一种物联网中可用Wi-Fi的传感器的节能方法及其推导方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种物联网中W1-Fi传感器，特别涉及一种物联网中可用W1-Fi的传感器的节能方法及其推导方法。
【背景技术】
[0002]随着网络规模的扩大，由于专有的解决方案很难进行接合和管理，那么标准化技术是首选的专有协议。IP(互联网协议)是实现连通性的最适当网络层的候选协议。它的优势被诸如IPS0(智慧对象的互联协议)联盟等工业组织所承认，这个组织推动IP集成到互联网连接的传感器中。这种方法在家居和楼宇自动化、工厂监视、智慧城市、运输、智能电网和能源管理领域广泛应用[1 ]。IEEE 802.15.4和6LoWPAN(IPv6应用于低功耗无线个域网络)适配层和低功耗W1-Fi是实现物联网的备选技术:
[0003].6LoWPAN被开发出来为无线传感器的特殊需求提供IP服务。
[0004]- W1-Fi领域的企业致力于降低W1-Fi收发的功耗以使得电池的寿命能持续数年。
[0005]传统上的ZigBee和其他的基于IEEE802.15.4协议由于其能量有效的设计，其已被被考虑应用到传感器网络中。然而，最近开发的功率有效的W1-Fi组件与合适的系统设计和使用模型一起已经成为这个领域[2]的有竞争力的候选目标。低功率W1-Fi可使得电池寿命持续数年，也使得易于集成到现有兼容的嵌入的IP网络的基础结构中。重新使用现存的W1-Fi基础结构可节省成本和快速部署。广泛部署的IEEE 802.11网络将基础结构的成本降到最小，同时也降低所有者总的投资金额。W1-Fi设备具有自有的IP网络兼容性的优势，这是物联网的一个很大的优势。定义好的和普遍接受的IP连通性克服了专有协议对昂贵的网关的需求问题。
[0006]此外，规模经济是W1-Fi的另外一个重要的优势，在2010和2015[3]之间，预计每年会达到22%的增长率。最后，可用的网络管理工具和知识库是IEEE 802.11的重要优势，IT技术人员已经熟悉管理W1-Fi网络。
[0007]我们的研究是以家用设备的互联网连通性为目标对象。我们在住宅建筑中发现了不同类型的可用W1-Fi的设备(图1):
[0008].交流供电设备(家用电器，个人电脑):无线通信的功耗不是很重要。
[0009].可充电的设备(便携式电脑，智能手机):采用可充电的电池供电，它们的电池一般最多可用数天。
[0010].电池供电的设备(如烟雾检测器、运动检测器等传感器):简单、低功耗设备用其标准电池供电，一般要求可达数年之久。
[0011]因此，研发一种物联网中可用W1-Fi的传感器的节能方法势在必行。经检索有关文献，未发现与本发明相同或相似的技术方案。
【发明内容】
[0012]本发明要解决的技术问题是提供一种降低W1-Fi收发的功耗的物联网中可用W1-Fi的传感器的节能方法，还提供了一种上述联网中可用W1-F i的传感器的节能方法的推导方法。
[0013]为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:一种物联网中可用W1-Fi的传感器的节能方法，其创新点在于:所述方法为在对于AP通信半径范围内的传感器设备，采用高速率传输数据的方法。
[0 014 ] —种上述的物联网中可用W 1-F i的传感器的节能方法的推导方法，其特征在于:首先分析典型的W1-Fi传感器网络结构中的系统模型，然后定义若干不同的场景，在各个场景中研究系统模型中各基本操作在功耗、干扰或可靠性和通信半径方面的影响。
[0015]系统模型中，如图1所示，典型的W1-Fi传感器网络结构，包含多个可用W1-Fi的传感器或执行器，这些传感器都与一个接入点相连，并且这些传感器都是通过这个接入点接入互联网，这些传感器应用的基本操作包括:
[0016](1)初始化连接:传感器开机之后，它自我验证和连接到一个预设的AP，并且获取IP地址；
[0017](2)保活信息:依赖于执行情况，如果某一段时间之内AP不能收到其某一台关联设备的信息，那么AP可能从其关联的客户端列表中移除这台设备，为了保持连接，设备必须周期地与AP进行通信；
[0018](3)周期的数据传输:在一个常见的例子中:设备周期地读取感知数据，并且将数据发送到一个控制单元；
[0019](4)事件触发的数据传输:传感器设备监视环境状况，如果检测到某个事件发生，那么就会产生一个信息并发送出去；
