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無線傳感器低功耗設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-03-01 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/161039.htm

  網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)帶有、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn)組織而成的網(wǎng)絡(luò),因?yàn)樵谲娛隆⒐I(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景而成為近年來的研究熱點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)通常工作在人們難以觸及的環(huán)境中,并且節(jié)點(diǎn)能量有限,難以補(bǔ)充,所以降低、延長使用壽命成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。因此,傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、算法、電路和感知都必須滿足能量有效性。就降低單個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)而言,除在硬件時(shí)采用低元件外,動(dòng)態(tài)功率管理(Dynamic Power Management,DPM)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Supply,DVS)都能有效地降低系統(tǒng)功耗。DPM的基本原理是傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備根據(jù)需求在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行轉(zhuǎn)換,減少節(jié)點(diǎn)不必要的開支,DPM能盡可能使系統(tǒng)各部分運(yùn)行在節(jié)能模式下,從而降低系統(tǒng)功耗。本文從低功耗的角度出發(fā),介紹了無線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成,分析了DPM原理及其算法,研究了混合自動(dòng)控制并對其進(jìn)行改進(jìn),最后通過在MSP430和nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng)中介紹了改進(jìn)的混合自動(dòng)控制算法的應(yīng)用。

  1 系統(tǒng)組成及低功耗設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)組成如圖1所示,數(shù)據(jù)處理單元采用TI公司MSP430系列單片機(jī),無線收發(fā)模塊采用Nordic公司的nRF905。目前國內(nèi)外出現(xiàn)了許多典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái),其中MSP430系列單片機(jī)以其卓越的性能和超低功耗特性,在電池供電的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其低功耗特性有:CPU和外圍模塊可以在不同時(shí)鐘下運(yùn)行,外圍模塊在不使用時(shí)可以關(guān)閉以節(jié)省能耗;處理器的功耗與工作頻率成比例,工作在低頻方式下將大大降低處理器的功耗;CPU功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制:正常運(yùn)行時(shí)電流為160μA,備用時(shí)僅為O.1-μA,功耗極低,為設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。nRF905無線收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡單、可自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn),MSP-430通過SPI接口及相關(guān)指令訪問nRF905的內(nèi)部寄存器。SCA3000-D1是VTI公司的全數(shù)字化低功耗三軸加速度傳感器,量程±2g,電源電壓3.3 V,64組緩沖存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù),在系統(tǒng)一級上面,有先進(jìn)的性能和有效節(jié)能方式,頻響可選,SPI數(shù)字串口通信,抗沖擊力強(qiáng),可以運(yùn)用于許多惡劣的條件下,但是其沒有低功耗模式,通過對其電源模塊的關(guān)斷管理進(jìn)行節(jié)能處理。根據(jù)傳感器測得的傾斜角的連續(xù)變化,對系統(tǒng)進(jìn)行合適的操作,當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)變化到臨界點(diǎn)時(shí),使nRF905,MSP430進(jìn)入不同的功耗模式,通過MSP430控制SCA3000的數(shù)據(jù)采集,從而有效地降低功耗。整個(gè)系統(tǒng)具有電路簡單、功耗低、操作靈活、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

  2 DPM基本原理

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部模塊存在著多種工作狀態(tài),假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的模塊元件,如CPU、存儲(chǔ)器、傳感器、無線收發(fā)器,DPM通過轉(zhuǎn)換工作狀態(tài),使系統(tǒng)各個(gè)部分運(yùn)行在節(jié)能模式下。把節(jié)點(diǎn)的功率狀態(tài)分為Sk(k=O,1,2,3,4)五個(gè)部分。其中:S0表示活動(dòng)狀態(tài),此時(shí)節(jié)點(diǎn)消耗的功率最大;S4表示睡眠狀態(tài),此狀態(tài)下大部分元件處于關(guān)閉狀態(tài),此時(shí)的功耗最小。假設(shè)節(jié)點(diǎn)Nk在某時(shí)刻有事件發(fā)生,Nk在t1時(shí)刻完成事件的處理,下一事件發(fā)生在 t2=t1+ti時(shí)刻,在t1時(shí)刻,節(jié)點(diǎn)決定從狀態(tài)S0轉(zhuǎn)換到狀態(tài)Sk,如圖2所示

  狀態(tài)Sk的功率為Pk,狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為τd,k和τu,k,定義i>j,τd,i>τd,j和τu,i>τu,j,則節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入狀態(tài)Sk節(jié)省的能量為Esave,k,可由等式確定:

由等式確

只有當(dāng)Esave,k>O時(shí)。式(1)才有意義。式中:P0為傳感器處于激活狀態(tài)時(shí)的功率;Pk為睡眠狀態(tài)為Sk時(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)功率;τd,k(τu,k)為傳感器從激活狀態(tài)S0(睡眠Sk)到睡眠狀態(tài)Sk(激活狀態(tài)S0)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

