专利名称：基于太阳能的工业无线传感器网络系统及其休眠唤醒方法
设置该孤立节点为自身网络的一个数据采集器，发出确认帧进行确认。 因此，本发明数据处理系统及处理方法，成本低，处理精确。 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而 非限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普 通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替 换，而不脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。述的多种优点，太阳能可以有效使用在低功率设备和远距离应用场合中。 太阳能仅依靠一天之中的少数日照时间即可存储充足能量，当没有太阳光 时，太阳能电池释放所存储的能量，来维持系统的供电需求。为此，基于太阳能的诸多优点和出于节能和环保的考虑，本发明引入太 阳能供电的思想，为传感器网络系统提供能量来源，延长了网络的生命期， 提供一种可持续发展的无线传感器网络结构。此外，从多方面来综合考虑太 阳能无线传感器网络中节点的休眠唤醒方法，如所述的基于太阳能电池状态、 无线信道状态和太阳光辐射状态等，综合考虑权衡，为基于太阳能供电的无 线传感器网络系统提供更好的节能保障。发明内容为了解决现有技术中周期性休眠和自适应休眠存在的问题，基于太阳 能的诸多优点和出于节能和环保的考虑，本发明提供了一种基于太阳能的 无线传感器网络系统，以使网络工作更稳定，延长网络的生命期，提供一 种可持续发展的网络结构；以及一种休眠唤醒方法，为系统提供更有效的 节能保障。为了实现上述目的，本发明提供的一种基于太阳能的工业无线传感器 网络系统，该系统包括太阳能收集器，用于收集太阳光能量；能量存储单元，与所述太阳能收集器连接，用于将所述太阳能收集器收 集的太阳光能量存储并提供存储的能量给传感器节点；传感器节点，与所述能量存储单元连接，由所述能量存储单元存储的能 量供电，根据网络系统的性能获取相关休眠唤醒参数，将所述休眠唤醒参 数与预先设定的门限值进行比较，以确定传感器节点的状态。其中，所述太阳能收集器包括-太阳能电池，用于为所述的传感器节点供电；设置该孤立节点为自身网络的一个数据采集器，发出确认帧进行确认。 因此，本发明数据处理系统及处理方法，成本低，处理精确。 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而 非限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普 通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替 换，而不脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。断所述太阳光辐射的状态值大小，如果高于所述从休眠模式转入活动模式的 临界值，则节点从休眠模式转入活动模式，如果低于所述从休眠模式转入活 动模式的临界值，节点则继续处于休眠模式，在下一时隙继续读取太阳光辐 射的状态值。所述预先设定的门限值为节点从活动模式转入休眠模式的临界值；当所 述休眠唤醒参数为太阳能电池状态值时，所述步骤3具体为判断所述太阳能电池状态值是否低于所述从活动模式转入休眠模式的临界值，如是，则从 活动模式转入休眠模式，如高于，则继续处于活动模式并且在下一时隙获取 太阳能电池状态值。所述预先设定的门限值为节点从活动模式转入休眠模式的临界值；当所 述休眠唤醒参数为无线通信信道的状态值时，所述步骤3具体为判断所述 无线通信信道的状态值是否低于所述从活动模式转入休眠模式的临界值，如 是，则从休眠模式转入活动模式；否则，继续处于活动模式在下一时隙继续 读取无线通信信道的状态值。所述预先设定的门限值为节点从活动模式转入休眠模式的临界值；当所述休眠唤醒参数为太阳光辐射的状态值时，所述步骤3具体为判断所述太阳光辐射的状态值是否低于所述从活动模式转入休眠模式的临界值，如是，则从休眠模式转入活动模式；否则，继续处于活动模式在下一时隙继续读取 太阳光辐射的状态值。因此，本发明通过提供基于太阳能的无线传感网络系统，以及无线传感 器网络中依靠信道状态、太阳能电池状态、太阳光辐射的状态来进行休眠唤 醒的方法，有效的延长了网络的生命期，提供一种可持续发展的网络结构， 并为系统提供更好的节能保障。