[0020](5)指令信息:另外一个常见的例子是发送到传感器或执行器设备的信息；指令信息包括发送给执行设备的查询、组态或指令/行动信息；
[0021](6)传感器节点是典型的电池供电设备，并且也希望在不用换电池的情况下工作数年；因此，能量有效和长电池寿命是对其主要的要求;此外，可靠性、安全性、通信半径和延时对不同的无线传感器应用来说是非常重要的。
[0022]进一步地，所述场景包括场景1、场景II和场景III，假设每天都进行初始化连接，场景I表不一个简单的传感器，如温度传感器或供暖系统中的温控器，它每5分钟发送一次数据;场景II表示一种监视传感器设备，如烟雾检测器，它每分钟发送事件触发的数据和周期性的保活数据以保持连接，事件触发的信息可在任何时间发生，并且他们必须要可靠和快速传输，时间触发信息发生的频率小，然而，为了理解他们对电池寿命的影响，我们考虑每小时发生一次的高频率事件;场景III包含每分钟既发送周期数据和事件触发信息且每10秒钟检查来自AP的信息的设备使用案例，这个场景表示一种我们在其中具有配置的传感器和执行器，如具有烟雾检测和警笛的消防报警系统的应用。
[0023]进一步地，所述W1-Fi传感器的功耗关键方便包括:
[0024](1)低功率W1-Fi模式:低功率W1-Fi芯片/模块的功率是W1-Fi传感器电池寿命性能的主要决定性因素，选择G2M5477用于功耗评估，它是现存的G2微型系统的低功率W1-Fi模块，这个模块具有一个32位的CPU、实时时钟、硬件加密功能、传感器接口和一个完全的802.llb/g PHY和MAC，它包含eCos实时操作系统和lwIP TCP/IP协议栈，芯片结构可通过其能源管理系统进行低功率运行，它将关闭不需要的组件和控制不同电源状态之间转换;新的低功率的W1-Fi模块已经在市场上销售，并且支持IEEE 802.1 In，然而，802.1 In的高速率传输优势伴随相对较小的能源效率和较高的成本，这是由于相对复杂的电路所造成的；
[0025](2)休眠电流和唤醒能源:休眠电流和唤醒能源在任何工作周期系统内的整体电池寿命中起主要的作用，我们期望W1-Fi传感器在大多数时间处于休眠状态，某个事件将导致其转换到激活状态，对于常规的W1-Fi芯片，典型的休眠电流大约为150到250，同时单次唤醒过程持续数百毫秒，并且耗费数毫焦耳的能量，低功率W1-Fi系统减少休眠电流、休眠时间和能源;我们测量了G2M5477休眠状态电流为4;在唤醒的过程中，低功率W1-Fi传感器节点初始化硬件和操作系统、稳定校准器和从闪存加载程序，程序加载步骤使得应用程序的大小成为唤醒时间和能源的一个重要因素，G2M5477允许使用多映像应用程序，在这里基于特定的唤醒原因，启动代码可从存储在闪存中许多可执行程序中选择，多映像的实现能明显减少唤醒时间和能源;为了利用这一特点，执行了每一个之前定义的操作可执行的程序:初始化、保活、周期性数据、传感器事件和指令信息，我们的测量值显示应用程序每增加1KB将耗费200的时间和12的能量[7]，采用一个25KB的应用程序，我们测量了唤醒时间和能源大约分别为9ms和400;
[0026](3)发送和接收能源与IEEE 802.15.4的250kb/s最大数据传输速率相比，IEEE
802.1lb/g的传输速率要高得多，为lMb/silj54Mb/s;这允许可用W1-Fi的传感器耗费非常少的时间来进行实际的发送或接收;运行在较高的数据传输速率同时也产生较少的功耗，因此，数据传输速率越高，接收/发送每位数据所耗费的能量越低；因此，发送和接收能源对电池寿命的影响变成了次要的因素，除非可用W1-Fi的传感器发送或接收大量的数据；
[0027](4)MAC重发:一些感知应用因为某些信息类型如报警，则要求高度可靠性，IEEE802.11采用简单的确认机制以确保两个站点之间的可靠传输，非确认的帧数据被发送到上一层的协议，因为冲突或环境中其他干扰，可用W1-Fi的传感器能采用不同的MAC重发速率，评估显示了低速率运行时，MAC重发对功耗的影响变得非常明显；
[0028](5)安全性一无线传感器处理各个不同应用领域的敏感信息，这使得有效的安全机制成为一种重要的需求;传感器网络有限的计算能力和内部存储空间给安全性提出了挑战;可用IP的传感器带来提供点对点安全的挑战;802.11提供能提供给数据机密性、认证和可用性的多种标准的安全方案；研究常用的W1-Fi安全方案如WEP、WPA/TKIPPSK和WPA2/AES-PSK对功耗的影响时，我们注意到在安全机制的强度和能耗之间存在一个平衡;脆弱的WEP引入可忽略的认证机制和加密开销；另外一方面，