内接收到唤醒波频，节点通过程式的唤醒，将射频反馈到机构核心中，从而辨别出其中有效的地址信息，假如不是在范畴内的地址，唤醒射频就可以不进行唤醒步骤，且拒绝接收所感应到的非指定地数据资源。通过这种方式，可以降低能量的无效唤醒带来的损耗。

    2 低功耗无线网络射频唤醒传感器节点

    2.1 硬件的总体架构

    绝大多数情况下，对于无线传感器的网络协议规条当中的设定，都没有硬性要求传感器内部的全部组件节点都需要利用电池维持供电。比方说TEEI804.14.3/Zigbea协议，该协议从功用的角度将网络设施划分成2个板块，分别是功能的简化设施以及全功能形式的设施（简化设施简称为RFD，全功能设施简称为FFD）。作用于整个网络的协调稳定运作的功能协调仪器与路由功用的路由器都是依赖全功能设备来满足供电需求的，所以其对功能损耗相对没有太多的要求，并能经常打开视频机构进行资源的收集传输，以确保信息的实时性与准效性。而为了了解和探索低功用耗能的射频唤醒网络节点传感器技术的节点硬件构造，本文从能源的损耗角度出发，将节点特质大致划分成2个类型：一个是电能受限制设备（简称为PLD），通常用于需要严格遏制电能耗能方面的，常常指代的是电池供电设施；而另一个则是不受限制的电能设备（简称为PUD），因为其作用于可以维持长期供电电源的构件上，并不会造成过大损耗，所以不需要严苛的限制。

    2.2 分析功耗和实时性

    因为不受限的电能设备其节点对损耗没有严苛的划分，从而可以体现出网络无线传感器节点性能特点的主要集中在受限的电能设备节点上，对于日常机构运作与生产发展都有着广泛的涉猎。接下来本文将对构想的低功耗网络无线传感器受限节点和传统的休眠或唤醒机构设置的受限电能设备进行节点的功耗与实时性分析。

    现在可以假设某个地区的单位一项任务的时间点为T（例如10分钟）之内会发生一次，不过一般出现都是随意的，为了可以稳定在相对时效内，对受限的电能节点可以通过休眠或唤醒机构来达成过程，就需要在受限的电能节点的不同位置上设置好相应的时间唤醒次数（标记为N），此外还需要利用询问的手法对城市提取自身需要的资料，CD1002在423MHz当中的频率段节的最大数值的速率达到了20.1每秒，从而可以得知一条储存容量为126的消息数据需要用时49ms完成，而为了避免侦听和载波处理时长，其对唤醒机构的设置保持侦听的时长约为任务时间T=100ms。基于利用视频唤醒机构来达成受限节点调控的设备，其在没有任务时，内部射频接收模块和中心机构是处于休眠程式的，只有当出现唤醒信号时，才会触动射频板块和核心，进而对信息进行处理。射频受限的调控和实时反馈是对功耗的最大效益体现。

    3 结语

    本文通过一系列的方案和构想阐述了低功耗无线网络射频传感器的设计想法，利用相关专业技术辅以创新的构思，达成一个更为优质的传感器程式的设定，对于提出的利用无线网络节点来运行的传感器系统，其能够依照独立的射频唤醒单元技术达成传感器载体的适应，从而将各种载波进行资源传输，进而反馈到信号网络程式当中，将核心机制唤醒，最终达成射频单元的数据流通和收集。比起传统模式下运作的周期性唤醒机制，新的传感器无线程式的节点设计要更为准确、实时。其运用的低能耗模式射频技术对于现实社会发展来说更具作用力和发展力。广义的社会发展过程中，人们不断发掘新的机制，对于资源的重视也越发看重，为了更贴合生产需求和日常使用，本文提出的唤醒机制从根本上改革了传统高耗能高频率的传感器体系，至于能耗的降低而言，有着重大而必然的意义。

    传感器唤醒技术的提升对于日后在多个领域当中的应用都有众多优势。无线传感器网络通讯协议之于人们的生活，和环保节能的状况都有着重大的促进性，现时低功耗实时性无线传感技术已经被多方人员纳入研究的重点行列。

    [参考文献]

    [1]肖文洋.适用于无线传感器网络的低功耗射频唤醒技术研究[D].成都：电子科技大学，2014.

    [2]吴晨健.无线传感网低功耗射频发射关键技术研究与芯片设计[D].南京：东南大学，2013.

    [3]曾军.无线传感网射频芯片中低功耗压控振荡器的研究与实现[D].南京：东南大学，2011.

    [4]吴鹏程，鲜晓东，蔡章利，等.一种新型唤醒机制的无线传感器网络节点设计[J].传感器与微系统，2008（4）：80-82.

    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