基于MSP430的無線傳感器低功耗設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)帶有傳感器、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?、工業(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)。由于無線傳感器節(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，所以降低功耗、延長使用壽命成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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)功耗而言，除在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用低功耗元件外，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。本文從低功耗設(shè)計(jì)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，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：

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：

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：

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，所以一些事件將會丟失，根據(jù)剩余能量，得出S4的門限時(shí)間為：
  
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?；旌献詣?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)x<25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。

　　4．2 混合自動(dòng)控制算法在無線傳感器節(jié)點(diǎn)上的實(shí)現(xiàn)

　　由于對運(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傾斜角進(jìn)行測量，介紹混合自動(dòng)控制算法的應(yīng)用?；舅悸罚簾o線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)環(huán)境變量的連續(xù)性變化，對傳感器執(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。