专利名称：ZigBee无线网络节点的能耗计算方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络能量管理技术领域，特别是一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法。
背景技术：
无线传感器网络被定义为在目标区域部署大量微型传感器节点，这些网络化的节点协同工作并感知被监测区域的事件信息，获取用户所需数据，最后通过多跳网络传输给终端用户。由于无线传感器网络监控能够节省过去繁琐枯燥的人力劳动，甚至能对过去人工难以实时监控的危险区域进行监控，在国防军事、环境监测、智能家居、医疗健康和工业控制等领域有着广泛的应用前景。但是能量消耗问题一直是限制无线传感器网络发展的瓶颈，直接影响着网络的生命周期。
通常节点采用能量有限电源，由于节点部署在野外无人区域，不可能频繁为其更换电源，一旦节点电量耗尽将导致节点失效退出网络，影响网络监测质量甚至导致网络瘫痪。因此如何提高节点能量的持久性成为一个关键问题。虽然可以采用太阳能，振动能等外界能量补充节点能量损失，但是这些装置往往会增加节点的体积和成本，仅适用于对体积要求不高的应用场合。因此要延长节点的工作时间，必须合理有效使用电池电量。
通过对节点的耗电量分析，有利于合适选择节点传输方式，可最大化利用节点能量，从而延长节点工作时间。在这里的数据传输方式包括数据包大小，数据包的数，传输频率(或传输周期)等。而能量模型的建立与评估是进行能耗分析的关键。
围绕无线传感器网络能量管理，目前已经提出大量能量模型。其中大部分都是基于MAC层或路由协议能耗的优化策略而建立的，其计算过程复杂，相对于有限计算能力的单片机，这些算法会引起处理器较多的数据处理能耗，而且这些理论模型与实际情况相比存在较大的差异，一般多用于仿真分析。而现有基于ZigBee通信协议的无线网络产品多采用厂家提供成熟的协议，MAC层和路由协议基本固定。虽然Ivan等在CCM20射频收发器平台上建立了一种用于评估IEEE802. 15. 4低速无线个域网的能量模型，但IEEE802. 15. 4模型只是规定了 ZigBee协议底层标准，对使用基于ZigBee通信协议的无线网络产品节点的能量评估仍存在不足。
专利文献20091033505. 7公开了无线传感网络中的实际能量模型及功率优化控制方法，但该文献所公开的能量模型并没有具体实现公式，而且这些模型都是针对特定的节点，需要根据该节点所使用无线网络产品的特性，来获得相关参数，该文献公开的实际能量模型不具有通用性，其算法复杂。
目前尚未发现对ZigBee无线网络节点的能耗进行计算的通用方法的公开文献。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是，提供一种以节点工作电流、节点工作电压、数据发送、 接收相关时长为参数的ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，该能耗计算方法在ZigBee无线网络中具有通用性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案 一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，包括 获得无线网络节点的工作电压V ； 获得无线网络节点发送一个数据包的发送周期时长Tftans ； 将所述发送周期的数据等待阶段放大合并到数据侦听和接收阶段，将所述发送周期简化为数据侦听和接收阶段、数据处理阶段、数据发送阶段； 获得所述发送周期的下列参数数据侦听和接收阶段时长Tkx，数据侦听和接收阶段工作电流Ικχ，数据处理阶段时长ΤωΝ，数据处理阶段工作电流Ira，数据发送阶段时长Ttx， 数据发送阶段工作电流Itx; 获得无线网络节点对一个数据包的接收周期的下列参数确认帧发送阶段时长 Tack，确认帧发送阶段工作电流Im，数据处理阶段时长Trom，数据处理阶段工作电流Irai，数据侦听和接收阶段工作电流Im ； 获得无线网络节点发送有效数据包的数量M ； 获得无线网络节点休眠电流Islrap和无线网络节点休眠时间Tslrap ； 计算无线网络节点处于发送状态的能耗Etx Etx(TTrans, Tcon，Μ) = MXVX [ItxXTtx+IconXTcon+IexX (TTrans-TTX_Tc。n)] 计算无线网络节点处于接收状态的能耗Ekx Eex(TTrans, TC0N1,M) = MXVX InX ([IackXTACK+I⑶N1XT⑶N1)+ImX [TTrans-nX (TACK+T⑶ N1)]} 式中n为无线网络节点在一个接收周期内接收数据包的个数； 计算无线网络节点处于休眠状态的能耗^rap ； Esleep (Isleep, Tsleep) = VX IsleepXTsleep ； 计算无线网络节点的总能耗E E = ETX+EKXXG+Esleep，式中G为向无线网络节点发送数据的节点数量。
