一种无线传感器的低功耗控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及低功耗控制技术领域，尤其涉及一种无线传感器的低功耗控制方法及其系统。

背景技术

桩基作为建筑物基础构造形式的一种，埋于地下，属于隐蔽工程。准确判定桩基工程的质量对于确保建筑整体的质量、安全十分重要，根据《建筑桩基检测技术规范JGJ106-2014》，桩基检测的主要方法有静载试验、钻芯法、低应变法、高应变法、声波透射法等几种，其中，静载试验通常采用静载荷测试仪，其包括如下几个部分：静载荷主机、位移传感器、油压传感器、采集基站、油泵控制器。目前静载荷测试使用到的位移及压力传感器绝大部分采用有线连接的方式，现场拆装接线耗时且繁琐，另一方面，静载荷现场工况复杂，多条线缆存在打结或破损的重大隐患，极大的影响了现场的检测效率。

虽然位移及压力传感器采用有线线缆连接方式所导致的相关问题，可以采用无线连接的方案进行改进，但是，静载荷试验不同于其他桩基检测方法，连续工作时间长且危险系数高，常规吨位需要连续工作36-48小时，全过程对位移和压力传感器数据的实时性和准确性要求高，一旦出现异常沉降，静载荷检测系统能够进行精准的预警与控制。因此，位移和压力传感器采用无线的方式，在静载荷检测实际应用中，面临着较多技术难点需要去突破，如无线通讯的实时性和稳定性；高频率无线数据通讯应用场景下，无线传感器的功耗、体积、成本、通信距离等综合瓶颈。如中国专利CN108475100B公开了一种工作模式切换方法、无线传感器及系统，无线传感器在所述低功耗模式下每隔第二预设时间段判断是否检测到所述至少一种生理参数，以及在检测到所述至少一种生理参数时，自动从所述低功耗模式进入所述正常工作模式，也就是说该无线传感器只要检测到了生理参数，就从低功耗模式进入正常工作模式，而不是根据实际测试需要才被唤醒，仍然存在不必要的电能浪费的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种无线传感器的低功耗控制方法及其系统，以解决现有无线传感器不是根据实际测试需要才被唤醒，仍然存在不必要的电能浪费的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种无线传感器的低功耗控制方法，其中，包括如下步骤：

S1：上电后，对无线传感器进行初始化，无线传感器进入正常工作模式，接收到终端设备的采集指令后，进行数据采集；

S2：在正常工作模式下，如果在第一预设时间内没有接收到终端设备的采集指令，则无线传感器从正常工作模式进入周期性休眠模式；

S3：在周期性休眠模式下，周期性地检测是否接收到终端设备的采集指令，如果接收到终端设备的采集指令，则无线传感器从周期性休眠模式进入正常工作模式。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S3中，周期性休眠模式包括N个大周期，其中N为正整数；

每个大周期包括若干个小周期；

每个小周期包括接收状态和休眠状态，无线传感器在接收和休眠两个状态下切换工作，当处于接收状态时，如果获取到终端设备或相同信道无线传感器的采集指令或数据时，则退出周期性休眠模式。

在以上技术方案的基础上，优选的，同一个大周期下的接收状态时间和休眠状态时间各不相同。

在以上技术方案的基础上，优选的，当终端设备同时接入多个无线传感器时：

根据传感器内网地址的不同，设定每个无线传感器按照不同的初始休眠时间进入周期性休眠模式。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述步骤S2中，正常工作模式包括若干个周期；

每个周期依次包括接收状态、发送状态和待机状态，当无线传感器处于接收状态时，如果获取到终端设备的采集指令，则进入发送状态，将采集的数据发送回终端设备，然后进入待机状态，以此循环；

当无线传感器处于接收状态时，如果在第一预设时间内没有获取到终端设备的采集指令，则进入周期性休眠模式。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一预设时间为1分钟。

另一方面，本发明提供一种系统，其采用了如上所述的无线传感器的低功耗控制方法，其中，所述系统包括：

微控制器模块、数据采集模块、无线传输模块、液晶显示屏模块、电源模块以及GPS模块；

所述数据采集模块，与微控制器模块电性连接，用于实时采集实验数据并发送至微控制器模块进行处理；

所述无线传输模块，与微控制器模块通信连接，用于传输经过微控制器模块处理的数据至终端设备，并接收终端设备发送的采集指令；

所述液晶显示屏模块，与微控制器模块电性连接，用于显示经过微控制器模块处理的实验数据；

所述GPS模块，与微控制器模块电性连接，用于对无线传感器进行定位，并将定位数据发送至微控制器模块进行处理；

所述微控制器模块，用于根据采集指令的接收情况，进行无线传感器正常工作模式和周期性休眠模式的切换；

所述电源模块，与微控制器模块、数据采集模块以及无线传输模块分别电性连接，用于向微控制器模块、数据采集模块以及无线传输模块供电。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述无线传输模块采用Lora进行无线传输。

