專利名稱：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被定義為在目標(biāo)區(qū)域部署大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)，這些網(wǎng)絡(luò)化的節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作并感知被監(jiān)測區(qū)域的事件信息，獲取用戶所需數(shù)據(jù)，最后通過多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸給終端用戶。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能夠節(jié)省過去繁瑣枯燥的人力勞動，甚至能對過去人工難以實(shí)時監(jiān)控的危險區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、醫(yī)療健康和工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但是能量消耗問題一直是限制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
通常節(jié)點(diǎn)采用能量有限電源，由于節(jié)點(diǎn)部署在野外無人區(qū)域，不可能頻繁為其更換電源，一旦節(jié)點(diǎn)電量耗盡將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效退出網(wǎng)絡(luò)，影響網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測質(zhì)量甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此如何提高節(jié)點(diǎn)能量的持久性成為一個關(guān)鍵問題。雖然可以采用太陽能，振動能等外界能量補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)能量損失，但是這些裝置往往會增加節(jié)點(diǎn)的體積和成本，僅適用于對體積要求不高的應(yīng)用場合。因此要延長節(jié)點(diǎn)的工作時間，必須合理有效使用電池電量。
通過對節(jié)點(diǎn)的耗電量分析，有利于合適選擇節(jié)點(diǎn)傳輸方式，可最大化利用節(jié)點(diǎn)能量，從而延長節(jié)點(diǎn)工作時間。在這里的數(shù)據(jù)傳輸方式包括數(shù)據(jù)包大小，數(shù)據(jù)包的數(shù)，傳輸頻率(或傳輸周期)等。而能量模型的建立與評估是進(jìn)行能耗分析的關(guān)鍵。
圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理，目前已經(jīng)提出大量能量模型。其中大部分都是基于MAC層或路由協(xié)議能耗的優(yōu)化策略而建立的，其計算過程復(fù)雜，相對于有限計算能力的單片機(jī)，這些算法會引起處理器較多的數(shù)據(jù)處理能耗，而且這些理論模型與實(shí)際情況相比存在較大的差異，一般多用于仿真分析。而現(xiàn)有基于ZigBee通信協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品多采用廠家提供成熟的協(xié)議，MAC層和路由協(xié)議基本固定。雖然Ivan等在CCM20射頻收發(fā)器平臺上建立了一種用于評估IEEE802. 15. 4低速無線個域網(wǎng)的能量模型，但I(xiàn)EEE802. 15. 4模型只是規(guī)定了 ZigBee協(xié)議底層標(biāo)準(zhǔn)，對使用基于ZigBee通信協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)的能量評估仍存在不足。
專利文獻(xiàn)20091033505. 7公開了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際能量模型及功率優(yōu)化控制方法，但該文獻(xiàn)所公開的能量模型并沒有具體實(shí)現(xiàn)公式，而且這些模型都是針對特定的節(jié)點(diǎn)，需要根據(jù)該節(jié)點(diǎn)所使用無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的特性，來獲得相關(guān)參數(shù)，該文獻(xiàn)公開的實(shí)際能量模型不具有通用性，其算法復(fù)雜。
目前尚未發(fā)現(xiàn)對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗進(jìn)行計算的通用方法的公開文獻(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是，提供一種以節(jié)點(diǎn)工作電流、節(jié)點(diǎn)工作電壓、數(shù)據(jù)發(fā)送、 接收相關(guān)時長為參數(shù)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，該能耗計算方法在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中具有通用性。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，包括 獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作電壓V ； 獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期時長Tftans ； 將所述發(fā)送周期的數(shù)據(jù)等待階段放大合并到數(shù)據(jù)偵聽和接收階段，將所述發(fā)送周期簡化為數(shù)據(jù)偵聽和接收階段、數(shù)據(jù)處理階段、數(shù)據(jù)發(fā)送階段； 獲得所述發(fā)送周期的下列參數(shù)數(shù)據(jù)偵聽和接收階段時長Tkx，數(shù)據(jù)偵聽和接收階段工作電流Ικχ，數(shù)據(jù)處理階段時長ΤωΝ，數(shù)據(jù)處理階段工作電流Ira，數(shù)據(jù)發(fā)送階段時長Ttx， 數(shù)據(jù)發(fā)送階段工作電流Itx; 獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對一個數(shù)據(jù)包的接收周期的下列參數(shù)確認(rèn)幀發(fā)送階段時長 Tack，確認(rèn)幀發(fā)送階段工作電流Im，數(shù)據(jù)處理階段時長Trom，數(shù)據(jù)處理階段工作電流Irai，數(shù)據(jù)偵聽和接收階段工作電流Im ； 獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送有效數(shù)據(jù)包的數(shù)量M ； 獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠電流Islrap和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠時間Tslrap ； 計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)的能耗Etx Etx(TTrans, Tcon，Μ) = MXVX [ItxXTtx+IconXTcon+IexX (TTrans-TTX_Tc。n)] 計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)的能耗Ekx Eex(TTrans, TC0N1,M) = MXVX InX ([IackXTACK+I⑶N1XT⑶N1)+ImX [TTrans-nX (TACK+T⑶ N1)]} 式中n為無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個接收周期內(nèi)接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)； 計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)的能耗^rap ； Esleep (Isleep, Tsleep) = VX IsleepXTsleep ； 計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總能耗E E = ETX+EKXXG+Esleep，式中G為向無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
