無線傳感網(wǎng)節(jié)點的低功耗設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來信息技術(shù)研究的一個重要研究領(lǐng)域，它融合了傳感器、計算機(jī)科學(xué)、信號與信息處理、通信等多個領(lǐng)域的技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成,可通過無線通信方式形成一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是當(dāng)前國際上備受關(guān)注、涉及多學(xué)科、高度交叉、知識高度集成的前沿研究領(lǐng)域。作為一項新興的技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到國外學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注，其在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低能耗、低成本、易于實現(xiàn)、傳輸可靠等優(yōu)點。而且由于其本身的冗余性、無線性、網(wǎng)絡(luò)的自組織性，因而具有較強(qiáng)的抗破壞能力山。

1  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

通常情況下，無線傳感器節(jié)點由電池供電。供電布設(shè)完畢后，電池一般難以充電或進(jìn)行更換。同時,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求的工作時間較長,通常是幾年甚至幾十年，因此，提高能量效率以延長工作時間已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的設(shè)計原則之一。為了提高無線傳感器的能量效率,必須設(shè)計出一套從硬件到軟件的、完整的節(jié)點低功耗設(shè)計方案。

圖1所示是一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。

由圖可見，一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由分布在監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點、匯集節(jié)點、Internet或通信衛(wèi)星、用戶監(jiān)控終端組成。傳感器節(jié)點散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點都可以采集外界數(shù)據(jù)，并通過“多跳自組織”方式傳送匯集節(jié)點，匯集節(jié)點一方面通過自身的無線收發(fā)單元接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并上傳到Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信終端，另一方面，可接收來自網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星終端的命令并傳達(dá)給傳感器節(jié)點。用戶監(jiān)控終端可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星獲取傳感器節(jié)點釆集到的信息，從而達(dá)到對布網(wǎng)區(qū)域的實時監(jiān)控。

2  WSN硬件及物理層的低功耗設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源管理單元等等四部分⑵。其中數(shù)據(jù)釆集模塊由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換單元組成，傳感器將外界異動信息(如溫度、濕度等)轉(zhuǎn)換成電信號,再通過A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊則通過對數(shù)據(jù)作適當(dāng)?shù)奶幚砼c存儲，然后將信息通過無線通信模塊發(fā)送給其他傳感器節(jié)點或匯集節(jié)點。電源管理單元負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的電壓給其它各模塊。具體的節(jié)點組成如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊的能耗主要由傳感器的特性決定，傳感器的種類很多，可以檢測溫/濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度等物理量，不同種類的傳感器及其不同性能要求會帶來數(shù)據(jù)釆集模塊能耗的較大差異。例如溫/濕度傳感器STHxx系列能支持低功耗模式,采集完數(shù)據(jù)后可自動轉(zhuǎn)入休眠模式，其電流小于1庭技加速度傳感器ADX210可以測量雙軸向加速度，能耗低于0.6mA,單電源供電范圍為3?5.25V,而圖像傳感器CIS-VF10則功率較高，通?？梢赃_(dá)到100mW。

數(shù)據(jù)處理能耗主要來自于處理器和存儲器兩部分。以低端微控制器為代表的節(jié)點處理器的處理能力不強(qiáng)，但能耗極低，如MSP430系列單片機(jī)在電壓為1.8?3.6V、1MHz時鐘條件下的運行耗電電流為0.1?400mA。但采用ARM處理器為代表的高端處理器的節(jié)點能耗相比之下卻要大很多，但這些高端處理器大多支持動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)或動態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)等節(jié)能策略，同時處理能力強(qiáng)，適合高數(shù)據(jù)傳輸速率和高數(shù)據(jù)吞吐率的應(yīng)用。如ARMSA-1100微處理器的功耗在50~1100mW不等。存儲器的能耗主要來自于ROM和RAM,ROM的邏輯結(jié)構(gòu)簡單，其能耗主要來自于生產(chǎn)工藝，RAM能耗主要來自于內(nèi)部電流能耗和存儲器與外部電路進(jìn)行工作時所產(chǎn)生的能耗，所以，選用合適的存儲器以及電路搭配方案也可以進(jìn)一步減少處理器模塊的能耗。

