一种物联网节点唤醒接收装置及其唤醒方法与流程

本发明属于无线传感器节点、体域网节点等物联网节点的唤醒技术领域，具体涉及一种物联网节点唤醒接收装置及其唤醒方法。

背景技术：

无线传感器节点、体域网节点等物联网节点常用的唤醒方法主要包括外部触发唤醒和内部定时唤醒两种。其中，外部触发唤醒常采用无线电唤醒，即利用外部无线电信号唤醒节点，是一种按需唤醒机制，节点采用无线电唤醒接收装置(wake-upreceiver)接收并解调无线电唤醒信号。由于唤醒接收装置需一直处于工作状态，且其接收灵敏度限制了节点的通信距离，故要求其具有高灵敏度、低功耗的特点。目前，典型的无线传感器网络工作环境要求唤醒接收装置的平均功耗低于100μw，但是，传统的超外差式等无线电接收机功耗过高，而超低功耗的无源包络检波接收机的灵敏度无法满足系统应用需求。因此，高灵敏度、低功耗唤醒接收装置技术是wsn、体域网、有源/半有源rfid等领域的研究热点。

“a3-μw868-mhzwake-upreceiverwith-83dbmsensitivityandscalabledatarate”europeansolid-statecircuitsconference(esscirc)公开了一种采用间歇式工作的唤醒接收装置，即高速周期性地开/关接收机以使其工作在低占空比模式，在开启状态“寻找”唤醒信号，在关闭时进入休眠状态。

如图1所示，该种间歇式工作的唤醒接收装置主要包括低噪声放大器、混频器、振荡器、包络检波器、比较器、脉冲控制器以及滤波器等。唤醒接收装置的工作由脉冲控制器控制，通过高速开关使得接收机间歇式工作。如图2所示的采样图可以看出，一个周期内唤醒接收装置的开启时间远远小于其关闭时间，且一个数据位大约有四个唤醒周期。

但是，图1所示唤醒接收装置具有将射频信号混频至中频解调，所用射频放大器及中频放大器及振荡器均使总功耗较大等诸多缺点。

“anewapproachtolow-powerandlow-latencywake-upreceiversystemforwirelesssensornodes”(ieeeinternationalsolid-statecircuitsconferencedigestoftechnicalpapers(jssc),2012)公开了一种唤醒接收装置，具有两种工作模式：监听模式和接收模式。如图3所示，该唤醒接收装置主要包括放大器、包络检波器、模数转换器以及控制电路。一般状态下，唤醒接收装置的开关受控制电路控制，即周期唤醒，一定时间后开启唤醒接收装置“搜索”有无唤醒信号，当检测到唤醒包的开始帧数据后，控制电路会使得开关闭合，不再断开，即进入数据接收模式。

图4为图3所示唤醒接收装置在两种工作模式下的时序图，其中，rx表示主接收机，wurx表示唤醒接收装置，tx表示发射机，在主接收机没有被唤醒接收装置的唤醒信号激活之前，一直处于睡眠模式，在这期间，唤醒接收装置处于工作状态。发射机在发射通信数据之前，会发射一个唤醒包以确认接收机状态，唤醒包基本包括两个部分：开始帧和节点id数据，对应这两个部分，唤醒接收装置有两种工作模式：监听模式和接收模式。监听模式采用周期唤醒，并且使唤醒接收装置在低占空比下工作，用于监测发射机发送的唤醒包中开始帧部分。当监测到唤醒包的开始帧部分后，唤醒接收装置进入接收模式，此时唤醒接收装置停止周期唤醒，为一直开启状态。

但是，图3所示唤醒接收装置由于功耗最大的放大器一直处于开启状态，致使总功耗较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种物联网节点唤醒接收装置及其唤醒方法，在不牺牲唤醒接收装置灵敏度的情况下，有效降低唤醒接收装置的功耗。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种物联网节点唤醒接收装置,包括使能控制电路和唤醒电路，使能控制电路输出端连接唤醒电路受控端，唤醒电路输入端通过天线接收外部发射机发射的唤醒包。