图1是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统结构图。图2是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统的节点供电模型图。图3是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统中的节点太阳能电池伏安特性曲线图。图4是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统中基于节点太阳 能电池状态的休眠唤醒方法流程图。图5是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统中基于无线通信 信道状态的休眠唤醒方法流程图。图6是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统中基于太阳光辐 射状态的休眠唤醒方法流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述。图1是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统模型图主要由外 部环境、太阳能收集器l、能量存储单元2和传感器节点3构成。所述的外部 环境包括影响太阳能辐射状态的风、云层、纬度等因素，所述的太阳能收集 器1包括太阳能电池11、控制电路12，太阳能电池为所述的传感器节点2供 电；控制电路12，与所述太阳能电池连接，控制系统的工作状态，并对太阳 能电池起到过充电保护、过放电保护；所述的能量存储单元2包括多层能量 存储器21如第一层能量控制器...第N层能量控制器和充电控制和切换电路 22，多层能量存储器21里存储着由所述的太阳能收集器所收集的能量，可通 过选择能量存储的层数，来选择所述的能量存储单元的容量的大小，层数越 多，所能存储的能量越大；充电控制和切换电路22，与所述的多层能量存储 器连接，用于控制所述的多层能量存储器的层数和切换选择；所述的传感器 节点是构成整个系统通信的核心用于获取所述能量存储单元存储的能量，获取休眠唤醒参数，将所述休眠唤醒参数与预先设定的门限值进行比较，以确定传感器节点的状态，该门限值可根据网络的性能和环境等因素进行调整。其供电模型如图2所示。图2是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统的节点供电模型图。由太阳能电池器l如太阳能电池板l收集太阳能，经过能量存储和转化，来供应传感器节点3的能量需求。如果在比较恶劣的条件下，太阳光的辐射 不足时，由存储在电池ll中的能量来供电，其伏安特性曲线如图3所示。图3是本发明的基于太阳能的工业无线传感器网络系统中的节点太阳能 电池伏安特性曲线图，所述的曲线图是比较理想的状态。图中标识了太阳能 最大供电能量Pw以及相对应的电压电流极值Vm、 Im，通过欧姆定律可以得 到所述的太阳能电池的最大负载阻抗。图1中所述的太阳能收集器中的控制 电路会合理的搭配阻抗以免能量的浪费。在工业无线传感器网络中引入太阳能供电的思想，为传感器网络系统提 供能量来源，正是基于太阳能的诸多优点，和出于节能和环保的考虑。此外， 一般的传感器网络系统考虑的都是为节点提供普通电池供电，这不仅限制了 能量的容量，导致节点电池更换的较频繁，还会导致节点没有能量供给而停 止工作，破坏网络路由，影响整个系统的性能。而基于太阳能供电的无线传 感器网络不仅使网络工作更稳定，延长了网络的生命期，提供了一种可持续 发展的网络结构。本发明基于太阳能的工业传感器无线网络系统提供了一种休眠唤醒方 法，该方法预先设定了门限值，其中设置了两个门限值，分别对应着节点从 休眠模式转入活动模式和节点从活动模式转入休眠模式的临界值。并且基于 太阳能电池状态、无线信道状态和太阳光辐射状态这三个休眠唤醒参数与这 些门限值的比较来决定下一时隙传感器节点的状态。门限值是基于网络系统 的性能和环境等因素来决定的，可动态调整，基于太阳能电池状态、无线信 道状态和太阳光辐射状态三种不同的休眠唤醒方法中可选择不同的值。如图4所示为本发明基于太阳能的电池状态进行休眠唤醒的方法。该方 法包括步骤41，根据太阳能电池板收集太阳能的状态和电池中所存储的能量生 成一个太阳能电池状态值；步骤42，开始判断传感器节点的状态；如当前状态是休眠状态则执行步 骤43;如当前状态是活动状态则执行步骤45;步骤43，判断该时隙传感器节点的太阳能电池状态值是否高于预先设定 的门限值l即从休眠模式转入活动模式的临界值，如是，则执行步骤40从休 眠模式转入活动模式，否则执行步骤44继续处于休眠模式，并且在下一时隙 继续读取太阳能电池状态值。