本发明的无线传感器的低功耗控制方法及其系统相对于现有技术具有以下

有益效果：

(1)在周期性休眠模式下，周期性地检测是否接收到终端设备的采集指令，保证超低功耗的同时又能随时被终端设备唤醒，切换到正常工作模式；

(2)增大接收状态和休眠状态时间可以有效保证低功耗，同时又可以有很高的接收数据成功率；

(3)采用周期性休眠模式和正常工作模式(周期性待机的工作模式)，在设备未通信时，大幅度降低待机功耗，即便设备处于闲置时，也能保证突然进入实验后，与终端设备恢复通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的无线传感器的低功耗控制方法流程图；

图2为本发明的低功耗控制流程示意图；

图3为本发明的周期性休眠模式时序图；

图4为本发明的正常工作模式时序图；

图5为本发明的无线传感器的低功耗控制系统模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-4所示，本发明的一种无线传感器的低功耗控制方法，其中，包括如下步骤：

S1：上电后，对无线传感器进行初始化，无线传感器进入正常工作模式，接收到终端设备的采集指令后，进行数据采集；

S2：在正常工作模式下，如果在第一预设时间内没有接收到终端设备的采集指令，则无线传感器从正常工作模式进入周期性休眠模式；

S3：在周期性休眠模式下，周期性地检测是否接收到终端设备的采集指令，如果接收到终端设备的采集指令，则无线传感器从周期性休眠模式进入正常工作模式。

本方法分为两种工作模式，正常工作模式和周期性休眠模式。上电后会对系统进行初始化，同时会根据当前接收数据(终端设备的采集指令)的情况来判断进入对应的工作模式：当无线传感器在正常工作模式下，一定时间内未收到终端设备的采集指令时会进入周期性休眠模式；在周期性休眠模式下，周期性地检测是否接收到终端设备的采集指令，保证超低功耗的同时又能随时被终端设备唤醒，切换到正常工作模式。本方法可保证现场工作时，静载荷实验做完，即便不关闭无线传感器，放置一段时间后无线传感器也能进入休眠状态，节省电能；继续实验时，无线传感器检测到采集指令即可进入正常工作模式，无需重新进行安装或配置等繁琐的人工操作。

其中，所述步骤S3中，周期性休眠模式包括N个大周期，其中N为正整数；

每个大周期包括若干个小周期；

每个小周期包括接收状态和休眠状态，无线传感器在接收和休眠两个状态下切换工作，当处于接收状态时，如果获取到终端设备或相同信道无线传感器的采集指令或数据时，则退出周期性休眠模式。

下面举例对周期性休眠模式进行说明，如图3所示，当无线传感器未收到终端设备(测控器)的采集指令时，无线传感器会进入周期性休眠模式，一个大周期里面包括五个小周期(五个小周期仅为举例说明，可根据实际情况进行增加或减少)，每个小周期包括接收和休眠两种状态，无线传感器在接收和休眠两个状态下切换工作，当处于接收状态时，如果获取到终端设备或相同信道无线传感器的采集指令或数据时，则退出周期性休眠模式。

其中，同一个大周期下的接收状态时间和休眠状态时间各不相同。

如图3所示，一个大周期下五个接收状态和休眠状态的时间不一，具体如表1所示，一个大周期下五个接收状态时间和休眠状态时间依次增加，增大接收状态和休眠状态时间可以有效保证低功耗，同时又可以有很高的接收数据成功率。

表1周期性休眠模式下接收状态时间和休眠状态时间表

其中，当终端设备同时接入多个无线传感器时：

根据传感器内网地址的不同，设定每个无线传感器按照不同的初始休眠时间进入周期性休眠模式。

如表1所示，其中Addr是传感器内网地址，用于一台终端设备接入多个无线传感器时，可分开进行数据的接收，保证数据接收的成功率。无线传感器内网地址分为1-4(四个无线传感器仅为举例说明，可根据实际情况进行增加或减少)，多个传感器进入周期性休眠模式的时间不一，与内网地址有关，表1结合图3所示，左侧虚线是无线传感器从正常工作模式第一预设时间(如60秒)内未收到数据后，进入周期性休眠模式，即第一个大周期，每个无线传感器进入周期性休眠模式的初始休眠时间为(21+100-Addr-1)x10 ms，第二个大周期开始按照表1中的接收状态时间和休眠状态时间进行休眠。

