無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)節能管理方式的研究論文
摘 要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量眾多、自身攜帶的能量十分有限。為了延長(cháng)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成結構、能量消耗以及節點(diǎn)間傳播方式的基礎上，提出一種為有效地達到節能目的所采用的節點(diǎn)管理方式。該方案采用動(dòng)態(tài)選擇簇頭節點(diǎn)的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協(xié)議、快速的數據融合技術(shù)，并在實(shí)現硬件的低功耗設計的條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗管理。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò );節點(diǎn)節能管理;節點(diǎn)間傳播方式;能耗
0 引 言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由許多廉價(jià)的節點(diǎn)組成。這些網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)具有數據采集、數據處理、數據傳輸的功能，而完成這些功能所需的能力由節點(diǎn)自帶的微機電系統提供。
無(wú)線(xiàn)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，即使節點(diǎn)的能源能替換，所花費的代價(jià)也比較大。所以，一般對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(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(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。采用適當的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理方式會(huì )對網(wǎng)絡(luò )性能有很大提高，有效地降低能耗，延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的壽命。
本文通過(guò)對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成結構、能量消耗以及節點(diǎn)間傳播方式的研究，尋求一種為有效地達到節能目的所采用的節點(diǎn)管理方式。
1 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的組成結構
傳感器通常是指能感受被測非電量并能按一定規律將其轉換成便于處理與傳輸的電量的器件或裝置。它一般由敏感元件、轉換元件、測量電路、電源電路組成。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)除具有一般傳感器的功能外，還包含有無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊及數據管理模塊，通常還將敏感元件、轉換元件、測量電路組成一個(gè)模塊———數據采集模塊。
無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)主要有兩類(lèi)：匯聚節點(diǎn)和采集節點(diǎn)。它們在硬件配置上基本相同，但功能上有所區別。
采集節點(diǎn)負責采集數據并進(jìn)行傳輸，匯聚節點(diǎn)則負責收集所有采集節點(diǎn)所采集的數據。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的組成框圖如圖1所示。
圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的組成框圖數據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，并將其轉換成適于傳輸和測量的信號，再通過(guò)A/D轉換，轉換為數字信號。
數據處理模塊對采集所得數據進(jìn)行處理，通常由于微處理器、內存等組成。同時(shí)，負責對節點(diǎn)進(jìn)行控制管理，這其中包括數據處理操作、根據路由協(xié)議進(jìn)行數據轉發(fā)控制、功耗管理、任務(wù)處理等。
數據傳輸模塊負責與其他節點(diǎn)進(jìn)行通信，傳輸節點(diǎn)所采集的數據信息，交換網(wǎng)絡(luò )控制信息。
電源電路模塊為數據處理模塊、數據傳輸模塊及提供數據采集模塊提供所需的能量，一般由電源、電壓轉換電路組成。目前，電源的提供通常使用固定電池或太陽(yáng)能電池。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)主要的能量消耗及減耗分析無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能量消耗主要來(lái)自于數據采集模塊的傳感器調理電路[1]、數據處理模塊的微控制器和內存、數據傳輸模塊的射頻電路。
傳感器調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[2]，其中降低動(dòng)態(tài)功耗為減少能量消耗最主要的方面。根據文獻[3]，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：PD∝αCV2 f(1)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;α為活動(dòng)因子。
因此，降低動(dòng)態(tài)功耗可通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和減少供電電壓來(lái)實(shí)現。文獻[3]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200MHz和1.5V轉換到150MHz和1.2V，可以節省52%的功耗。
動(dòng)態(tài)功耗的管理除了可通過(guò)降低各模塊的本身動(dòng)態(tài)功率來(lái)降低功耗，還可采用動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)(Dynamic Voltage supply，DVS)[3]。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)期隨節點(diǎn)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點(diǎn)組成部分中最大的。