进一步的，所述使能控制电路包括时钟计数电路、逻辑电路，时钟计数电路连接逻辑电路输入端，逻辑电路输出端设有比较器连接端、en使能端、s1使能端和s2使能端；

所述唤醒电路包括依次串联的匹配网络、低噪声放大器、包络检波器、基带放大器和比较器，匹配网络、包络检波器、基带放大器和比较器的供电回路均串联有开关en，低噪声放大器的供电回路中串联有开关s2，低噪声放大器两端并联开关s1；

比较器连接端连接比较器，en使能端用于控制开关en的通断，s2使能端用于控制开关s2通断，s1使能端用于控制开关s1通断。

本发明还公开了一种基于上述物联网节点唤醒接收装置的唤醒方法，包括以下步骤：

a、唤醒接收装置通过天线接收外部发射机发射的唤醒包；所述唤醒包包括开始帧和节点id数据两部分；

b、唤醒接收装置进入监听模式，唤醒电路以t为周期间歇性通电工作并循环监听唤醒包开始帧的有无；其中，t＜t，t表示开始帧持续时间；

在监听模式下，en使能端控制开关en以t为周期间歇性闭合和断开，s2使能端控制开关s2断开，s1使能端控制开关s1闭合。此时，低噪声放大器短路，唤醒电路的匹配网络、包络检波器、基带放大器、比较器周期性通电，唤醒接收装置检测开始帧；

c、检测到开始帧后，唤醒接收装置转换至数据接收模式，此模式下，en使能端控制开关en闭合，s2使能端控制开关s2闭合，s1使能端控制开关s1断开，唤醒电路中的匹配网络、低噪声放大器、包络检波器、基带放大器和比较器全部通电工作，在接收模式下，时钟计数电路停止工作，唤醒电路周期间歇性通电工作停止；

进一步的，所述周期t包括接收装置使能时间为ton和接收装置休眠时间为toff；开关en在接收装置使能时间ton内通电开启，开关en在接收装置休眠时间toff内断电关闭。

进一步的，所述t为900μs，t为1ms。

本发明的有益效果是：

1.通过采用使能控制电路单独控制低噪声放大器，实现在监听模式下关闭低噪声放大器并周期性开启唤醒电路的其他模块，在保证唤醒接收装置接收灵敏度的同时，使低噪声放大器仅仅在接收数据时开启，有效减小了唤醒接收装置功耗。

2.通过使能控制电路的en使能端、s1使能端和s2使能端分别控制唤醒电路各模块开关的通断，实现了控制唤醒电路中每一个模块的工作状态，且使低噪声放大器能够自动切换至通电工作和短路两个状态，同时，使时钟计数模块能够在接收模式下停止计数，最大限度减小了唤醒接收装置功耗；

3.通过采用监听、接收所构成的唤醒方法，同时配合低噪声放大器在两种状态下的开关状态的转换，在保证接收机灵敏度的同时，大大降低了唤醒接收装置的功耗。

附图说明

图1为现有技术一的结构示意框图；

图2为图1的时序图；

图3为现有技术二的结构示意框图；

图4为图3的时序图；

图5为本发明的结构示意图框图；

图6为图5的时序图；

图7为本发明中唤醒方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图5所示，本发明公开了一种物联网节点唤醒接收装置，包括使能控制电路和唤醒电路，使能控制电路输出端连接唤醒电路受控端。

使能控制电路包括时钟计数电路、逻辑电路，时钟计数电路连接逻辑电路输入端，逻辑电路输出端设有比较器连接端、en使能端、s1使能端和s2使能端；

唤醒电路输入端通过天线接收外部发射机发射的唤醒包，唤醒电路包括依次串联的匹配网络、低噪声放大器、包络检波器、基带放大器和比较器，匹配网络、包络检波器、基带放大器和比较器的供电回路均串联有控制对应供电回路通断的开关en，低噪声放大器的供电回路中串联有控制低噪声放大器供电回路通断的开关s2，低噪声放大器两端并联有控制低噪声放大器短路的开关s1；

