專利名稱：一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)中非易失處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在目前的無線傳感網(wǎng)應用中，為了解決傳感網(wǎng)節(jié)點電池能量受限的問題，往往采用能量采集的方式給節(jié)點供電，這些能量采集方式(諸如振動換能器、無線供能等)的輸出電壓是間斷的脈沖直流電壓，它們無法給處理器提供長時間、穩(wěn)定的直流電壓。傳統(tǒng)節(jié)點由于無法工作在間斷供電下，因此需要電池組保存采集的能量，并需要直流轉(zhuǎn)換電路(DC-DCConverter)與穩(wěn)壓電路將脈沖直流供電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流輸出，但是這樣的電路結(jié)構(gòu)復雜，能量效率低，充電電池壽命有限，維護復雜。非易失處理器是一種利用分布式非易失存儲架構(gòu)的新型處理器，它能夠在掉電時迅速備份狀態(tài)和數(shù)據(jù)，在上電后立即恢復并連續(xù)工作。其采用的分布式非易失技術(shù)使其備份恢復時間降低至微秒量級，同時能使備份恢復能量節(jié)省3個數(shù)量級以上。因此非易失處理器無需連續(xù)穩(wěn)定的直流供電，也無需充電電池進行能量存儲，優(yōu)于傳統(tǒng)的處理器，更好地結(jié)合能量采集的脈沖直流供電特點，能夠大大簡化電源電路的設(shè)計復雜度，減小設(shè)計和維護成本
發(fā)明內(nèi)容
·(一)要解決的技術(shù)問題針對上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是解決將能量采集與非易失處理器結(jié)合的問題，使得傳感網(wǎng)節(jié)點能夠在太陽能、振動等間斷供電條件下連續(xù)工作。(二)技術(shù)方案為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:電源單元和非易失處理單元；所述電源單元為所述非易失處理單元提供工作電壓和休眠/喚醒信號，包括能量采集模塊和供電電路模塊；所述非易失處理單元無需電池和直流轉(zhuǎn)換電路，在脈沖直流供電模式下工作，包括非易失處理器和片外非易失程序存儲器。進一步地，所述非易失處理單元在一個脈沖周期內(nèi)交替出現(xiàn)四種工作狀態(tài)，具體包括:恢復、工作、備份和休眠；其中恢復狀態(tài)開始于所述休眠/喚醒信號的上升沿，由休眠狀態(tài)進入到喚醒狀態(tài)，直到所述非易失處理單元的恢復過程結(jié)束；工作狀態(tài)開始于恢復過程結(jié)束的時刻，結(jié)束于所述休眠/喚醒信號的下降沿，在工作狀態(tài)期間一直處于喚醒狀態(tài)；
備份狀態(tài)開始于所述休眠/喚醒信號的下降沿，由喚醒狀態(tài)進入到休眠狀態(tài)，直到所述非易失處理單元的備份過程結(jié)束；休眠狀態(tài)開始于備份過程結(jié)束的時刻，結(jié)束于恢復狀態(tài)開始的時刻，在休眠狀態(tài)期間脈沖直流電壓的值為O。進一步地，所述工作狀態(tài)持續(xù)時間的長短取決于脈沖直流電壓的脈沖寬度。進一步地，所述供電電路模 塊包括電源穩(wěn)壓芯片和脈沖監(jiān)測電路，所述脈沖監(jiān)測電路監(jiān)測到脈沖直流電壓跨越參考電壓，并在20us內(nèi)產(chǎn)生所述喚醒/休眠信號，即Tplh<20us, Tphl〈20us，具體的檢測到直流脈沖信號的電壓從低于參考電壓跨越到高于參考電壓時所述休眠/喚醒信號為高電平，表示喚醒信號，相反則所述休眠/喚醒信號為低電平，表不休眠/[目號。進一步地，為使節(jié)點在一個脈沖內(nèi)能完成備份、恢復操作，則所述休眠/喚醒信號與所述直流脈沖信號的時序關(guān)系需滿足:Tplh+Tra( Tpl+Tphl ;備份需要在直流脈沖信號的電壓降至高電平的50%前完成，即需滿足:Tbae+Tphl〈50us，其中Tplh，Tphl分別為產(chǎn)生喚醒、休眠信號的延時，Tpl為高于所述參考電壓部分的脈沖寬度；TM。