根據無(wú)線(xiàn)傳感器節點(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(lèi)射頻電路因考慮到能耗，輸出功率應低并具有節能模式。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-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作在接收模式時(shí)的電流為12.5mA，并具有空閑模式和關(guān)閉模式，便于實(shí)現節能。
可通過(guò)微處理器動(dòng)態(tài)地控制射頻模塊的工作模式，使其隨工作負荷情況的變化在工作模式、空閑模式間轉換，以減少功耗。
3 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)間傳播方式的節能管理減少無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能耗除可通過(guò)動(dòng)態(tài)功耗管理來(lái)實(shí)現外，還可通過(guò)節點(diǎn)間傳播方式的節能管理減少節點(diǎn)工作負荷來(lái)實(shí)現。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由許多采集節點(diǎn)、若干匯聚節點(diǎn)及中轉器、控制中心(上位機)組成。其中，采集節點(diǎn)負責數據采集、數據處理并和其他節點(diǎn)進(jìn)行通信;匯聚節點(diǎn)負責其他節點(diǎn)所上傳數據的收集，并下發(fā)有中轉器傳來(lái)的命令;中轉器負責上傳匯聚節點(diǎn)收集來(lái)的數據，并將控制中心的命令轉發(fā)給匯聚節點(diǎn);控制中心負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的廣利控制，并將處理后的數據轉達給用戶(hù)。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)分布方式具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)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(shí)際工作環(huán)境中，傳感器節點(diǎn)通常不能精確定位，節點(diǎn)間的關(guān)系無(wú)法預先得知，這就需要傳感器節點(diǎn)具有自組織能力，能夠自行建立和組織網(wǎng)絡(luò )。
(2)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量眾多，分布范圍廣。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為了保證獲取精確信息，在其監測區域內需部署大量的傳感器節點(diǎn)。
(3)節點(diǎn)間通信距離不長(cháng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)通信距離通常只有幾十到幾百米。
從以上網(wǎng)絡(luò )組成和節點(diǎn)分布方式來(lái)看，要減少節點(diǎn)的工作負荷，需減少節點(diǎn)間的通信時(shí)間及通信距離。不同的傳播方式對無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)間通信時(shí)間及通信距離有著(zhù)重要的影響。在節點(diǎn)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點(diǎn)工作負荷，延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期。為此，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳播方式應以數據為中心，采用自組織、多跳路由，其網(wǎng)絡(luò )結構采用動(dòng)態(tài)拓撲[4]。此外，還可采用快速的數據融合技術(shù)，進(jìn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議由于傳感節點(diǎn)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構不斷變化而有其特殊性。無(wú)線(xiàn)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)議是與傳統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議有很大的不同。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的MAC協(xié)議決定無(wú)線(xiàn)信道的使用方式。MAC層協(xié)議在設計時(shí)需要考慮能源有效性，從而根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)設計簡(jiǎn)單高效的協(xié)議。無(wú)線(xiàn)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(xún)的路由、地理位置路由、可靠路由協(xié)議幾類(lèi)[5-7]。根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)和應用需求，宜采用自組織、多跳路由的路由協(xié)議。
傳統的網(wǎng)絡(luò )體系結構中節點(diǎn)只具有傳輸功能，以傳輸為目的，為各應用程序提供網(wǎng)絡(luò )傳輸上的支持，不對數據進(jìn)行處理。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以數據為中心，其目的是獲取被感知對象的長(cháng)期、準確的特征信息。采用快速的數據融合技術(shù)可實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)傳感數據的快速、合理分組[8-9]，減少數據冗余度，獲得到更合理的數據，從而提高網(wǎng)絡(luò )運行效率。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數量眾多且分布密集，網(wǎng)絡(luò )結構應采用動(dòng)態(tài)拓撲結構。在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )覆蓋度和連通度的前提下，采用動(dòng)態(tài)拓撲結構，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節點(diǎn)選擇，去除節點(diǎn)間不必要的通信鏈路，從而形成優(yōu)化的.通信網(wǎng)絡(luò )結構。因此，良好的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )拓撲結構應采用節點(diǎn)功率控制和層次型拓撲組織結構[10]。