  理想狀態(tài)下,傳感器節(jié)點(diǎn)在完成任務(wù)后迅速進(jìn)入睡眠狀態(tài)并在下一事件到達(dá)時(shí)迅速進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài),能最大程度地節(jié)省能耗,根據(jù)式(1)可得門限時(shí)間:
轉(zhuǎn)換時(shí)間
但事實(shí)上,節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也存在較大的能量消耗和延遲。因此,在進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí),節(jié)點(diǎn)應(yīng)首先在寄存器上保存之前的數(shù)據(jù)和參數(shù)。同時(shí),激活節(jié)點(diǎn)仍然需要大量的能耗和額外的時(shí)間,低功耗模式下消耗的能量越少,轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式時(shí)帶來的延遲就越大,所以,應(yīng)考慮到狀態(tài)轉(zhuǎn)換額外的能耗Padd。當(dāng)且僅當(dāng) Esave,k>Padd時(shí),系統(tǒng)才有意義,因此,可以得出門限時(shí)間:
門限時(shí)間

Tth,k代表傳感器節(jié)點(diǎn)的門限時(shí)間。在節(jié)點(diǎn)的非完全關(guān)閉狀態(tài),事件到達(dá),系統(tǒng)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)入激活的工作狀態(tài),對于完全關(guān)閉的狀態(tài)S4,由于節(jié)點(diǎn)的大部分元件都處于關(guān)閉狀態(tài),節(jié)點(diǎn)無法檢測到事件和收到信息,所以一些事件將會(huì)丟失,根據(jù)剩余能量,得出S4的門限時(shí)間為:
出門限時(shí)間
式中:Vstd代表標(biāo)準(zhǔn)工作電壓,Vpre代表當(dāng)前電壓。

  3 DPM算法

  文獻(xiàn)中提出了基于概率判別無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)功率管理。此方法對于是否進(jìn)入完全關(guān)閉的狀態(tài)S4,給出一個(gè)概率值,利用概率判別來進(jìn)行有效的功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換,如果概率值偏大,則進(jìn)入完全休眠狀態(tài)的機(jī)率增大,能量消耗減少,但事件丟失的可能性增加;否則,使用能量增多,事件丟失的可能性減小。文獻(xiàn)提出了一種利用小波和卡爾曼濾波和自回歸分析聯(lián)合預(yù)測下一事件發(fā)生的時(shí)間來決定進(jìn)入何種功率狀態(tài)的方法。該方法根據(jù)歷史事件的到達(dá)時(shí)間來預(yù)測下一事件的發(fā)生的時(shí)間。在森林火警監(jiān)視、洪水監(jiān)測等特殊事件發(fā)生概率很小。歷史數(shù)據(jù)無法獲得的應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)提出了一種利用小波和自回歸的動(dòng)態(tài)功率管理方法。該方法利用收發(fā)器 (Sink)節(jié)點(diǎn)上的歷史數(shù)據(jù)流預(yù)測未來的值,在后續(xù)周期內(nèi),若傳感器節(jié)點(diǎn)的觀測值不超過給定閾值則不向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),Sink節(jié)點(diǎn)將預(yù)測值作為觀測結(jié)果,通過減少傳感器節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間,降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量來減少傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗。由于無線通信占整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分,所以在不影響系統(tǒng)性能的前提下,有效地對無線收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行管理可以高效地降低系統(tǒng)能耗。混合自動(dòng)控制(Hybrid Automata)是根據(jù)傳感器檢測信息的變化情況來控制傳感器節(jié)點(diǎn)收發(fā)的頻率,通過增加休眠時(shí)間、降低收發(fā)次數(shù)對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率管理,從而降低系統(tǒng)功耗。

  4 混合自動(dòng)控制

  4.1 混合自動(dòng)控制原理

  在混合自動(dòng)控制條件下,系統(tǒng)分為幾個(gè)離散的狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)都有一定的保持條件、相應(yīng)的控制變量、初始值和向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界值。當(dāng)環(huán)境變量改變或保持不變時(shí),通過對形勢加以分析(反饋)來執(zhí)行在不同狀態(tài)模式之間的轉(zhuǎn)換。圖3為混合自動(dòng)控制示意圖。

  假如系統(tǒng)存在兩種狀態(tài)l1和l2,一個(gè)動(dòng)態(tài)變量x,系統(tǒng)開始的狀態(tài)為l1,x的初始值為20,在狀態(tài)l1下,變量x隨著等式不斷增大,當(dāng)x的值等于30時(shí),就達(dá)到了臨界條件,時(shí),迅速地進(jìn)入狀態(tài)l2。在狀態(tài)l2,x隨等式x=x-0.5遞減,臨界條件是 x=25,當(dāng)x25發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)入狀態(tài)l1。在實(shí)際運(yùn)用中,此示意圖可以理解為傾斜角度控制在25°~31°之間。


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