無線通信模塊的能耗主要來自于功率放大器的能耗，合理的功率放大可以有效保證接收信號的能量,克服信道衰落等因素的影響。而選用合適的調(diào)制技術(shù)則能有效減少功率放大器的能耗，通常釆用多進(jìn)制調(diào)制比釆用二進(jìn)制調(diào)制需要更大的發(fā)射功率，而采用二進(jìn)制調(diào)制在相同的誤碼率情況下-2PSK的能耗是2FSK能耗的一半,2FSK是ASK的一半。但多進(jìn)制調(diào)制技術(shù)以其頻譜效率高仍然用于實際系統(tǒng)中，不同的多進(jìn)制調(diào)制，其單位比特能耗也不同，如16QAM的單位比特能耗要小于16PSK信號。同時,利用傳感器節(jié)點自身的特點也可采用動態(tài)功率管理(DPM)以進(jìn)一步降低節(jié)點能耗，例如在保證檢測質(zhì)量及通信性能的前提下，關(guān)閉節(jié)點或節(jié)點上的一部分空閑模塊。

3  傳感網(wǎng)MAC層的節(jié)能設(shè)計

MAC層位于物理層之上，它直接控制著無線信號的接收和發(fā)送,MAC層的主要任務(wù)是解決多個節(jié)點合理、有效地共享信道資源的問題,在信道共享過層中，往往會浪費許多不必要的能耗，這些能耗主要來自于網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點競爭通信產(chǎn)生的沖突、空閑節(jié)點長時間空閑監(jiān)聽信道以及其他相鄰節(jié)點的串聽，一般無線通信模塊的狀態(tài)可以分為發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑監(jiān)聽狀態(tài)和無線收/發(fā)信機(jī)的休眠狀態(tài)，在各狀態(tài)中節(jié)點的能耗依次減小，休眠狀態(tài)的能耗最小，因此，為達(dá)到有效節(jié)能的目的，節(jié)點應(yīng)盡量長時間的處于休眠狀態(tài)，盡最大可能避免空閑監(jiān)聽和串聽造成的能量浪費。所以，節(jié)點休眠的激活方式是設(shè)計考慮的重點。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達(dá)時，發(fā)送節(jié)點如何使接收節(jié)點同時激活完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，可以采用兩種解決辦法，即主動喚醒方式和被動等待方式。

在主動喚醒方式中，節(jié)點通常需要兩套收發(fā)信機(jī)，一套專門用于信道的偵聽，當(dāng)業(yè)務(wù)到來時,發(fā)送節(jié)點在開始發(fā)送分組之前負(fù)責(zé)喚醒用于業(yè)務(wù)收發(fā)的無線收發(fā)信機(jī)。這套收發(fā)系統(tǒng)需要功耗盡可能低。為了進(jìn)一步節(jié)省能耗，低能耗的收發(fā)信機(jī)并非一直處于激活狀態(tài)，可以在某個占空比周期激活一段時間，以檢測喚醒信號。這種方式既保證了節(jié)點最大化的時間休眠，同時又可以在業(yè)務(wù)到達(dá)時刻隨時激活接收節(jié)點。但它增加了傳感器節(jié)點的硬件復(fù)雜度，所以，在節(jié)點體積沒有限制的情況下，可以釆用此方式。

被動等待方式則依據(jù)一定的規(guī)則定時激活，收發(fā)節(jié)點可以同時激活(同步方式)，也可以有先后的激活(異步方式)。比較常用的同步激活方式有T-MAC和D-MAC,其中T-MAC是根據(jù)業(yè)務(wù)的需求來動態(tài)調(diào)整節(jié)點休眠時間的占空比，最大限度的獲取休眠時間，以減少空閑偵聽；D-MAC是沿著固定的業(yè)務(wù)流向來實現(xiàn)相鄰節(jié)點的休眠同步。在異步方式下，按照獲知節(jié)點的激活信息方式可分為發(fā)送喚醒方式和等待通知方式，發(fā)送喚醒方式是發(fā)送節(jié)點在發(fā)送分組之前首先發(fā)送一段喚醒導(dǎo)頻，接收節(jié)點在極短的時間間隔內(nèi)檢測無線信道內(nèi)的喚醒導(dǎo)頻，這種方式是以犧牲額外的發(fā)送喚醒導(dǎo)頻能量來避免空閑偵聽消耗的能量。等待通知方式是發(fā)送節(jié)點收到接收節(jié)點的激活通知時才開始發(fā)送分組,這種方式以犧牲待發(fā)偵聽信標(biāo)的能耗為代價來避免空閑監(jiān)聽能耗。通常只能用于業(yè)務(wù)量較低且對時延要求不高的場合。

