[发明专利]一种小范围无线传感网络的节点同步方法

说明书

技术领域

无线传感网络系统的技术领域，解决在网络低能耗情况下的节点同步机制。

背景技术

无线传感网络是由很多节点通过无线射频方式彼此通信的网络结构。每个节点一般由传感单元、处理单元，以及通信单元组成，也有部分节点具有控制外部机械系统或电气系统的控制单元。传感部分主要的任务是将需要监测的数据通过一定的模式读入节点。通信单元是射频模块，负责在各个节点间建立统一的通信通道并相互通信。处理单元负责处理传感器接收到的数据，也负责处理通信单元的数据。处理单元同时也协调节点上各个功能单元的协同。

无线传感网络在过去的十多年在学术界研究很深入。近年来，随着各种标准机构的推广和政府部门的支持，工业方面的应用正在如火如荼的展开。尽管如此，目前无线传感网络仍然没有被市场广泛采用。究其原因，其中最重要的一个问题是能耗问题始终没有有效的解决方案。无线传感网络的能耗是指各个节点的能耗。一般来说，要使无线传感节点之间能真正的实现无线连接，他们之间就不可能存在电源线，因而电池供电是根本的方式。因为电池容量有限，节点在工作状态的能耗就极大地影响节点的寿命。目前一般工业无线传感产品的节点耗能在几十毫安量级。考虑到电池的容量一般在几百到几千毫安时，无线传感节点一般只能处于工作状态几十个小时。对于无线传感网络要解决的多数问题，这么短的寿命是不能被市场接受的。

解决无线传感网络的寿命问题常用的方法是让传感节点多数时间处于睡眠状态，在需要的时候才苏醒。目前微电子技术的发展，使得节点在睡眠时的能耗可以控制在几个到几十个微安，有时候甚至可以做到零点几个微安。假设传感器的节点的工作周期占整个生命周期的千分之几，节点的寿命就可以达到几年。市场就可以接受这种解决方案。

让节点在多数时间处于睡眠状态，对无线传感网络来说是个理想状态。无线传感网络的连接是通过射频无线方式。跟有线连接不同的是，一个处于信息发送端的节点不能通过通信媒体唤醒目的节点。目的节点必须在信息到来之前苏醒，打开射频收发器并使之处于接收状态。从而，此类无线传感网络的一个根本的通信问题就是目的节点和源节点的同步苏醒。一方面因为发送节点的事件触发具有随机性，另一方面由于晶振漂移的不确定性，节点之间的同步问题就变得复杂。

为了解决同步的问题，当前比较成熟的算法是允许处于网络终端的节点保持短工作周期、长时间处于睡眠状态，而强制具有路由器作用的节点处于常醒常听模式。这样，终端节点每次醒来后可以自由和网络进行信息交换。终端节点因为可以保持很低的工作周期而维持低能耗，长寿命。对于一些应用，比如有条件给路由器提供常电，但对终端节点的寿命要求很高，这个算法实行起来非常有效。然而，这其中的问题是路由节点不能进入睡眠状态省电，因而不得不用市电或者其他无穷能量的供电方式。

发明内容

本发明所要解决的问题是，无限传感网络的所有节点，包括路由节点，都可以进入睡眠状态，保持低功耗。通过本发明所阐述的方法，尽管所有节点都在多数时间里处于睡眠状态，他们仍然可以同步地发送和接收数据，完成网络功能。

一个无线网络中存在多个节点。这些节点可以通过功能划分为，同步器，路由器，和终端节点。同步器负责在网络中提供同步功能。路由器是网络中能够对信息进行转发功能的节点。终端节点是网络中可以收发信息但是不做信息转发的节点。因为是通过功能划分，同步器可以是独立的节点或者由别的节点代理。

同步器的射频覆盖范围很大，可以覆盖到网络中所有节点。路由器和终端节点的射频覆盖范围较小。为了各个节点能够达到同步，所有节点都将网络中同步器的时钟当作参考时钟。在每次从睡眠状态转为工作状态后，每个节点需要获取同步器的时钟。下次睡眠时间是基于同步器的时钟而不是自身的时钟。这样，网络节点可以实现同时工作同时睡眠的理想状态。

同步器在每次苏醒后使用大发射功率广播同步帧到全网络，统一全网络的时钟信息。该同步帧可以直接到达网络中的每个节点。同步帧中包含下次苏醒的时间信息。

网络中的节点苏醒后，先进入接收状态接收同步帧。节点记录收到同步帧的时间。然后开始正常的通信。在信息收发完成后，节点根据同步帧的下次苏醒时间计算新的睡眠时间，确保可以收到下一个同步帧。

网络中所有由电池供电的节点周期性地进入睡眠状态，这些节点总是睡眠一段时间后苏醒，工作一段时间后进入下次睡眠，然后再苏醒，再睡眠，周而复始。网络中的节点的工作步骤包含下边的内容：

步骤一：节点睡眠周期结束而苏醒，除同步器外，所有节点进入射频接收状态；

步骤二：网络中的同步器发送同步帧到全网络；