無線傳感器低功耗設(shè)計(jì)

　　由于對(duì)運(yùn)動(dòng)中物體的傾角測量在交通、航天、軍事等領(lǐng)域有著重要的意義，這里采用加速度傳感器對(duì)傾斜角進(jìn)行測量，介紹混合自動(dòng)控制算法的應(yīng)用。基本思路：無線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)環(huán)境變量的連續(xù)性變化，對(duì)傳感器執(zhí)行離散的處理應(yīng)用，當(dāng)環(huán)境參數(shù)改變(增加或減小)時(shí)，傳感器的狀態(tài)變量相應(yīng)改變，當(dāng)改變到臨界點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一功率狀態(tài)。首先對(duì)系統(tǒng)作如下要求：變量x表示所測量的傾斜角度值，最高為30°，最低為8°，它代表環(huán)境參數(shù)的改變，是各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的主要因素；變量z為計(jì)時(shí)器，用于狀態(tài)的計(jì)時(shí)。為了簡化控制過程，把系統(tǒng)分為三個(gè)狀態(tài)，l1為睡眠狀態(tài)，此時(shí)傳感器模塊和無線收發(fā)器都處于不活動(dòng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)保持l1狀態(tài)為60 s。其不等式條件為z≤ 60，當(dāng)z>60時(shí)，轉(zhuǎn)入狀態(tài)l2。狀態(tài)l2和l3表示不同的采集和無線傳輸頻率的活動(dòng)狀態(tài)，狀態(tài)l2下的采集和無線傳輸頻率低于l3，此時(shí)每間隔 10 s發(fā)送一次采集的傾斜角度數(shù)據(jù)，在發(fā)送完之后，無線收發(fā)器和傳感器進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)等待下一個(gè)周期的到來。運(yùn)行過程中，當(dāng)傾斜角的變化在O．5°～5°之間 (O．5≤|x-xold|≤5)且傾斜角度不超過30°(x≤30°)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)l2；當(dāng)傾斜角度變化大于5°(|x-xold|>5) 或x>30°時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)l3運(yùn)行；當(dāng)傾斜角度變化小于0．5°(|x-xold|0．5)且x≤30°時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)l1。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。

　　在狀態(tài)l3下。節(jié)點(diǎn)各部分都處于活動(dòng)狀態(tài)，每間隔1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，用于傾斜角度變化過快或角度達(dá)到了高危值。節(jié)點(diǎn)開始于狀態(tài)l2，一般情況下，當(dāng)傾斜角不發(fā)生變化或變化值低于O．5°，系統(tǒng)在狀態(tài)l1和 l2之間轉(zhuǎn)換，即數(shù)據(jù)在每間隔60 s發(fā)送一次，間隔期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式，以節(jié)省能耗。如果變化值超過O．5°，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)l2，否則，當(dāng)變化值超過5°，就進(jìn)入狀態(tài)l3。使用該算法，在傾斜角變化正常的情況下，設(shè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)直接和sink節(jié)點(diǎn)通信，則節(jié)點(diǎn)大部分的時(shí)間處于狀態(tài)l1。

圖5為混合自動(dòng)控制算法在MSP430和nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的簡化流程圖。

　　5 結(jié)語

　　由于傳感器節(jié)點(diǎn)各部分存在著多種工作模式并且能量消耗差異較大，所以通過動(dòng)態(tài)功率管理方法可以在系統(tǒng)級(jí)有效地降低節(jié)點(diǎn)的功耗，這里在介紹無線傳感器動(dòng)態(tài)功率管理基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種典型的動(dòng)態(tài)功率管理方法進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境參數(shù)(如加速度、溫度等)變化穩(wěn)定的情況下，通過混合自動(dòng)控制算法對(duì)環(huán)境變量的變化值范圍劃分來設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制無線收發(fā)模塊的收發(fā)頻率，能增加節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，減少收發(fā)次數(shù)，從而有效地降低系統(tǒng)功耗，最后通過 MSP430、nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng)，介紹了混合自動(dòng)控制算法的應(yīng)用。