4  傳感器網(wǎng)絡(luò)層的節(jié)能思路

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層的節(jié)點能耗主要取決于節(jié)點的路由算法。在WSN中，路由協(xié)議不僅關(guān)心單個節(jié)點的能量消耗，還要考慮整個網(wǎng)絡(luò)的能量均耗，所以，在網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動態(tài)調(diào)整路由協(xié)議及參數(shù)，以達(dá)到高效利用能量，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。在網(wǎng)絡(luò)層常用的優(yōu)化方法有數(shù)據(jù)融合機(jī)制，節(jié)點休眠機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)機(jī)制。數(shù)據(jù)融合思想必須使用在以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中傳輸時，中間節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容將來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)融合成更少的出口數(shù)據(jù)然后再轉(zhuǎn)發(fā)。如果無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的布設(shè)密度比較大，可以采用節(jié)點休眠機(jī)制，在不明顯降低網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視質(zhì)量的情況下，讓一部分節(jié)點轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)并讓它們輪替工作，以節(jié)省無線傳感器節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，延長工作壽命。在SPIN路由算法中常釆用網(wǎng)格自適應(yīng)機(jī)制來動態(tài)調(diào)整路由協(xié)議，使其網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以對自身的能源進(jìn)行管理，并根據(jù)節(jié)點自身的能量等級改變工作模式匸、當(dāng)剩余節(jié)點能量達(dá)到閾值時，使節(jié)點減少在協(xié)議中的參與行為。

5  未來WSN的節(jié)能措施

目前，惡劣的工作環(huán)境、信道衰落、干擾及無線信號傳輸?shù)牟灰?guī)則性，都給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的無線通信方案設(shè)計帶來了挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的多輸入多輸出(MI-MO)技術(shù)可以提高傳輸?shù)目煽啃?、能量使用率和帶寬效率等，但無法讓MIM0技術(shù)應(yīng)用到低成本、小尺寸的傳感器中，最新的基于單天線的傳感器虛擬MIMO方案能夠有效提高節(jié)能效率，它可使多個單天線節(jié)點形成虛擬天線陣列，每個節(jié)點被視為陣列中的一副天線,這些節(jié)點會以MIMO的方式進(jìn)行信息的發(fā)送與接收，實驗表明，采用多跳MIOMO—LEACH方案的傳感器網(wǎng)絡(luò)的存活時間約為采用傳統(tǒng)LEACH協(xié)議的12倍。同時，由于通信代價比計算代價高幾個數(shù)量級，一項新技術(shù)，也就是數(shù)據(jù)聚合技術(shù)也成為了當(dāng)今無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點，它利用傳感器節(jié)點的本地處理能力對采集到或接收到的其他傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)處理，并消除冗余信息,然后再傳輸處理后的數(shù)據(jù)，這樣，就可以用數(shù)據(jù)處理消耗的極少能量換取通信傳輸過程中的大量能耗。

6  結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的一個重要分支。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集的重要組成部分,即傳感器節(jié)點來說，由于需要采用電池供電，因此，如何降低傳感器節(jié)點的功耗，已經(jīng)成為當(dāng)今各研究單位的一個難題。本文主要從傳感器網(wǎng)絡(luò)各協(xié)議層出發(fā),分析了各層之間如何降低節(jié)點功耗的措施以及方法，并分析了在大量數(shù)據(jù)處理中節(jié)點的節(jié)能問題。