專利名稱：一種低功耗無線數據采集器的制作方法
技術領域：
本發明屬于無線測控技術領域，特別是涉及無線傳感器、無線數據采集器的低功耗設計方法。
背景技術：
隨著微電子技術的進步，具有感知、計算和無線網絡通信能力的傳感器以及由其構成的無線傳感器網絡得到了迅速發展。無線傳感器網絡的應用十分廣泛。在工業應用方面主要用于涉及危險的火和化學物質的現場監測、機器運行狀態監測等；在農業應用領域是收集土地濕度、氮濃縮量和土壤的PH值等；在環境監測和保護領域，可以對工廠廢水、廢氣污染源排放進行實時監測；此夕卜，對森林防火、水文氣象數據、水電站大壩的安全運行都可以進行無線實時監測。傳感器網絡節點一般都由數據采集、數據處理、無線通信和電源等模塊組成。處理器通常選用嵌入式處理器，數據傳輸單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。由于無線傳感器節點通常設置在戶外等難以觸及的環境中，采用電池供電，節點能量有限、難以補充，因此降低功耗、延長使用壽命成為無線傳感器設計的核心問題，傳感器網絡的體系結構、通信協議、算法、電路和感知都必須滿足能量有效性。對于單個無線傳感器節點，除在硬件設計時采用低功耗元件外，動態功率管理(Dynamic Power Management,DPM)和動態電壓調節(Dynamic Voltage Supply, DVS)都能有效地降低系統功耗。常用的動態功率管理技術，將處理器設置活動模式、空閑模式和睡眠模式。在活動模式下，時鐘、晶振、處理器、存儲器正常工作，能量消耗最高；在空閑模式下，內核處理器停止工作，內部寄存器維持他們的當前數據，但是外圍電路仍然工作，能量消耗低于活動模式；在睡眠模式下，控制器內核和外圍電路停止工作，只有ADC時鐘樹運行，能量消耗最低。在空閑模式運行時，如果有 數 據發送或轉發時，系統切換到活動模式；在睡眠模式運行時，通過reset操作或開關電源，可以使節點重啟。一種典型的動態功率管理策略是，平時芯片工作在空閑模式，并關閉ADC模塊，只響應RF中斷，此時能量消耗非常低；當RF電路接收到數據包后，產生中斷，從而切換到活動模式，進行轉發或發送，當發送完畢后，再進入空閑模式。現有的這些動態功率管理技術，大多是從芯片、處理器的工作狀態和器件功率著手進行底層優化，較少結合無線傳感器的應用需求進行分析和優化。
發明內容
本發明的目的是基于對無線傳感器、無線測控設備或無線數據采集器應用特點的分析，提出一種新的動態功率管理方法，以降低無線設備的系統功耗，在有限的節點能量下延長設備的運行時間。一大類用于動態監測的無線傳感器網絡，具有以下特點:I)需要監測實時數據，但對數據的采樣頻率要求不高。例如，對于農業土壤指標的監測數據，往往每天提供一次監測數據就足夠了。另外一些自動取樣分析設備，由于處理和分析一個樣品的時間較長，也使數據的采樣頻率較低。2)需要監測動態數據，但對數據的實時性要求不是非常嚴格，數據滯后幾秒至幾分鐘是完全可以接受的。例如，對于水文氣象數據，如果不是用于實時天氣預報，基本并不需要實時，每小時或數小時將監測數據傳送到監控中心就完全能滿足要求。3)監測數據的目的主要是監控數據是否處于正常范圍，而不是用于實時計算處理，因此并不需要全部監測數據的具體數值。例如，對于環境污染源的監控，大多數情況污染源處于達標狀態；在控制中心要同時監控大量污染源，某一時刻特定污染源的具體指標往往并不被特別關注，而是用顏色表示數據是否正常。4)監測數據很大概率處于正常狀態，處于異常狀態的概率很小。對于環境污染源的監控，及大多數監控報警的應用都具有這一特點。另一方面，根據無線傳感器、無線測控設備或無線數據采集器的不同用途，信號采集單元、信號轉換單元、控制處理單元的設計各有差異，所采用的無線通信單元的硬件設計、網絡模式和通訊協議也不相同。但是，用于收發數據的無線通信單元的功耗往往都很高，通常要達到整機功耗的40 90%。本發明所述的技術問題，根據無線傳感器網絡的應用特點，提出一種新的動態功率管理方法，在滿足應用需求的前提下，使無線傳感器或無線數據采集器的無線通信單元盡量處于關閉狀態或休眠狀態，以降低無線設備的系統功耗。本發明提供一種低功耗的無線數據采集器，包括無線通信單元。
