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

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(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)點組成結(jié)構(gòu)、能量消耗以及節(jié)點間傳播方式的基礎(chǔ)上，提出一種為有效地達到節(jié)能目的所采用的節(jié)點管理方式。該方案采用動態(tài)選擇簇頭節(jié)點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議、快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并在實現(xiàn)硬件的低功耗設(shè)計的條件下進行動態(tài)功耗管理。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點節(jié)能管理；節(jié)點間傳播方式；能耗

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多廉價的節(jié)點組成。這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽瓿蛇@些功能所需的能力由節(jié)點自帶的微機電系統(tǒng)提供。無線傳感器常工作在一些惡劣或危險的環(huán)境中，替換能源比較困難，即使節(jié)點的能源能替換，所花費的代價也比較大。所以，一般對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能源都不進行替換，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，延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。

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

1 無線傳感器節(jié)點的組成結(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、測量電路組成一個模塊—一數(shù)據(jù)采集模塊。

無線傳感器節(jié)點主要有兩類：匯聚節(jié)點和采集節(jié)點。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)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)并進行傳輸，匯聚節(jié)點則負責(zé)收集所有采集節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)。無線傳感器節(jié)點的組成框圖如圖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)進行處理，通常由于微處理器、內(nèi)存等組成。同時，負責(zé)對節(jié)點進行控制管理，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)傳輸模塊負責(zé)與其他節(jié)點進行通信，傳輸節(jié)點所采集的數(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)點主要的能量消耗及減耗分析
 
無線傳感器節(jié)點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部分：動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗，其中降低動態(tài)功耗為減少能量消耗最主要的方面。根據(jù)文獻，微處理器的動態(tài)功率與供電電壓、物理電容、時鐘頻率等有密切的關(guān)系，它們之間的關(guān)系式為：

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

因此，降低動態(tài)功耗可通過降低時鐘頻率和減少供電電壓來實現(xiàn)。文獻中表明了減少供電電壓同時降低時鐘頻率，可降低動態(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。

動態(tài)功耗的管理除了可通過降低各模塊的本身動態(tài)功率來降低功耗，還可采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)(Dynamic Voltage supply，DVS)。DVS技術(shù)可動態(tài)地改變微處理器的工作電壓和頻率時期隨節(jié)點的工作負荷而變化，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)點組成部分中最大的。根據(jù)無線傳感器節(jié)點的要求，射頻電路一般采用低功耗、低價格、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)射時電流只有11 mA，工作在接收模式時的電流為12．5 mA，并具有空閑模式和關(guān)閉模式，便于實現(xiàn)節(jié)能。

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

3 無線傳感器節(jié)點間傳播方式的節(jié)能管理

減少無線傳感器節(jié)點的能耗除可通過動態(tài)功耗管理來實現(xiàn)外，還可通過節(jié)點間傳播方式的節(jié)能管理減少節(jié)點工作負荷來實現(xiàn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多采集節(jié)點、若干匯聚節(jié)點及中轉(zhuǎn)器、控制中心(上位機)組成。其中，采集節(jié)點負責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并和其他節(jié)點進行通信；匯聚節(jié)點負責(zé)其他節(jié)點所上傳數(shù)據(jù)的收集，并下發(fā)有中轉(zhuǎn)器傳來的命令；中轉(zhuǎn)器負責(zé)上傳匯聚節(jié)點收集來的數(shù)據(jù)，并將控制中心的命令轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點；控制中心負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的廣利控制，并將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)達給用戶。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布方式具有以下幾個特點：

(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點位置是隨機分布的，需其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有自組織性。在實際工作環(huán)境中，傳感器節(jié)點通常不能精確定位，節(jié)點間的關(guān)系無法預(yù)先得知，這就需要傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自行建立和組織網(wǎng)絡(luò)。

(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量眾多，分布范圍廣。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了保證獲取精確信息，在其監(jiān)測區(qū)域內(nèi)需部署大量的傳感器節(jié)點。

(3)節(jié)點間通信距離不長。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間點到點通信距離通常只有幾十到幾百米。

從以上網(wǎng)絡(luò)組成和節(jié)點分布方式來看，要減少節(jié)點的工作負荷，需減少節(jié)點間的通信時間及通信距離。不同的傳播方式對無線傳感器節(jié)點間通信時間及通信距離有著重要的影響。在節(jié)點間的傳播方式中，良好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和資源管理策略能有效地降低節(jié)點工作負荷，延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。為此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳播方式應(yīng)以數(shù)據(jù)為中心，采用自組織、多跳路由，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用動態(tài)拓撲。此外，還可采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，進行快速的信息融合和分離，將提高網(wǎng)絡(luò)運行效率和隨機選擇最佳路徑的能力。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于傳感節(jié)點的計算能力、存儲能力、自身攜帶的能量十分有限而且拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化而有其特殊性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議因其特殊性，其中的路由協(xié)議和MAC協(xié)議是與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有很大的不同。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議決定無線信道的使用方式。MAC層協(xié)議在設(shè)計時需要考慮能源有效性，從而根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計簡單高效的協(xié)議。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議可分為能量感知路由、基于查詢的路由、地理位置路由、可靠路由協(xié)議幾類。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點和應(yīng)用需求，宜采用自組織、多跳路由的路由協(xié)議。