优选的，无线网络节点发送有效数据包的数量M为
权利要求
1.一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，其特征在于，包括 获得无线网络节点的工作电压V ；获得无线网络节点发送一个数据包的发送周期时长Tftans ；将所述发送周期的数据等待阶段放大合并到数据侦听和接收阶段，将所述发送周期简化为数据侦听和接收阶段、数据处理阶段、数据发送阶段；获得所述发送周期的下列参数数据侦听和接收阶段时长Tkx，数据侦听和接收阶段工作电流Ικχ，数据处理阶段时长ΤωΝ，数据处理阶段工作电流ΙωΝ，数据发送阶段时长Ttx，数据发送阶段工作电流Itx;获得无线网络节点对一个数据包的接收周期的下列参数确认帧发送阶段时长Tm，确认帧发送阶段工作电流Im，数据处理阶段时长Trai，数据处理阶段工作电流ΙωΝ1，数据侦听和接收阶段工作电流Im ；获得无线网络节点发送有效数据包的数量M ；获得无线网络节点休眠电流Isleep和无线网络节点休眠时间Tsleep ；计算无线网络节点处于发送状态的能耗Etx
计算无线网络节点处于接收状态的能耗Ekx
式中m为无线网络节点在一个接收周期内接收数据包的个数； 计算无线网络节点处于休眠状态的能耗；
计算无线网络节点的总能耗E
式中G为向无线网络节点发送数据的节点数量。
2.如权利要求1所述一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，其特征在于，无线网络节点发送有效数据包的数量M为
，式中N为无线网络节点发送数据包总字节数；lpa。k为一个数据包的有效字长度；P为统计上IK个数据包的丢包率。
3.如权利要求1所述一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，其特征在于，还包括计算所述发送一个数据包实际时间与计算时间的比例因子k，计算步骤如下 第一步，通过无线网络节点发送一个已知固定长度的数据包，并获得在所述数据包在发送周期中的数据发送阶段的时长Tm ；第二步，计算发送一个数据包实际时间与计算时间的比例因子k
式中1为数据包头开销字节数；1Pd为一个数据包中有效字节的长度，数据包头开销字节数Itead和一个数据包中有效字节的长度lpa。k为常数。
4.如权利要求3所述一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，其特征在于，所述数据发送阶段时长Ttx为
，式中Itead为数据包头开销字节数；Ipadt为一个数据包中有效字节的长度；k为发送一个数据包实际时间与计算时间的比例因子k。
5.如权利要求3所述一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，其特征在于，所述确认帧发送阶段时长Tm为:TACK= ^Xft，式中k为发送一个数据包实际时间与计算时间的比例因子k。
全文摘要
本发明提供一种ZigBee无线网络节点的能耗计算方法，采用无线网络节点工作电压、无线网络节点在发送状态和接收状态中各阶段的时长和工作电流、无线网络节点在休眠状态的工作电压和工作电流等参数，建立无线网络节点处于发送状态、接收状态和休眠状态的能耗数学模型，进而建立无线网络节点的总能耗数学模型，通过采用本发明提供的能耗计算方法，能够准确预测无线网络节点传输能耗代价和无线网络节点的剩余工作寿命，提高无线网络节点的自适应性，本发明提供的算法简单，测量数据容易获得，适用于实际计算能力有限的传感器节点。
文档编号H04W16/22GK102186184SQ20111014980
公开日2011年9月14日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者金仁成, 韩庆普, 陈真清, 王立鼎 申请人:大连理工大学