[发明专利]IPv6无线传感器网络节能方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种IPv6无线传感器网络节能方案。

背景技术

无线传感器网络节点是无线传感器网络最基本的组成部分，负责信息的采集、处理和传输，无线传感器节点体积微小，通常使用的是能量有限的电池。由于传感器节点的计算能力、存储能力和通信能力非常有限，因此需要与距离较远的基站进行频繁通信。由时间衡量的网络生存时间-网络中所有节点的能量被耗尽或不再提供有效的事件检测，直接影响网络的有效性。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以无线传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。传感器节点由有限容量的电池供电。电池能量的有效利用对传感器网络的生存时间很关键，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的严重挑战。

现有无线传感器网络节点主要由控制单元、传感单元、电源单元、通信单元等部分组成。在网络实际运行过程中，能耗主要来源于处理、传感和无线传输三个操作。处理的能量消耗主要是由于微处理器执行指令的能量消耗，处理器处于激活状态与睡眠状态时的能量消耗有很大差别。传感器的能量消耗主要包括变换器(Transducer)、前端处理、A/D转换等操作，其能量消耗根据传感器的种类不同而有所不同，较低能耗传感器包括：温度，光强，加速度传感器等；较高能耗传感器包括：图像，视频传感器等。随着集成电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗越来越低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。在网络运行过程中，无线模块可能处于四种状态：发送、接收、空闲以及睡眠，这四种状态下的能耗是不一样的。无线通信能耗主要是无线模块在收发数据及空闲侦听时的能耗。为了有效节省能量，应该尽可能使无线模块睡眠。

发明内容

本发明的目的是提供一种IPv6无线传感器网络节能方法。

无线传感器网络节点一般比较微小，大多采用电池供电，而且节点数量大，更换电池比较麻烦，所以节能是无线传感器网络在实际应用中比较重要的部分。本发明分析了无线传感器网络中常用的节能方法以及传感器节点的各个模块能耗，结合具体的节点进行各个模块的能耗测试，去除能耗大并且不重要的器件。在此基础上，在分析了MCU即ATmegal28与射频芯片CC2420相关参数后，设计了节点休眠的机制和一种整个网络同步的休眠机制，提出了传感器网络休眠的调度算法和命令帧格式，最后总结了建筑物内节点的工作方式。

本发明采用的技术方案如下：

为节点配置低功耗且支持休眠机制的处理器和无线收发模块，将网络生存时间划分为若干等长时间段，每个时间段包括调度阶段和稳定阶段，在调度阶段，每个节点向周围发送广播包，告诉邻居节点自己的信息，该信息包括自己的ID号、剩余能量、位置，节点了解到所有邻居节点的位置后就能判别能否覆盖监控区域，然后节点依据各自的剩余电量来决定休眠优先权，剩余电量高的节点优先权低，剩余电量低的节点优先权高，如果多个节点的剩余电量一样，则以节点ID号作参考，ID号小的优先级高，在一个节点判决之后，该节点要向周围节点发送状态信息包，告诉邻居节点自己的状态：是否休眠，休眠多长时间，邻居节点在收到状态包后，就知道发包节点的状态，如果对方确定休眠，就要把该节点从自己的邻居表中删除，以免出现网络连通问题。节点如果不满足睡眠条件，则在当前时间段的稳定阶段内保持活跃状态，负责对目标区域进行感知、监测以及数据传输；如果满足睡眠条件，则将处理器设置成休眠模式，将无线收发模块设置成掉电模式，进入低功耗的睡眠状态，直到进入下一个调度阶段。

同时，为了保证上述过程的实现，在邻居发现过程中，为了防止多节点同时广播信息包，节点采用随机等待方式来发送，或者由协调者为每个节点分配一个发送时隙，节点在规定的时隙发送信息包，以避免冲突。当节点的计算和通信模块处于空闲状态时，将这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即休眠状态；

另外，本发明还通过采用以下方法中的一部分或全部来减少节点的能量消耗：对传感器节点采集的原始数据进行数据融合，去除冗余，仅发送有用信息；链路层采用优化措施，包括冲突避免与纠错；设计路由协议时，均匀使用节点能量和数据融合；保证网络内有“合适的”节点处于激活状态以保证网络连通性，使暂时不参与数据传输的节点处于休眠状态，将数据中继任务均衡地分布在所有节点上，以达到网络整体节能的目的；在进行网络协议设计时，减少控制报文的数量，同时通过报头压缩策略减少报头长度，从而减少通信流量，达到降低能耗的目的。

本发明具有以下优点：