，Tbac分別為恢復、備份的時間。進一步地，所述供電電路模塊為所述非易失處理單元提供經(jīng)過穩(wěn)壓后脈沖直流，并在所述脈沖直流電壓高低電平切換處為所述非易失處理單元提供休眠/喚醒信號，保證非易失處理單元在脈沖直流電壓降低到高電平的50%之前完備份過程。進一步地，所述系統(tǒng)還包括外設(shè)單元，用于傳感網(wǎng)節(jié)點的感知與節(jié)點之間的通信，包括傳感器和無線收發(fā)模塊。(三)有益效果本發(fā)明提供了一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)，提出了一種無需電池、采用脈沖直流供電的節(jié)點工作模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點架構(gòu)，解決目前基于能量采集的傳感網(wǎng)節(jié)點中電源電路過于復雜，電池更換成本高的問題。本發(fā)明具備快速休眠喚醒能力的非易失處理器以及適用于脈沖直流供電的電源電路，掉電后節(jié)點狀態(tài)不會丟失，上電后，節(jié)點能接續(xù)斷電前的狀態(tài)連續(xù)工作，掉電備份與上電恢復的速度快，能耗低，要求高于IOOus的響應速度，能夠適應脈沖直流供電的輸出模式，電源電路部分無需電池，不需要進行脈沖到直流的轉(zhuǎn)換電路。所以本發(fā)明提出的基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點具備以下優(yōu)勢:1.提升了脈沖直流電源的能量效率。2.降低了節(jié)點系統(tǒng)總能耗。3.適用于基于能量采集自供能的系統(tǒng)中，能充分發(fā)揮非易失處理器在高速休眠、喚醒上的優(yōu)勢，使得節(jié)點的整體休眠時間能縮短至20us以下，小于大部分能量采集方式毫秒量級的脈沖寬度，同時節(jié)點的休眠、喚醒能耗在20nJ以下，遠小于脈沖的輸出能量UJ量級)。


圖1為本發(fā)明實施例中的一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實施例中的脈沖直流供電節(jié)點的工作模式示意圖以及信號波形示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明實施例中提供了一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體包括:電源單元10和非易失處理單元20。電源單元10為非易失處理單元20提供工作電壓和休眠/喚醒信號，包括能量采集模塊11和供電電路模塊12。其中，能量采集模塊11采用能夠高效輸出脈沖直流電的能量采集裝置，諸如太陽能板、壓電纖維、壓電陶瓷等。供電電路模塊12的作用是為非易失處理單元20提供經(jīng)過穩(wěn)壓后脈沖直流，并在脈沖直流電壓高低電平切換處以特定的時序給非易失處理器提供休眠/喚醒信號，并保證非易失處理器在電壓降低到工作電壓之前完成備份過程。電路結(jié)構(gòu)上，供電電路模塊12包括3.3V電源穩(wěn)壓芯片121和脈沖監(jiān)測電路122，脈沖監(jiān)測電路122位于3.3V電源穩(wěn)壓芯片121之后，用于監(jiān)測到脈沖直流電壓跨越參考電壓(參考電壓是根據(jù)高低電平的閾值設(shè)定的，如設(shè)定參考電壓為高電平的0.7倍)，并在20us內(nèi)產(chǎn)生喚醒/休眠信號，即Tplh〈20us，Tphl〈20us，ο具體的:檢測到直流脈沖信號的電壓從低于參考電壓跨越到高于參考電壓時休眠/喚醒信號為高電平，表示·喚醒信號，相反則休眠/喚醒信號為低電平，表示休眠信號。脈沖監(jiān)測電路122可采用高速電壓檢測IC芯片實現(xiàn)(例如羅姆公司BD5230G)。非易失處理單元20無需電池和直流轉(zhuǎn)換電路，在脈沖直流供電模式下工作，包括非易失處理器22和片外非易失程序存儲器21。