無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)能管理方式的研究

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多、自身攜帶的能量十分有限。為了延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，需采用有效的策略降低能耗。在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)、能量消耗以及節(jié)點(diǎn)間傳播方式的基礎(chǔ)上，提出一種為有效地達(dá)到節(jié)能目的所采用的節(jié)點(diǎn)管理方式。該方案采用動(dòng)態(tài)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)的自組織、多跳路由、層次式拓?fù)浣M織結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議、快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并在實(shí)現(xiàn)硬件的低功耗設(shè)計(jì)的條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗管理。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)節(jié)能管理；節(jié)點(diǎn)間傳播方式；能耗

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)組成。這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，而完成這些功能所需的能力由節(jié)點(diǎn)自帶的微機(jī)電系統(tǒng)提供。無線傳感器常工作在一些惡劣或危險(xiǎn)的環(huán)境中，替換能源比較困難，即使節(jié)點(diǎn)的能源能替換，所花費(fèi)的代價(jià)也比較大。所以，一般對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能源都不進(jìn)行替換，而是采用有效的策略降低能耗，盡量延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。采用適當(dāng)?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理方式會對網(wǎng)絡(luò)性能有很大提高，有效地降低能耗，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。

本文通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)、能量消耗以及節(jié)點(diǎn)間傳播方式的研究，尋求一種為有效地達(dá)到節(jié)能目的所采用的節(jié)點(diǎn)管理方式。

1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)

傳感器通常是指能感受被測非電量并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成便于處理與傳輸?shù)碾娏康钠骷蜓b置。它一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路、電源電路組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)除具有一般傳感器的功能外，還包含有無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及數(shù)據(jù)管理模塊，通常還將敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測量電路組成一個(gè)模塊—一數(shù)據(jù)采集模塊。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要有兩類：匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)。它們在硬件配置上基本相同，但功能上有所區(qū)別。采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸，匯聚節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)收集所有采集節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集模塊與一般傳感器一樣，可采集溫度、光強(qiáng)度、壓力、位移、流量、液位、加速度等非電量信息，并將其轉(zhuǎn)換成適于傳輸和測量的信號，再通過A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

數(shù)據(jù)處理模塊對采集所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通常由于微處理器、內(nèi)存等組成。同時(shí)，負(fù)責(zé)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制管理，這其中包括數(shù)據(jù)處理操作、根據(jù)路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制、功耗管理、任務(wù)處理等。

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，傳輸節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)信息，交換網(wǎng)絡(luò)控制信息。

電源電路模塊為數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及提供數(shù)據(jù)采集模塊提供所需的能量，一般由電源、電壓轉(zhuǎn)換電路組成。目前，電源的提供通常使用固定電池或太陽能電池。

2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要的能量消耗及減耗分析

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要來自于數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器調(diào)理電路、數(shù)據(jù)處理模塊的微控制器和內(nèi)存、數(shù)據(jù)傳輸模塊的射頻電路。

傳感器調(diào)理電路所使用的能量較小，減少能量消耗的空間不大。

微處理器的功耗可分為兩個(gè)部分：動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗，其中降低動(dòng)態(tài)功耗為減少能量消耗最主要的方面。根據(jù)文獻(xiàn)，微處理器的動(dòng)態(tài)功率與供電電壓、物理電容、時(shí)鐘頻率等有密切的關(guān)系，它們之間的關(guān)系式為：

式中：PD為動(dòng)態(tài)功率；V為供電電壓；C為物理電容；f為時(shí)鐘頻率；a為活動(dòng)因子。

因此，降低動(dòng)態(tài)功耗可通過降低時(shí)鐘頻率和減少供電電壓來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)中表明了減少供電電壓同時(shí)降低時(shí)鐘頻率，可降低動(dòng)態(tài)功耗，處理器的工作狀態(tài)從200 MHz和1．5 V轉(zhuǎn)換到150 MHz和1．2 V，可以節(jié)省52％的功耗。

動(dòng)態(tài)功耗的管理除了可通過降低各模塊的本身動(dòng)態(tài)功率來降低功耗，還可采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)(Dynamic Voltage supply，DVS)。DVS技術(shù)可動(dòng)態(tài)地改變微處理器的工作電壓和頻率時(shí)期隨節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)荷而變化，從而減少較空閑期不必要的功率輸出。

射頻電路的能量消耗是節(jié)點(diǎn)組成部分中最大的。根據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的要求，射頻電路一般采用低功耗、低價(jià)格、尺寸小的成熟器件。選用這類射頻電路因考慮到能耗，輸出功率應(yīng)低并具有節(jié)能模式。例如，挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905，其功耗很低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，工作在接收模式時(shí)的電流為12．5 mA，并具有空閑模式和關(guān)閉模式，便于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

可通過微處理器動(dòng)態(tài)地控制射頻模塊的工作模式，使其隨工作負(fù)荷情況的變化在工作模式、空閑模式間轉(zhuǎn)換，以減少功耗。