無線傳感器低功耗設計

　　由于對運動中物體的傾角測量在交通、航天、軍事等領域有著重要的意義，這里采用加速度傳感器對傾斜角進行測量，介紹混合自動控制算法的應用。基本思路：無線傳感器節點根據環境變量的連續性變化，對傳感器執行離散的處理應用，當環境參數改變(增加或減小)時，傳感器的狀態變量相應改變，當改變到臨界點時，系統狀態轉換為另一功率狀態。首先對系統作如下要求：變量x表示所測量的傾斜角度值，最高為30°，最低為8°，它代表環境參數的改變，是各狀態之間轉換的主要因素；變量z為計時器，用于狀態的計時。為了簡化控制過程，把系統分為三個狀態，l1為睡眠狀態，此時傳感器模塊和無線收發器都處于不活動狀態，控制系統保持l1狀態為60 s。其不等式條件為z≤ 60，當z>60時，轉入狀態l2。狀態l2和l3表示不同的采集和無線傳輸頻率的活動狀態，狀態l2下的采集和無線傳輸頻率低于l3，此時每間隔 10 s發送一次采集的傾斜角度數據，在發送完之后，無線收發器和傳感器進入關閉狀態等待下一個周期的到來。運行過程中，當傾斜角的變化在O．5°～5°之間 (O．5≤|x-xold|≤5)且傾斜角度不超過30°(x≤30°)時，系統運行在狀態l2；當傾斜角度變化大于5°(|x-xold|>5) 或x>30°時，系統進入狀態l3運行；當傾斜角度變化小于0．5°(|x-xold|0．5)且x≤30°時，節點處于睡眠狀態l1。狀態轉換圖如圖4所示。

　　在狀態l3下。節點各部分都處于活動狀態，每間隔1 s發送一次數據，用于傾斜角度變化過快或角度達到了高危值。節點開始于狀態l2，一般情況下，當傾斜角不發生變化或變化值低于O．5°，系統在狀態l1和 l2之間轉換，即數據在每間隔60 s發送一次，間隔期內，節點處于睡眠模式，以節省能耗。如果變化值超過O．5°，系統進入狀態l2，否則，當變化值超過5°，就進入狀態l3。使用該算法，在傾斜角變化正常的情況下，設無線傳感器節點直接和sink節點通信，則節點大部分的時間處于狀態l1。

圖5為混合自動控制算法在MSP430和nRF905無線加速度傳感器系統中實現的簡化流程圖。

　　5 結語

　　由于傳感器節點各部分存在著多種工作模式并且能量消耗差異較大，所以通過動態功率管理方法可以在系統級有效地降低節點的功耗，這里在介紹無線傳感器動態功率管理基本原理的基礎上，對幾種典型的動態功率管理方法進行了分析研究，發現在環境參數(如加速度、溫度等)變化穩定的情況下，通過混合自動控制算法對環境變量的變化值范圍劃分來設定系統的工作狀態，控制無線收發模塊的收發頻率，能增加節點的休眠時間，減少收發次數，從而有效地降低系統功耗，最后通過 MSP430、nRF905無線加速度傳感器系統，介紹了混合自動控制算法的應用。