其中非易失處理器22可以采用基于鐵電工藝的低功耗非易失處理器(如清華和日本螺母公司合作的THU-1010N)，片外非易失程序存儲器21可以是FeRAM或FLASH。非易失處理器22應具備較高的休眠/喚醒速度，以適應較短的脈沖長度。如本實施例中采用的THU-1010N的喚醒時間僅為3us，休眠時間僅為7us。非易失處理器的休眠/喚醒信號由電源電路單元10提供。整個處理部分的非易失性保證了在掉電休眠過程中節(jié)點的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)不丟失。非易失處理單元20在一個脈沖周期內(nèi)交替出現(xiàn)四種工作狀態(tài)，具體包括:恢復、工作、備份和休眠。這四種工作狀態(tài)的工作模式示意圖如圖2所示，其中包括信號波形示意圖。恢復狀態(tài)開始于休眠/喚醒信號的上升沿，由休眠狀態(tài)進入到喚醒狀態(tài)，直到非易失處理單元的恢復過程結(jié)束。工作狀態(tài)開始于恢復過程結(jié)束的時刻，結(jié)束于休眠/喚醒信號的下降沿，在工作狀態(tài)期間一直處于喚醒狀態(tài)，其中工作狀態(tài)持續(xù)時間的長短取決于脈沖直流電壓的脈沖寬度。備份狀態(tài)開始于休眠/喚醒信號的下降沿，由喚醒狀態(tài)進入到休眠狀態(tài)，直到非易失處理單元的備份過程結(jié)束。
休眠狀態(tài)開始于備份過程結(jié)束的時刻，結(jié)束于恢復狀態(tài)開始的時刻，在休眠狀態(tài)期間脈沖直流電壓的值為0，所以節(jié)點供電為O。為使節(jié)點在一個脈沖內(nèi)能完成備份、恢復操作，則休眠/喚醒信號與直流脈沖信號的時序關(guān)系需滿足:Tplh+Tra。< Tpl+Tphl。同時，備份操作需要有足夠的能量支持，需要在直流脈沖信號的電壓降至高電平的50%前完成，即需滿足:Tbae+Tphl〈50us，其中Tplh，Tphl分別為產(chǎn)生喚醒、休眠信號的延時，Tpl為高于參考電壓部分的脈沖寬度；T_，Tbac分別為恢復、備份的時間。系統(tǒng)還包括外設(shè)單元30，用于傳感網(wǎng)節(jié)點的感知與節(jié)點之間的通信，包括傳感器31和無線收發(fā)模塊32。傳感器31和無線收發(fā)模塊32都采用低功耗的設(shè)備，以減少能量消耗，傳感器31采用低功耗傳感器，無線收發(fā)模塊32采用低功耗無線收發(fā)模塊，采用低功耗芯片(如OOK收發(fā)機)，或者使用數(shù)字觸發(fā)器全部或部分替換為鐵電非易失觸發(fā)器的非易失芯片。非易失處理單元20通過芯片內(nèi)置的SPI接口(Serial Peripheral Interface,串行外設(shè)接口 )、I2C接口(同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線接口)與外設(shè)單元30連接。通過使用上述傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)并進行上述工作模式，無需傳統(tǒng)節(jié)點中的直流轉(zhuǎn)換電路和電池電路，提高脈沖直流供電的能量利用效率，降低節(jié)點的設(shè)計和維護成本。為了滿足脈沖直流供電的能量利用效率，節(jié)點利用基于鐵電的非易失處理器，非易失處理器掉電狀態(tài)不丟失以及微秒級高速休眠喚醒的特點，使節(jié)點整體的休眠喚醒時間小于50us，節(jié)點能工作在IkHz以上的脈沖供電條件下，適用于太陽能、振動和無線供能等多種能量采集模式。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā) 明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 電源單元和非易失處理單元； 所述電源單元為所述非易失處理單元提供工作電壓和休眠/喚醒信號，包括能量采集模塊和供電電路模塊； 所述非易失處理單元無需電池和直流轉(zhuǎn)換電路，在脈沖直流供電模式下工作，包括非易失處理器和片外非易失程序存儲器。