低功耗射頻喚醒無線傳感器網絡設計

彭芬

摘 要：由于傳統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制有著一定的弊端，對通訊網絡的咨詢反饋不及時，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絡射頻喚醒技術。低功耗的射頻喚醒技術對于無線傳感器網絡來說，其節點經過電波的流動來收集能量，準時喚醒機體自身，最終實現成效性。根據性能分析報告發現，新型的低功耗射頻喚醒無線傳感程式較之傳統喚醒程式來說，其節點體系具備更優的穩定性和較少的耗能，對于支持往后的生活需求以及生產運營來說都有著重大意義。

關鍵詞：低功耗；射頻喚醒；無線傳感器

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

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成一個完整的無線傳感器節點。而關于這4點的接受程式、信息的掌控了解、運算能耗的產生等因由，人們作了相當的關聯性實驗，而詳細的實驗成果如圖1所示。作為資源的通信節點，通信板塊的能耗是其中占據資源損耗最大的，為了更好地調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。當節點沒有感知到相關信息時，休眠程式自動會讓主頻進入睡眠。進而抑制后續可能產生的無謂工序，對于調控傳感器節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

依照James 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會出現變化中的電場，最終讓能量經由相互變換的電磁場輻射擴散。接受線路可以從變動中的電磁場當中獲取到工作時需要的能量，也就是利用波束進行供電運行，對射頻能量的轉化可以直接變換成直流電用作內在電路的運作。纖細的供電波束遠離如圖2所示。通過天線接獲電感及電容值C1上出現的震電流因，此后，電流流經二極管道的后半部分，再通過電容的C2達成電量存儲，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要更為嚴峻一些。和一般的喚醒技術一樣，當射頻喚醒節點在接收到和載波波頻相當的噪聲甚至是別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電流感應，而當這個時候，喚醒機構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據的流通，因此人們將這種現象稱作誤喚醒現象。一般來說，誤喚醒會出現過多無謂資源的能量損耗問題，為了更好地處理這個問題，經過認真的構思和深入的實驗后，將導頻計數程式安裝在射頻喚醒機構內，只有當射頻元件接受到一定數量的數據之后，方可帶動喚醒節點的啟動，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，節點獲取到的不是針對自身喚醒出現的導頻信號，但也同樣依照常規發展被喚醒機構喚醒而收集信息的情況稱為無效的喚醒，當這種情況出現時，其收集到的資料通常不會是節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行改革，利用加載地標信息來區分領域接受情況，當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。一旦喚醒機構內接收到喚醒波頻，節點通過程式的喚醒，將射頻反饋到機構核心中，從而辨別出其中有效的地址信息，假如不是在范疇內的地址，喚醒射頻就可以不進行喚醒步驟，且拒絕接收所感應到的非指定地數據資源。通過這種方式，可以降低能量的無效喚醒帶來的損耗。

2 低功耗無線網絡射頻喚醒傳感器節點

2.1 硬件的總體架構

絕大多數情況下，對于無線傳感器的網絡協議規條當中的設定，都沒有硬性要求傳感器內部的全部組件節點都需要利用電池維持供電。比方說TEEI804.14.3/Zigbea協議，該協議從功用的角度將網絡設施劃分成2個板塊，分別是功能的簡化設施以及全功能形式的設施（簡化設施簡稱為RFD，全功能設施簡稱為FFD）。作用于整個網絡的協調穩定運作的功能協調儀器與路由功用的路由器都是依賴全功能設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，并能經常打開視頻機構進行資源的收集傳輸，以確保信息的實時性與準效性。而為了了解和探索低功用耗能的射頻喚醒網絡節點傳感器技術的節點硬件構造，本文從能源的損耗角度出發，將節點特質大致劃分成2個類型：一個是電能受限制設備（簡稱為PLD），通常用于需要嚴格遏制電能耗能方面的，常常指代的是電池供電設施；而另一個則是不受限制的電能設備（簡稱為PUD），因為其作用于可以維持長期供電電源的構件上，并不會造成過大損耗，所以不需要嚴苛的限制。

2.2 分析功耗和實時性

因為不受限的電能設備其節點對損耗沒有嚴苛的劃分，從而可以體現出網絡無線傳感器節點性能特點的主要集中在受限的電能設備節點上，對于日常機構運作與生產發展都有著廣泛的涉獵。接下來本文將對構想的低功耗網絡無線傳感器受限節點和傳統的休眠或喚醒機構設置的受限電能設備進行節點的功耗與實時性分析。

現在可以假設某個地區的單位一項任務的時間點為T（例如10分鐘）之內會發生一次，不過一般出現都是隨意的，為了可以穩定在相對時效內，對受限的電能節點可以通過休眠或喚醒機構來達成過程，就需要在受限的電能節點的不同位置上設置好相應的時間喚醒次數（標記為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當中的頻率段節的最大數值的速率達到了20.1每秒，從而可以得知一條儲存容量為126的消息數據需要用時49ms完成，而為了避免偵聽和載波處理時長，其對喚醒機構的設置保持偵聽的時長約為任務時間T=100ms?；诶靡曨l喚醒機構來達成受限節點調控的設備，其在沒有任務時，內部射頻接收模塊和中心機構是處于休眠程式的，只有當出現喚醒信號時，才會觸動射頻板塊和核心，進而對信息進行處理。射頻受限的調控和實時反饋是對功耗的最大效益體現。

3 結語

本文通過一系列的方案和構想闡述了低功耗無線網絡射頻傳感器的設計想法，利用相關專業技術輔以創新的構思，達成一個更為優質的傳感器程式的設定，對于提出的利用無線網絡節點來運行的傳感器系統，其能夠依照獨立的射頻喚醒單元技術達成傳感器載體的適應，從而將各種載波進行資源傳輸，進而反饋到信號網絡程式當中，將核心機制喚醒，最終達成射頻單元的數據流通和收集。比起傳統模式下運作的周期性喚醒機制，新的傳感器無線程式的節點設計要更為準確、實時。其運用的低能耗模式射頻技術對于現實社會發展來說更具作用力和發展力。廣義的社會發展過程中，人們不斷發掘新的機制，對于資源的重視也越發看重，為了更貼合生產需求和日常使用，本文提出的喚醒機制從根本上改革了傳統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。

傳感器喚醒技術的提升對于日后在多個領域當中的應用都有眾多優勢。無線傳感器網絡通訊協議之于人們的生活，和環保節能的狀況都有著重大的促進性，現時低功耗實時性無線傳感技術已經被多方人員納入研究的重點行列。

[參考文獻]

[1]肖文洋.適用于無線傳感器網絡的低功耗射頻喚醒技術研究[D].成都：電子科技大學，2014.

[2]吳晨健.無線傳感網低功耗射頻發射關鍵技術研究與芯片設計[D].南京：東南大學，2013.

[3]曾軍.無線傳感網射頻芯片中低功耗壓控振蕩器的研究與實現[D].南京：東南大學，2011.

[4]吳鵬程，鮮曉東，蔡章利，等.一種新型喚醒機制的無線傳感器網絡節點設計[J].傳感器與微系統，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