其中，所述步骤S2中，正常工作模式包括若干个周期；

每个周期依次包括接收状态、发送状态和待机状态，当无线传感器处于接收状态时，如果获取到终端设备的采集指令，则进入发送状态，将采集的数据发送回终端设备，然后进入待机状态，以此循环；

当无线传感器处于接收状态时，如果在第一预设时间内没有获取到终端设备的采集指令，则进入周期性休眠模式。

在现场工地的环境中，设备(无线传感器)安装后，并不全天候的进行实验，设备有一部分时间处于闲置的状态，对于设备闲置时，若一直工作在接收状态下，功耗会很大；若让设备直接进入休眠模式，当设备收到采集指令需要立刻启动工作时，会出现无法唤醒通信的情况。本方法中采用周期性休眠模式和正常工作模式(周期性待机的工作模式)，在设备未通信时，大幅度降低待机功耗，即便设备处于闲置时，也能保证突然进入实验后，与终端设备恢复通信。通过采用周期性休眠和周期性待机无缝切换的控制方法，实现无线传感器超低功耗，极大的提升无线传感器的续航能力。

其中，所述第一预设时间为1分钟。

下面举例对正常工作模式进行说明，如图4所示，为保证超低功耗的同时，又要保证数据传输的成功率，当无线传感器被唤醒后，发送一次数据后射频模块会进入待机状态并记录当前时间，根据周期1秒一次，当终端设备将采集指令发送后，终端设备处于一个发送指令的空档时间，无线传感器回发数据后进入一个待机的状态，在下一个指令发过来的周期前30ms-50ms会进行唤醒进入接收状态，当无线传感器进入接收状态后1分钟内未接收到指令会进入周期性休眠模式。使用这种正常工作模式，在1秒时间内，无线传感器的状态分为三个状态，接收(RX)-发送(TX)-待机，其中待机时间为970ms，接收时间为20ms，发送数据时间<10ms，在待机期间无线传感器以低功耗模式进行工作，并可提前进入接收状态，保证数据正常接收，即可做到超低功耗的同时，也保证数据的正常传输。

这样，本实施例中的方法可保证现场工作时，静载荷实验做完，即便不关闭无线传感器，放置一段时间后无线传感器也能进入休眠状态，节省电能；继续实验时，无线传感器检测到采集指令即可进入正常工作模式，无需重新进行安装或配置等繁琐的人工操作。

实施例二

提供一种系统，其采用了如实施例一所述的无线传感器的低功耗控制方法，如图5所示，其中，所述系统包括：

微控制器模块、数据采集模块、无线传输模块、液晶显示屏模块、电源模块以及GPS模块；

所述数据采集模块，与微控制器模块电性连接，用于实时采集实验数据并发送至微控制器模块进行处理；

所述无线传输模块，与微控制器模块通信连接，用于传输经过微控制器模块处理的数据至终端设备，并接收终端设备发送的采集指令；

所述液晶显示屏模块，与微控制器模块电性连接，用于显示经过微控制器模块处理的实验数据；

所述GPS模块，与微控制器模块电性连接，用于对无线传感器进行定位，并将定位数据发送至微控制器模块进行处理；

所述微控制器模块，用于根据采集指令的接收情况，进行无线传感器正常工作模式和周期性休眠模式的切换；

所述电源模块，与微控制器模块、数据采集模块以及无线传输模块分别电性连接，用于向微控制器模块、数据采集模块以及无线传输模块供电。

无线传感器，结构上采取防水防尘设计，通过伸出的自恢复型拉杆检测位移变化，可通过屏幕以及上传数据到设备查看当前数值，具有休眠开关、手动清零、手动设置无线通信信道以及信道自适应功能，信道范围1-8，传感器支持多个信道通信，支持多套设备同时进行实验，并且不受干扰，可自动组网配置信道，也可手动通过调整伸拉杆到指定位置，按下开关键后再开机即可修改通信信道，使用设备进行传感器组网时，不需要进行手动设置信道，设备会在固定的信道范围之内查找传感器，当传感器在某一信道被找到会将该传感器信道修改为设备所设置的信道；传感器满量程为50mm；相比替代传统的有线传感器，适应多种工作环境，传感器到设备的通信距离可达100米，该工作方式具有超低功耗，超长待机等优点，休眠功耗为<0.095uA，待机功耗<7mA，发送功耗<11mA，防护等级到IP68。

其中，所述无线传输模块采用Lora进行无线传输。

无线传感器均采用超低功耗Lora无线传输方案。

这样，本实施例中的系统可保证现场工作时，静载荷实验做完，即便不关闭无线传感器，放置一段时间后无线传感器也能进入休眠状态，节省电能；继续实验时，无线传感器检测到采集指令即可进入正常工作模式，无需重新进行安装或配置等繁琐的人工操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。