通常，所述低功耗無線數據采集器還包括電源、數據采集單元、數據處理單元。由于用途的不同，無線數據采集器還可以包括其它功能單元或功能模塊，例如:無線傳感器是帶有傳感器單元的無線數據采集器，無線檢測設備是帶有檢測單元的無線數據采集器，無線測控設備是帶有無線測控設備的無線數據采集器，無線路由器是帶有網絡路由單元的無線數據采集器。因此，無線傳感器、無線檢測設備、無線監測設備、無線測控設備、無線路由器也都具有本發明所述無線數據采集器的功能，是本發明的具體應用。所述低功耗無線數據采集器在不滿足所設定的條件時，無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態；所述無線數據采集器在滿足所設定的條件時，開啟無線通信單元，將數據和/或狀態參數通過網絡傳送至其它設備。在完成所述的將數據通過網絡傳送至其它設備之后，無線通信單元進入關閉狀態或休眠狀態。所述的數據，可以是傳感器、變送器或其它設備傳送到無線數據采集器的數據或信號；也可以是無線數據采集器將傳感器、變送器或其它設備所傳送的一次數據或信號進行變換或計算處理后得到的數據。例如，處理器將由傳感器所傳送的數據進行加權平均、濾波處理、取最大值之后得到的數據，再按照所設定的條件進行判斷。所述的狀態參數，可以檢測器件發送給無線數據傳感器的被檢測對象的運行狀態參數，例如設備運行狀態為正常狀態、異常狀態等；也可以是無線數據采集器對由傳感器所傳送的數據進行分析處理后得到的數據的狀態參數，如安全狀態、警告狀態、危險狀態等；還可以是無線數據采集器自身的工作狀態參數，如低電壓報警、網絡狀態參數等。所述低功耗的無線數據采集器開啟無線通信單元的設定條件，可以包括以下一項或多項規則的組合:
1、當前時間達到所設定的通訊時間。通常是一種定時開啟網絡通訊的模式，如在每天的固定時刻開啟，或每隔一定時間段開啟無線通信單元。采用定時開啟模式，可以是只針對無線通信單元的定時開啟，即在定時時鐘未觸發時無線通信單元處于關閉或休眠狀態，無線數據采集器的其它單元仍處于正常工作狀態；也可以是針對包括無線通信單元在內的多個功能單元的定時開啟，如:在定時時鐘未觸發時無線通信單元、數據采集單元、數據存儲單元都處于休眠狀態，只有定時時鐘處于工作狀態。2、無線數據采集器所采集的數據處于異常狀態。當無線數據采集器所采集或接受的數據是狀態參數，通常包括正常狀態和異常狀態。被監測對象是否處于異常狀態由檢測單元和處理單元進行判斷，無線數據采集器接收到的狀態參數為“異常狀態”時，即符合設定條件，開啟無線通信單元。當無線數據采集器采集或接受的數據是某項數值，如溫度、濕度、濃度等，由無線數據采集器判斷數據是否處于異常狀態，判斷條件通常包括以下一項或多項條件的組合:
(I)采集的數據超出設定的上限或下限；(2)采集的數據的變化值超出設定的變化值閾值；
(3)采集的數據的變化速率超出設定的變化速率閾值。當無線數據采集器的處理器根據所采集的數據，按上述條件判斷數據超出設定的限值，則判定數據處于異常狀態，開啟無線通信單元，傳送數據和/或狀態參數。3、無線數據采集器的電源電壓達到設定的允值。當無線數據采集器的電源電壓達到設定的允值或低限告警值時，需要盡快開啟無線通信單元，將當前的數據通過無線網絡傳送至其它設備，以免電壓過低而導致無線通訊中斷后無法傳送數據。同時，也可以 通過無線網絡將無線數據采集器的低電壓告警狀態傳送至上位機或其它設備，以便人工進行處理。類似地，可以將無線數據采集器的電源電壓作為設定條件之一，或開啟無線通信單元的使能條件。