步骤45，判断该时隙传感器节点的太阳能电池状态值是否低于预先设定 的门限值2即从活动模式转入休眠模式的临界值，如是则从执行步骤46活动 模式转入休眠模式，否则执行步骤47继续处于活动模式，并且在下一时隙继 续读取太阳能电池状态值。如图5所示为本发明基于无线通信信道的状态值进行休眠唤醒的方法。 该方法包括步骤51，根据传感器节点间之前时隙的数据传输和信息丢失碰撞等因素 来预测下一时隙的信道状态值；步骤52，开始判断传感器节点的状态；如当前状态是休眠状态则执行步 骤53;如当前状态是活动状态则执行步骤55;步骤53，判断该时隙传感器节点的信道状态值是否高于预先设定的门限 值1即从休眠模式转入活动模式的临界值，如是，则执行步骤40从休眠模式 转入活动模式，否则执行步骤44继续处于休眠模式，并且预测下一时隙的信 道状态值。步骤55，判断该时隙传感器节点的信道状态值是否低于预先设定的门限 值2即从活动模式转入休眠模式的临界值，如是则从执行步骤56活动模式转入休眠模式，否则执行步骤57继续处于活动模式，并且预测下一时隙的信道 状态值。如图6所示为本发明基于太阳光辐射状态进行休眠唤醒的方法。该方法包括步骤61，根据太阳能电池板收集太阳能的状态生成一个关于太阳光辐射 强度的状态值，传感器节点读取该时隙的太阳光辐射状态值；步骤62，开始判断传感器节点的状态；如当前状态是休眠状态则执行步 骤63;如当前状态是活动状态则执行步骤65;步骤63，判断该时隙传感器节点的太阳光辐射状态值是否高于预先设定 的门限值l即从休眠模式转入活动模式的临界值，如是，则执行步骤60从休 眠模式转入活动模式，否则执行步骤64继续处于休眠模式，并且在下一时隙 继续读取太阳光辐射状态值。步骤65，判断该时隙传感器节点的信道状态值是否低于预先设定的门限 值2即从活动模式转入休眠模式的临界值，如是则从执行歩骤66活动模式转 入休眠模式，否则执行步骤67继续处于活动模式，并且在下一时隙继续读取 太阳光辐射状态值。上述网络的休眠唤醒的三种机制为所述的系统有效的提供节能方式。而 且，从多方面的角度来考虑休眠唤醒方法，如所述的基于太阳能电池状态、 无线信道状态和太阳光辐射状态等，从多方面来考虑权衡，考虑所述的太阳 能无线传感器网络系统的休眠唤醒方法。而本发明基于上述三种休眠唤醒方法，综合考虑所述的太阳能的工业无 线传感器网络系统的各方面性能，如信道状态、太阳能电池状态、太阳光辐 射的状态等，按照一定的优先机制可以预先设置信道状态为最高优先级进行 休眠唤醒，其次是太阳能电池状态，最后是太阳光辐射的状态，但是本发明 并不限于此，综合信道状态、太阳能电池状态、太阳光辐射的状态选取休眠 唤醒方法，为系统提供更好的节能保障。当传感器节点在某时刻上述三个比较条件即当前传感器节点状态是休 眠，而此时的信道状态、太阳能电池状态、太阳光辐射的状态都满足高于门 限值1时，节点的休眠唤醒方法是基于所述几种状态的融合，为依赖于上述 所述的优先机制而进行的综合休眠唤醒方法；当该场合该时刻只满足其中的方法时，节点的休眠唤醒方法是基于所述的单一状态。实际应用中，可先对该太阳能的工业无线传感器网络系统的节点状态 进行建模(如使用多维离散时间马尔可夫链)，以表示太阳能电池的容量、 无线通信的信道状态和太阳光辐射的状态等。提供的一种建模方法如下， 采取松弛效应的线性电池模型表示太阳能电池，采用有限状态马尔可夫链 模型表示无线通信信道，来捕获相关信道衰退过程，太阳光辐射过程用一 个随机过程并结合风速风向等具体参数表示。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案 而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细说明，本领域 的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者 等同替换，而不脱离本发明实施技术方案的精神和范围。
权利要求
1、一种基于太阳能的工业无线传感器网络系统，其特征在于包括太阳能收集器，用于收集太阳光能量；能量存储单元，与所述太阳能收集器连接，用于将所述太阳能收集器收集的太阳光能量存储并提供存储的能量给传感器节点；传感器节点，与所述能量存储单元连接，由所述能量存储单元存储的能量供电，根据网络系统的性能获取相关休眠唤醒参数，将所述休眠唤醒参数与预先设定的门限值进行比较，以确定传感器节点的状态。