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非易失處理單元在一個脈沖周期內(nèi)交替出現(xiàn)四種工作狀態(tài)，具體包括:恢復、工作、備份和休眠； 其中恢復狀態(tài)開始于所述休眠/喚醒信號的上升沿，由休眠狀態(tài)進入到喚醒狀態(tài)，直到所述非易失處理單元的恢復過程結(jié)束； 工作狀態(tài)開始于恢復過程結(jié)束的時刻，結(jié)束于所述休眠/喚醒信號的下降沿，在工作狀態(tài)期間一直處于喚醒狀態(tài)； 備份狀態(tài)開始于所述休眠/喚醒信號的下降沿，由喚醒狀態(tài)進入到休眠狀態(tài)，直到所述非易失處理單元的備份過程結(jié)束； 休眠狀態(tài)開始于備份過程結(jié)束的時刻，結(jié)束于恢復狀態(tài)開始的時刻，在休眠狀態(tài)期間脈沖直流電壓的值為O。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述工作狀態(tài)持續(xù)時間的長短取決于脈沖直流電壓的脈沖寬度。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述供電電路模塊包括電源穩(wěn)壓芯片和脈沖監(jiān)測電路，所述脈沖監(jiān)測電路監(jiān)測到脈沖直流電壓跨越參考電壓，并在20us內(nèi)產(chǎn)生所述喚醒/休眠信號，即Tplh〈20us，Tphl〈20us，具體的檢測到直流脈沖信號的電壓從低于參考電壓跨越到高于參考電壓時所述休眠/喚醒信號為高電平，表示喚醒信號，相反則所述休眠/喚醒信號為低電平，表示休眠信號。
5.如權(quán)利要求1、2或4至少一項中所述的系統(tǒng)，其特征在于，為使節(jié)點在一個脈沖內(nèi)能完成備份、恢復操作，則所述休眠/喚醒信號與所述直流脈沖信號的時序關(guān)系需滿足:Tplh+Trec ( Tpl+Tphl ;備份需要在直流脈沖信號的電壓降至高電平的50%前完成，即需滿足:Tbac；+Tphl〈50uS，其中Tplh，Tphl分別為產(chǎn)生喚醒、休眠信號的延時，Tpl為高于所述參考電壓部分的脈沖寬度；T_，Tbac分別為恢復、備份的時間。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述供電電路模塊為所述非易失處理單元提供經(jīng)過穩(wěn)壓后脈沖直流，并在所述脈沖直流電壓高低電平切換處為所述非易失處理單元提供休眠/喚醒信號，保證非易失處理單元在脈沖直流電壓降低到高電平的50%之前完備份過程。
7.如權(quán)利要求 1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括外設(shè)單元，用于傳感網(wǎng)節(jié)點的感知與節(jié)點之間的通信，包括傳感器和無線收發(fā)模塊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于脈沖直流供電模式的非易失傳感網(wǎng)節(jié)點系統(tǒng)，包括電源單元和非易失處理單元，電源單元為非易失處理單元提供工作電壓和休眠/喚醒信號，包括能量采集模塊和供電電路模塊，非易失處理單元無需電池和直流轉(zhuǎn)換電路，在脈沖直流供電模式下工作，包括低功耗非易失處理器和片外非易失程序存儲器。傳感網(wǎng)節(jié)點工作在脈沖直流供電模式下，無需傳統(tǒng)節(jié)點中的直流轉(zhuǎn)換電路和電池電路，提高脈沖直流供電的能量利用效率，降低節(jié)點設(shè)計和維護成本。利用非易失處理器掉電狀態(tài)不丟失及高速休眠喚醒的特點，使節(jié)點整體的休眠喚醒時間小于50us，節(jié)點能工作在1kHz以上的脈沖供電條件下，適用于太陽能、振動和無線供能等多種能量采集模式。
文檔編號H04W52/02GK103237338SQ20131007511
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者王逸群, 劉勇攀, 李雙辰, 孫憶南, 楊華中 申請人:清華大學