所述低功耗無線數據采集器開啟無線通信單元的設定條件是:無線數據采集器的電源電壓高于設定的允值，且包括以下一項或多項規則的組合:(1)當前時間達到所設定的通訊時間；(2)無線數據采集器所采集的數據超出設定的上限或下限；(3)無線數據采集器所采集的數據的變化值超出設定的變化值閾值；(4)無線數據采集器所采集的數據的變化速率超出設定的變化速率閾值。所述低功耗無線數據采集器還可以設有數據存儲單元。在所述無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態時，采集的數據被保存到數據存儲單元；在所述無線通信單元開啟時，將保存在數據存儲單元的數據通過網絡傳送至其它設備。這樣，無線數據采集器可以在無線通信單元開啟時，將所采集的數據集中傳送至其它設備，而不需要在全部工作時間都開啟無線通信單元。所述低功耗無線數據采集器，在無線通信單元開啟時，通過網絡還可以改變所述的設定條件或設定參數。本發明的有效效果是，通過對無線數據采集器應用需求的分析，提出一種新的動態功率管理方法，在滿足應用需求的前提下，使無線數據采集器的無線通信單元盡量處于關閉或休眠狀態，從而降低令無線設備的系統功耗。
具體實施例方式實施例一:一種低功耗無線數據采集器包括電源、數據采集單元和無線通信單元。所述無線數據采集器在不滿足所設定的條件時，無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態；所述數據數據采集器在滿足所設定的條件時，開啟無線通信單元，將數據和/或狀態參數通過網絡傳送至其它設備。在完成將數據通過網絡傳送至其它設備之后，所述無線通信單元進入關閉狀態或休眠狀態。所述的設定條件包括以下一項或多項規則的組合:(I)當前時間達到所設定的通訊時間；(2)所述無線數據采集器所采集的數據處于異常狀態；(3)所述無線數據采集器的電源電壓達到設定的允值。其中，規則(2)所述的采集的數據處于異常狀態，包括以下一項或多項條件的組合:(1)采集的數據超出設定的上限或下限；(2)采集的數據的變化值超出設定的變化值閾值；(3)采集的數據的變化速率超出設定的變化速率閾值。所述低功耗無線數據采集器，在無線通信單元開啟時，通過網絡還可以改變所述的設定條件或設定參數。例如:對無線數據采集器預先設置多組無線通信單元開啟的判斷條件，通過網絡可以選擇執行不同的判斷條件；通過網絡可以修改所述的設定的采集數據的上限值或下限值、設定的采集數據的變化值閾值、設定的采集數據的變化速率閾值；無線數據采集器設有狀態開關，通過網絡可以設定無線數據采集器按照動態功率管理模式工作，即按照前述的條件開啟或關閉無線通信單元，也可以設定無線數據采集器按照正常工作模式工作，無線通信單元處于常開狀態。
實施例二:一種低功耗無線數據采集器包括電源、數據采集單元、數據處理單元和無線通信單元。所述無線數據采集器所采集的數據是由溫度傳感器傳送的溫度信號T。無線數據采集器具有高溫報警和/或低溫報警功能，預先對無線數據采集器設定了高溫報警溫度TH和低溫報警溫度TL。無線數據采集器在不滿足所設定的條件時，無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態；數據數據采集器在滿足所設定的條件時，開啟無線通信單元，將數據和/或狀態參數通過網絡傳送至其它設備。在完成將數據通過網絡傳送至其它設備之后，所述無線通信單元進入關閉狀態或休眠狀態。所述的設定條件是:所述無線數據采集器的電源電壓高于設定的允值，且包括以下一項或多項規則的組合:(I)當前時間達到所設定的通訊時間；(2)所述無線數據采集器所采集的數據超出設定的上限或下限；(3)所述無線數據采集器所采集的數據的變化值超出設定的變化值閾值；(4)所述無線數據采集器所采集的數據的變化速率超出設定的變化速率閾值。 例如，無線數據采集器啟動后，無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態。