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、計算機科學、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)，是當前國際上備受關(guān)注、涉及多學科、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)療護理等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，被認為是21世紀產(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?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。電源管理單元負責提供穩(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_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，但能耗極低，如MSP430系列單片機在電壓為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，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，通常釆用多進制調(diào)制比釆用二進制調(diào)制需要更大的發(fā)射功率，而采用二進制調(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。當業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達時，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，一套專門用于信道的偵聽，當業(yè)務(wù)到來時,發(fā)送節(jié)點在開始發(fā)送分組之前負責喚醒用于業(yè)務(wù)收發(fā)的無線收發(fā)信機。這套收發(fā)系統(tǒng)需要功耗盡可能低。為了進一步節(jié)省能耗，低能耗的收發(fā)信機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)融合機制，節(jié)點休眠機制以及網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)機制。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、當剩余節(jié)點能量達到閾值時，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。