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中節(jié)點只具有傳輸功能，以傳輸為目的，為各應(yīng)用程序提供網(wǎng)絡(luò)傳輸上的支持，不對數(shù)據(jù)進行處理。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，其目的是獲取被感知對象的長期、準確的特征信息。采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳感數(shù)據(jù)的快速、合理分組，減少數(shù)據(jù)冗余度，獲得到更合理的數(shù)據(jù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)運行效率。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量眾多且分布密集，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)。在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，采用動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，去除節(jié)點間不必要的通信鏈路，從而形成優(yōu)化的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，良好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)采用節(jié)點功率控制和層次型拓撲組織結(jié)構(gòu)。節(jié)點功率控制根據(jù)節(jié)點通信距離及時間變化調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的發(fā)射功率，從而減少各節(jié)點不必要的發(fā)射、功率。層次型拓撲控制利用分簇機制，來減少單跳通信距離，由此降低能耗。

4 無線傳感器節(jié)點節(jié)能管理方案

從以上節(jié)點各部分能量消耗和節(jié)點間傳播方式的特點來看，為有效地達到節(jié)能目的，無線傳感器節(jié)點的節(jié)能管理可通過動態(tài)功耗管理和減少節(jié)點工作負荷的方法來降低無線傳感器節(jié)點的能耗。

無線傳感器節(jié)點管理方式的節(jié)能措施可從以下幾點來考慮：通過動態(tài)功耗管理和降低節(jié)點工作負荷來減少射頻模塊的工作時間，即減少節(jié)點之間的通信量；減少射頻模塊發(fā)射功率；減少微處理器的工作時間。要實現(xiàn)這幾點，不僅要從硬件設(shè)計來解決還要從軟件管理層來考慮。

無線傳感器節(jié)點的管理軟件包括傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制、無線數(shù)據(jù)傳輸控制、電池狀態(tài)監(jiān)測、充電控制程序等部分。減少微處理器的功耗可通過微處理器的動態(tài)功耗管理來實現(xiàn)，而能耗最大的射頻電路的收發(fā)則由無線數(shù)據(jù)傳輸部分軟件來控制。
 
無線數(shù)據(jù)傳輸部分軟件包括射頻和基帶兩部分，射頻部分提供數(shù)據(jù)通信的空中接口，基帶部分提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組。微處理器負責(zé)鏈路管理與控制，執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)的處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。因此，在基帶部分采用自組織、多跳路由、層次式、動態(tài)拓撲組織結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以減少通信量并均衡各節(jié)點能量，降低節(jié)點能耗，從而延長節(jié)點壽命。

為避免信息重疊而造成重復(fù)通信、浪費資源，自組織、多跳路由的協(xié)議采用層次式設(shè)計，使得節(jié)點間的通信時間及通信距離縮短。由于層次式設(shè)計中作為簇頭節(jié)點能量消耗最大，有可能提前消耗完而使部分網(wǎng)絡(luò)癱瘓，所以，為均衡各節(jié)點能量，路由協(xié)議要采用動態(tài)地隨機選擇簇頭節(jié)點及路徑的辦法。當(dāng)某一簇頭節(jié)點的能量消耗過大時，傳感器網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)簇頭節(jié)點的能量消耗狀況，動態(tài)地選擇能量消耗少的節(jié)點，平衡節(jié)點的能量消耗，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)能夠提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的效率，有利于節(jié)省能量來延長網(wǎng)絡(luò)壽命。采用動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點選擇，去除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，進行高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

同時，在基帶部分功率模式管理中，采用動態(tài)管理的方式對功率模式進行控制，減少不必要的功率輸出。與傳統(tǒng)的功率控制不同，動態(tài)管理的方式使用啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制，使節(jié)點狀態(tài)在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這種方式能盡量節(jié)省空閑時間的能量消耗，在性能和能耗之間取得平衡。

數(shù)據(jù)采集控制部分軟件除控制傳感器進行數(shù)據(jù)采集外，基于節(jié)能考慮，可增加數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)處理部分采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)在傳感器節(jié)點對信息進行快速的融合和分離。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不必將數(shù)據(jù)以端到端的形式傳送給匯聚節(jié)點，只要有效數(shù)據(jù)最終匯集到匯聚節(jié)點就達到目的了。所以，為了減少流量和能耗，傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點經(jīng)常將不同的入口報文融合成數(shù)目更少的出口報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳。經(jīng)過這樣的處理，整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)冗余度降低、通信量減少，節(jié)省了存儲資源和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

5 結(jié)論

通過對無線傳感器節(jié)點的組成、各部分能量消耗和節(jié)點間傳播方式的分析，提出一種無線傳感器節(jié)點節(jié)能管理方案，該方案在動態(tài)選擇簇頭節(jié)點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議下，采用快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，并在實現(xiàn)硬件的低功耗設(shè)計的條件下進行動態(tài)功耗管理。