無線數據采集器工作時，檢測電源電壓是否高于設定的允值。如果電源電壓低于設定的允值，無線通信單元保持關閉狀態或休眠狀態；如果電源電壓高于設定的允值，再將從溫度傳感器接收到的溫度信號T與設定報警溫度比較:當TL彡T彡TH時，無線數據采集器的無線通信單元處于關閉狀態；當T < TL或T > TH時，無線數據采集器開啟無線通信單元，將采集的溫度數據T通過網絡傳送至上位機或網絡中的其它設備。無線數據采集器將采集的溫度數據通過網絡傳送至其它設備，可以僅傳送報警信號，也可以傳送當前的溫度數據，還可以同時傳送無線數據采集器的運行參數，如電源電壓等。實施例三:一種低功耗無線數據采集器，是無線溫度檢測儀，包括電源、數據處理單元、溫度檢測單元、數據存儲單元和無線通信單元。所述無線數據采集器在不滿足所設定的條件時，無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態；所述數據數據采集器在滿足所設定的條件時，開啟無線通信單元，將數據和/或狀態參數通過網絡傳送至其它設備。具體地，無線溫度檢測儀每10秒鐘檢測一次溫度數據，并將所檢測的溫度數據存儲到數據存儲單元。每小時開啟一次無線通信單元，將存儲在數據存儲器中尚未發送的溫度數據都通過網絡發送至監控中心，在完成將數據傳送后無線通信單元進入關閉狀態。無線溫度檢測儀具有溫度上限報警功能。無線溫度檢測儀可以設定上限溫度(如200°C)。如果檢測到的溫度高于設定的上限溫度，無線數據采集器開啟無線通信單元，將檢測到的溫度數據通過網絡傳送至監控中心。無線溫度檢測儀還具有溫度變化率預警功能。無線溫度檢測儀可以設定溫度變化率(如10°C /min)。無線溫度檢測儀的數據處理單元對所檢測的溫度數據進行分析，如果當前溫度的變化率高于設定的溫度變化率，無線數據采集器開啟無線通信單元，將檢測到的溫度數據通過網絡傳送至上位機或網絡中的其它設備。無線溫度檢測儀還具有低電壓報警功能。無線溫度檢測儀可以設定電源電壓允值或低限告警值，當無線溫度檢測儀的電源電壓達到設定的電壓允值或低限告警值時，需要盡快開啟無線通信單元，將當前的數據通過無線網絡傳送至其它設備，以免電壓過低而導致無線通訊中斷后無法傳 送數據。同時，也可以通過無線網絡將無線數據采集器的低電壓告警狀態傳送至上位機或其它設備，以便人工進行處理。對無線溫度檢測儀，可以根據用戶要求，定義不同的定時通信、上下限報警、變化率報警的功能組合。報警信號發送完成后，可以將無線通信單元進入關閉或休眠狀態，也可以保持開啟狀態，持續發送檢測數據，直到數據回復到正常范圍。對無線溫度檢測儀，還可以具有通過網絡修改通信設定條件和設定參數的功能。對無線溫度檢測儀預先設定有若干組開啟無線通信單元的設定條件；并定義上位機的指定存儲器作為使用第幾組設定條件的指令位；無線通信單元開啟后，連入無線網絡，在發送數據前先通過網絡讀取上位機指定存儲器，根據指定存儲器的數據來決定執行第幾組設定條件。類似的，定義上位機的指定存儲器作為上限溫度的設定值；無線通信單元開啟后，連入無線網絡，在發送數據前先通過網絡讀取上位機指定存儲器，就可以修改上限溫度的設定值。實施例四:一種低功耗無線數據采集器包括蓄電池、數據采集單元、數據處理單元、數據存儲單元和無線通信單元。所述無線數據采集器所采集的數據是由溫度傳感器傳送的溫度信號T。為了降低功耗，減少網絡通信時間和數據量，預先對無線數據采集器設定了溫度變化閾值dT，當溫度變化值小于設定的閾值dT時，并不通過網絡發送當前采集的溫度信號。無線數據采集器開機后，首先將從溫度傳感器接收到的溫度信號T通過網絡傳送至上位機或網絡中的其它設備，并保存在數據存儲單元，標記為Ts。然后，無線數據采集器接收到的新的溫度信號T時，將溫度信號T與Ts進行比較。如果(Ts-dT)(Ts+dT)，判定溫度變化值小于設定的閾值，將無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態，并不打開網絡連接發送數據。