比较器连接端连接比较器，en使能端用于控制开关en的通断，s2使能端用于控制开关s2通断，s1使能端用于控制开关s1通断。

本发明还公开了一种基于上述物联网节点唤醒接收装置的唤醒方法，如图7所示，包括以下步骤：

a、唤醒接收装置通过天线接收外部发射机发射的唤醒包；唤醒包包括开始帧和节点id数据两部分；

b、唤醒接收装置进入监听模式，唤醒电路以t为周期间歇性通电工作并循环监听唤醒包开始帧的有无；其中，t＜t，t表示开始帧持续时间；例如t为900μs，t为1ms。

在监听模式下，唤醒接收装置负责监测发射机唤醒包的有无，通过监测唤醒包的开始帧实现。此模式下，时钟计数模块工作，与逻辑电路共同作用使得开关en以t为周期间歇性闭合和断开，开关s1闭合，开关s2断开。开关en周期性地闭合断开使得其控制的匹配网络、包络检波器、基带放大器以及比较器周期性间歇通电工作，开关s1闭合及开关s2断开则会使得低噪声放大器短路，从而避开这一耗能模块以减小功耗。

唤醒接收装置的时序如图6所示，在监听模式下，t表示唤醒接收装置的一个周期，包括接收装置使能时间为ton和接收装置休眠时间为toff；开关en在接收装置使能时间ton内通电开启，开关en在接收装置休眠时间toff内断电关闭。在一个周期t内，开关s1闭合，而仅在ton时间内，开关en闭合，其余时间开关en关闭。可以看出唤醒接收装置在监听模式下时，为低占空比下工作，并且此时开关s2断开，即唤醒接收装置中最为耗能的低噪声放大器没有工作，因此，接收机的功耗大大减小。在监听模式下，开关s1一直处于闭合状态、开关s2一直处于断开状态。

由于监听模式下，是为了监听唤醒包开始帧的有无，因此对唤醒接收装置的间歇周期要求不高。例如，唤醒包开始帧的持续时间为1ms,那么唤醒接收装置的周期t小于这个时间即可，例如t取值为900us。本发明不需要高速地开关接收机，只要在开始帧的持续时间内，监测到信号即可，这样最大程度的减小了功耗。

c、检测到开始帧后，唤醒接收装置转换至数据接收模式，此模式下，en使能端控制开关en闭合，s2使能端控制开关s2闭合，s1使能端控制开关s1断开，唤醒电路中的匹配网络、低噪声放大器、包络检波器、基带放大器和比较器全部通电工作，在接收模式下，时钟计数电路停止工作，唤醒电路周期间歇性通电工作停止；

当唤醒接收装置监测到唤醒包开始帧后，进入数据接收模式。此模式下，接收机负责接收唤醒包的数据，接收完成，经过比较器比较后输出。

在此模式下，时钟计数模块停止工作，其余各模块均处于工作状态。由于监测到唤醒包的开始帧，逻辑电路此时将控制开关s1断开，s2闭合，并且此模式下en不再周期性的关断，而是一直处于闭合状态，如图6所示时序图，接收机在接收模式下一直处于开启状态。

唤醒接收装置灵敏度表达公式如下：

pin(min)(dbm)＝-174(dbm/hz)+nf(db)+10lgb+snrout(min)(db)

由唤醒接收装置灵敏度表达公式可以看出，灵敏度的影响因素主要有噪声系数、带宽以及输出信噪比。本发明所述的唤醒接收装置在监听模式下，负责监测唤醒包的开始帧，在降低功耗的同时，并没有牺牲灵敏度。需要指出的是，唤醒包的开始帧与唤醒包中所包含的节点id数据相比，开始帧传输速率非常小，即意味着在开始帧部分对传输信道的带宽要求更低，带宽更低，同时，灵敏度也会更好。因此，虽然在监测模式下，接收机没有开启低噪声放大器取得增益，但这并没有使接收机的灵敏度变差，反而极大地减小了接收机的总功耗。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。