優(yōu)選的，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送有效數(shù)據(jù)包的數(shù)量M為
權(quán)利要求
1.一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，其特征在于，包括 獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作電壓V ；獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期時長Tftans ；將所述發(fā)送周期的數(shù)據(jù)等待階段放大合并到數(shù)據(jù)偵聽和接收階段，將所述發(fā)送周期簡化為數(shù)據(jù)偵聽和接收階段、數(shù)據(jù)處理階段、數(shù)據(jù)發(fā)送階段；獲得所述發(fā)送周期的下列參數(shù)數(shù)據(jù)偵聽和接收階段時長Tkx，數(shù)據(jù)偵聽和接收階段工作電流Ικχ，數(shù)據(jù)處理階段時長ΤωΝ，數(shù)據(jù)處理階段工作電流ΙωΝ，數(shù)據(jù)發(fā)送階段時長Ttx，數(shù)據(jù)發(fā)送階段工作電流Itx;獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對一個數(shù)據(jù)包的接收周期的下列參數(shù)確認(rèn)幀發(fā)送階段時長Tm，確認(rèn)幀發(fā)送階段工作電流Im，數(shù)據(jù)處理階段時長Trai，數(shù)據(jù)處理階段工作電流ΙωΝ1，數(shù)據(jù)偵聽和接收階段工作電流Im ；獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送有效數(shù)據(jù)包的數(shù)量M ；獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠電流Isleep和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)休眠時間Tsleep ；計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)的能耗Etx
計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)的能耗Ekx
式中m為無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個接收周期內(nèi)接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)； 計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)的能耗；
計算無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總能耗E
式中G為向無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
2.如權(quán)利要求1所述一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，其特征在于，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送有效數(shù)據(jù)包的數(shù)量M為
，式中N為無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包總字節(jié)數(shù)；lpa。k為一個數(shù)據(jù)包的有效字長度；P為統(tǒng)計上IK個數(shù)據(jù)包的丟包率。
3.如權(quán)利要求1所述一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，其特征在于，還包括計算所述發(fā)送一個數(shù)據(jù)包實(shí)際時間與計算時間的比例因子k，計算步驟如下 第一步，通過無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個已知固定長度的數(shù)據(jù)包，并獲得在所述數(shù)據(jù)包在發(fā)送周期中的數(shù)據(jù)發(fā)送階段的時長Tm ；第二步，計算發(fā)送一個數(shù)據(jù)包實(shí)際時間與計算時間的比例因子k
式中1為數(shù)據(jù)包頭開銷字節(jié)數(shù)；1Pd為一個數(shù)據(jù)包中有效字節(jié)的長度，數(shù)據(jù)包頭開銷字節(jié)數(shù)Itead和一個數(shù)據(jù)包中有效字節(jié)的長度lpa。k為常數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)發(fā)送階段時長Ttx為
，式中Itead為數(shù)據(jù)包頭開銷字節(jié)數(shù)；Ipadt為一個數(shù)據(jù)包中有效字節(jié)的長度；k為發(fā)送一個數(shù)據(jù)包實(shí)際時間與計算時間的比例因子k。
5.如權(quán)利要求3所述一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，其特征在于，所述確認(rèn)幀發(fā)送階段時長Tm為:TACK= ^Xft，式中k為發(fā)送一個數(shù)據(jù)包實(shí)際時間與計算時間的比例因子k。
全文摘要
本發(fā)明提供一種ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗計算方法，采用無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作電壓、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)中各階段的時長和工作電流、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)的工作電壓和工作電流等參數(shù)，建立無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和休眠狀態(tài)的能耗數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而建立無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總能耗數(shù)學(xué)模型，通過采用本發(fā)明提供的能耗計算方法，能夠準(zhǔn)確預(yù)測無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸能耗代價和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的剩余工作壽命，提高無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)性，本發(fā)明提供的算法簡單，測量數(shù)據(jù)容易獲得，適用于實(shí)際計算能力有限的傳感器節(jié)點(diǎn)。
文檔編號H04W16/22GK102186184SQ20111014980
公開日2011年9月14日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者金仁成, 韓慶普, 陳真清, 王立鼎 申請人:大連理工大學(xué)