如果T< (Ts-dT)或1~> (Ts+dT)，判定溫度變化值大于設定的閾值，無線數據采集器開啟無線通信單元，將采集的溫度數據T通過網絡傳送至上位機或網絡中的其它設備，并將當前溫度信號T保存在數據存儲單元，刷新Ts0在完成將數據通過網絡傳送至其它設備之后，所述無線通信單元進入關閉狀態或休眠狀態。由于溫度的響應時間通常比較長，因此只要合理設置溫度變化閾值dT，例如設為1C，只有當溫度變化值大于1C，無線數據采集器才進行網絡通信和發送數據，否則將處于休眠狀態，大幅減少了設備功耗。而上位機獲得的溫度數據仍然是實時的溫度數據，對系統運行沒有影響。由于無線數據采集器的應用各不相同，所列出的實施例只是其中幾種可能的應用實例，本領域技術人員在本發明所公開內容的范圍內，根據具體應用需要可以設計、組合出不同的設定條件作為無線通信單元的開啟條件、設計無線通信單元的具體工作方式，并不影響本發 明的實施。
權利要求
1.一種低功耗無線數據采集器，包括無線通信單元，其特征在于:所述無線數據采集器在不滿足所設定的條件時，無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態；所述數據數據采集器在滿足所設定的條件時，開啟無線通信單元，將數據和/或狀態參數通過網絡傳送至其它設備。
2.如權利要求1所述的低功耗無線數據采集器，其特征在于，在完成將數據通過網絡傳送至其它設備之后，所述無線通信單元進入關閉狀態或休眠狀態。
3.如權利要求1所述的低功耗無線數據采集器，其特征在于，所述無線數據采集器還設有數據存儲單元；在所述無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態時，采集的數據被保存到數據存儲單元；在所述無線通信單元開啟時，將保存在數據存儲單元的數據通過網絡傳送至其它設備。
4.如權利要求1所述的低功耗無線數據采集器，其特征在于，所述的設定條件包括以下一項或多項規則的組合: (1)當前時間達到所設定的通訊時間； (2)所述無線數據采集器所采集的數據處于異常狀態； (3)所述無線數據采集器的電源電壓達到設定的允值。
5.如權利要求4所述的低功耗無線數據采集器，其特征在于，所述的采集的數據處于異常狀態，包括以下一項或多項條件的組合: (1)采集的數據超出設定的上限或下限； (2)采集的數據的變化值超出設定的變化值閾值； (3)采集的數據的變化速率超出設定的變化速率閾值。
6.如權利要求1所述的低功耗無線數據采集器，其特征在于，所述的設定條件是:所述無線數據采集器的電源電壓高于設定的允值，且包括以下一項或多項規則的組合: (1)當前時間達到所設定的通訊時間； (2)所述無線數據采集器所采集的數據超出設定的上限或下限； (3)所述無線數據采集器所采集的數據的變化值超出設定的變化值閾值； (4)所述無線數據采集器所采集的數據的變化速率超出設定的變化速率閾值。
7.如權利要求1所述的低功耗無線數據采集器，其特征在于，在所述無線通信單元開啟時，通過網絡可以改變所述的設定條件或設定參數。
全文摘要
本發明涉及無線傳感器、無線數據采集器的低功耗設計方法，目的是基于對無線傳感器、無線測控設備或無線數據采集器應用特點的分析，提出一種新的動態功率管理方法，在滿足應用需求的前提下，使無線傳感器、無線數據采集器的無線通信單元盡量處于關閉狀態或休眠狀態，以降低無線設備的系統功耗，在有限的節點能量下延長設備的運行時間。本發明提供一種低功耗的無線數據采集器，在不滿足所設定的條件時無線通信單元處于關閉狀態或休眠狀態，在滿足所設定的條件時，開啟無線通信單元將數據和/或狀態參數通過網絡傳送至其它設備。
文檔編號G08C17/02GK103228031SQ20131015863
公開日2013年7月31日 申請日期2013年5月2日 優先權日2013年5月2日
發明者張友能, 黃曉峰 申請人:黃曉峰