節點(diǎn)功率控制根據節點(diǎn)通信距離及時(shí)間變化調節網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)節點(diǎn)的發(fā)射功率，從而減少各節點(diǎn)不必要的發(fā)射功率。層次型拓撲控制利用分簇機制，來(lái)減少單跳通信距離，由此降低能耗。
4 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)節能管理方案從以上節點(diǎn)各部分能量消耗和節點(diǎn)間傳播方式的特點(diǎn)來(lái)看，為有效地達到節能目的，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的節能管理可通過(guò)動(dòng)態(tài)功耗管理和減少節點(diǎn)工作負荷的方法來(lái)降低無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能耗。
無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)管理方式的節能措施可從以下幾點(diǎn)來(lái)考慮：通過(guò)動(dòng)態(tài)功耗管理和降低節點(diǎn)工作負荷來(lái)減少射頻模塊的工作時(shí)間，即減少節點(diǎn)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(shí)間。要實(shí)現這幾點(diǎn)，不僅要從硬件設計來(lái)解決還要從軟件管理層來(lái)考慮。
無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的管理軟件包括傳感器網(wǎng)數據采集控制、無(wú)線(xiàn)數據傳輸控制、電池狀態(tài)監測、充電控制程序等部分。減少微處理器的功耗可通過(guò)微處理器的動(dòng)態(tài)功耗管理來(lái)實(shí)現，而能耗最大的射頻電路的收發(fā)則由無(wú)線(xiàn)數據傳輸部分軟件來(lái)控制。
無(wú)線(xiàn)數據傳輸部分軟件包括射頻和基帶兩部分，射頻部分提供數據通信的空中接口，基帶部分提供鏈路的物理信道和數據分組。微處理器負責鏈路管理與控制，執行基帶通信協(xié)議和相關(guān)的處理過(guò)程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類(lèi)型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等[11]。因此，在基帶部分采用自組織、多跳路由、層次式、動(dòng)態(tài)拓撲組織結構的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，以減少通信量并均衡各節點(diǎn)能量，降低節點(diǎn)能耗，從而延長(cháng)節點(diǎn)壽命。
為避免信息重疊而造成重復通信、浪費資源，自組織、多跳路由的協(xié)議采用層次式設計，使得節點(diǎn)間的通信時(shí)間及通信距離縮短。由于層次式設計中作為簇頭節點(diǎn)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，為均衡各節點(diǎn)能量，路由協(xié)議要采用動(dòng)態(tài)地隨機選擇簇頭節點(diǎn)及路徑的辦法。當某一簇頭節點(diǎn)的能量消耗過(guò)大時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò )能根據簇頭節點(diǎn)的能量消耗狀況，動(dòng)態(tài)地選擇能量消耗少的節點(diǎn)，平衡節點(diǎn)的能量消耗，延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。
網(wǎng)絡(luò )拓撲結構能夠提高網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的效率，有利于節省能量來(lái)延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )壽命。采用動(dòng)態(tài)拓撲結構在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制和骨干網(wǎng)節點(diǎn)選擇，去除節點(diǎn)之間不必要的通信鏈路，進(jìn)行高效的數據轉發(fā)。
同時(shí)，在基帶部分功率模式管理中，采用動(dòng)態(tài)管理的方式對功率模式進(jìn)行控制，減少不必要的功率輸出。
與傳統的功率控制不同，動(dòng)態(tài)管理的方式使用啟發(fā)式的節點(diǎn)喚醒和休眠機制，使節點(diǎn)狀態(tài)在睡眠狀態(tài)和活動(dòng)狀態(tài)之間轉換。這種方式能盡量節省空閑時(shí)間的能量消耗，在性能和能耗之間取得平衡。
數據采集控制部分軟件除控制傳感器進(jìn)行數據采集外，基于節能考慮，可增加數據處理部分。數據處理部分采用快速的數據融合技術(shù)在傳感器節點(diǎn)對信息進(jìn)行快速的融合和分離。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)不必將數據以端到端的形式傳送給匯聚節點(diǎn)，只要有效數據最終匯集到匯聚節點(diǎn)就達到目的了。所以，為了減少流量和能耗，傳輸過(guò)程中的轉發(fā)節點(diǎn)經(jīng)常將不同的入口報文融合成數目更少的出口報文轉發(fā)給下一跳。經(jīng)過(guò)這樣的處理，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )內的數據冗余度降低、通信量減少，節省了存儲資源和網(wǎng)絡(luò )帶寬。
5 結 論
通過(guò)對無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的組成、各部分能量消耗和節點(diǎn)間傳播方式的分析，提出一種無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)節能管理方案，該方案在動(dòng)態(tài)選擇簇頭節點(diǎn)的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協(xié)議下，采用快速的數據融合技術(shù)，并在實(shí)現硬件的低功耗設計的條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗管理。
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