無線傳感器網絡節點節能管理方式的研究

摘要：無線傳感器網絡節點數量眾多、自身攜帶的能量十分有限。為了延長網絡的生命周期，需采用有效的策略降低能耗。在研究無線傳感器網絡節點組成結構、能量消耗以及節點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管理方式。該方案采用動態選擇簇頭節點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協議、快速的數據融合技術，并在實現硬件的低功耗設計的條件下進行動態功耗管理。
關鍵詞：無線傳感器網絡；節點節能管理；節點間傳播方式；能耗

0 引言

無線傳感器網絡由許多廉價的節點組成。這些網絡節點具有數據采集、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自帶的微機電系統提供。無線傳感器常工作在一些惡劣或危險的環境中，替換能源比較困難，即使節點的能源能替換，所花費的代價也比較大。所以，一般對無線傳感器網絡中節點的能源都不進行替換，而是采用有效的策略降低能耗，盡量延長網絡的生命周期。采用適當的無線傳感器網絡節點管理方式會對網絡性能有很大提高，有效地降低能耗，延長整個網絡的壽命。

本文通過對無線傳感器網絡節點組成結構、能量消耗以及節點間傳播方式的研究，尋求一種為有效地達到節能目的所采用的節點管理方式。

1 無線傳感器節點的組成結構

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。無線傳感器節點除具有一般傳感器的功能外，還包含有無線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、測量電路組成一個模塊—一數據采集模塊。

無線傳感器節點主要有兩類：匯聚節點和采集節點。它們在硬件配置上基本相同，但功能上有所區別。采集節點負責采集數據并進行傳輸，匯聚節點則負責收集所有采集節點所采集的數據。無線傳感器節點的組成框圖如圖1所示。

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行處理，通常由于微處理器、內存等組成。同時，負責對節點進行控制管理，這其中包括數據處理操作、根據路由協議進行數據轉發控制、功耗管理、任務處理等。

數據傳輸模塊負責與其他節點進行通信，傳輸節點所采集的數據信息，交換網絡控制信息。

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能電池。

2 無線傳感器節點主要的能量消耗及減耗分析

無線傳感器節點的能量消耗主要來自于數據采集模塊的傳感器調理電路、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部分：動態功耗和靜態功耗，其中降低動態功耗為減少能量消耗最主要的方面。根據文獻，微處理器的動態功率與供電電壓、物理電容、時鐘頻率等有密切的關系，它們之間的關系式為：

式中：PD為動態功率；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，降低動態功耗可通過降低時鐘頻率和減少供電電壓來實現。文獻中表明了減少供電電壓同時降低時鐘頻率，可降低動態功耗，處理器的工作狀態從200 MHz和1．5 V轉換到150 MHz和1．2 V，可以節省52％的功耗。

動態功耗的管理除了可通過降低各模塊的本身動態功率來降低功耗，還可采用動態電壓調節技術(Dynamic Voltage supply，DVS)。DVS技術可動態地改變微處理器的工作電壓和頻率時期隨節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點組成部分中最大的。根據無線傳感器節點的要求，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器nRF905，其功耗很低，以-10 dBm的輸出功率發射時電流只有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閉模式，便于實現節能。

可通過微處理器動態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。