2、 根据权利要求1所述的基于太阳能的工业无线传感器网络系统，其特征在于所述太阳能收集器包括太阳能电池，用于为所述的传感器节点供电；控制电路，与所述太阳能电池连接，用于控制所述系统的工作状态， 并对太阳能电池进行过充电保护、过放电保护。
3、 根据权利要求2所述的基于太阳能的工业无线传感器网络系统， 其特征在于所述能量存储单元包括多层能量存储器，存储由所述太阳能收集器收集的能量，可通过选择 能量存储的层数，来选择能量存储容量的大小，层数越多，所能存储的能 量越大；充电控制和切换电路，与所述多层能量存储器连接，用于控制所述的 多层能量存储器的层数和切换选择。
4、 一种休眠唤醒方法，其特征在于包括步骤1，传感器节点根据网络系统的性能获取相关休眠唤醒参数； 步骤2，判断所述传感器节点的当前状态；步骤3，将所述休眠唤醒参数与预先设定的门限值进行比较，根据所 述当前状态，以确定传感器节点下一时隙的工作状态。
5、 根据权利要求4所述的休眠唤醒方法，当所述休眠唤醒参数为太阳能电池状态值时，其特征在于，所述预先设定的门限值为从休眠模式转 入活动模式的临界值；所述步骤3具体为判断所述太阳能电池状态值的 大小，如果高于所述从休眠模式转入活动模式的临界值，则节点从休眠模 式转入活动模式，如果低于所述从休眠模式转入活动模式的临界值，节点 继续处于休眠模式，并且在下一时隙继续获取太阳能电池状态值。
6、 根据权利要求4所述的休眠唤醒方法，当所述休眠唤醒参数为无线通信信道的状态值时，其特征在于，所述预先设定的门限值为从休眠模式转入活动模式的临界值；所述步骤3具体为判断所述预测的无线通信 信道的状态值大小，如果高于所述从休眠模式转入活动模式的临界值，则 节点从休眠模式转入活动模式，如果低于所述预先设定的门限值4，节点 则继续处于休眠模式，并预测下一时隙无线信道的状态值。
7、 根据权利要求4所述的休眠唤醒方法，当所述休眠唤醒参数为太 阳光辐射的状态值时，其特征在于，所述预先设定的门限值为从休眠模式 转入活动模式的临界值；所述步骤3具体为判断所述太阳光辐射的状态 值大小，如果高于所述从休眠模式转入活动模式的临界值，则节点从休眠 模式转入活动模式，如果低于所述从休眠模式转入活动模式的临界值，节 点则继续处于休眠模式，在下一时隙继续读取太阳光辐射的状态值。
8、 根据权利要求4所述的休眠唤醒方法，其特征在于所述预先设定 的门限值为节点从活动模式转入休眠模式的临界值；当所述休眠唤醒参数 为太阳能电池状态值时，所述步骤3具体为判断所述太阳能电池状态值 是否低于所述从活动模式转入休眠模式的临界值，如是，则从活动模式转 入休眠模式，如高于，则继续处于活动模式并且在下一时隙获取太阳能电 池状态值。
9、 根据权利要求4所述的休眠唤醒方法，其特征在于，所述预先设 定的门限值为节点从活动模式转入休眠模式的临界值；当所述休眠唤醒参 数为无线通信信道的状态值时，所述步骤3具体为判断所述无线通信信设置该孤立节点为自身网络的一个数据采集器，发出确认帧进行确认。 因此，本发明数据处理系统及处理方法，成本低，处理精确。 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而 非限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普 通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替 换，而不脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
全文摘要
本发明涉及基于太阳能的工业无线传感器网络系统，包括太阳能收集器，能量存储单元和传感器节点。本发明还涉及一种休眠唤醒方法，包括传感器节点获取休眠唤醒参数；判断所述传感器节点的当前状态；将所述休眠唤醒参数与预先设定的门限值进行比较，根据所述当前状态，以确定传感器节点的状态。因此，本发明通过提供基于太阳能的无线传感网络系统，以及无线传感器网络中依靠信道状态、太阳能电池状态、太阳光辐射的状态来进行休眠唤醒的方法，有效的延长了网络的生命期，提供一种可持续发展的网络结构，并为系统提供更好的节能保障。
文档编号H02J7/35GK101232195SQ20081004678
公开日2008年7月30日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者帆 张, 王文青, 海 胡, 闵玉堂, 黄本雄 申请人:华中科技大学