基于MSP430的無線傳感器低功耗設計

　　無線傳感器網絡是由多個帶有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點組織而成的網絡，因為在軍事、工業、醫療、農業等領域的巨大應用前景而成為近年來的研究熱點。由于無線傳感器節點通常工作在人們難以觸及的環境中，并且節點能量有限，難以補充，所以降低功耗、延長使用壽命成為無線傳感器網絡設計的核心問題。因此，傳感器網絡的體系結構、通信協議、算法、電路和感知都必須滿足能量有效性。就降低單個無線傳感器節點功耗而言，除在硬件設計時采用低功耗元件外，動態功率管理(Dynamic Power Management，DPM)和動態電壓調節(Dynamic Voltage Supply，DVS)都能有效地降低系統功耗。DPM的基本原理是傳感器節點內部各個設備根據需求在不同工作狀態下進行轉換，減少節點不必要的開支，DPM能盡可能使系統各部分運行在節能模式下，從而降低系統功耗。本文從低功耗設計的角度出發，介紹了無線傳感器節點系統組成，分析了DPM原理及其算法，研究了混合自動控制并對其進行改進，最后通過在MSP430和nRF905無線加速度傳感器系統中介紹了改進的混合自動控制算法的應用。

　　1 系統組成及低功耗設計

　　系統組成如圖1所示，數據處理單元采用TI公司MSP430系列單片機，無線收發模塊采用Nordic公司的nRF905。目前國內外出現了許多典型的無線傳感器網絡硬件平臺，其中MSP430系列單片機以其卓越的性能和超低功耗特性，在電池供電的無線傳感器節點設計中具有獨特的優勢。其低功耗特性有：CPU和外圍模塊可以在不同時鐘下運行，外圍模塊在不使用時可以關閉以節省能耗；處理器的功耗與工作頻率成比例，工作在低頻方式下將大大降低處理器的功耗；CPU功耗可以通過開關狀態寄存器的控制位來控制：正常運行時電流為160μA，備用時僅為O．1-μA，功耗極低，為設計低功耗系統提供了有利的條件。nRF905無線收發芯片具有功耗低、控制簡單、可自動處理字頭和CRC校驗的優點，MSP-430通過SPI接口及相關指令訪問nRF905的內部寄存器。SCA3000-D1是VTI公司的全數字化低功耗三軸加速度傳感器，量程±2g，電源電壓3．3 V，64組緩沖存儲器記錄數據，在系統一級上面，有先進的性能和有效節能方式，頻響可選，SPI數字串口通信，抗沖擊力強，可以運用于許多惡劣的條件下，但是其沒有低功耗模式，通過對其電源模塊的關斷管理進行節能處理。根據傳感器測得的傾斜角的連續變化，對系統進行合適的操作，當傳感器數據變化到臨界點時，使nRF905，MSP430進入不同的功耗模式，通過MSP430控制SCA3000的數據采集，從而有效地降低功耗。整個系統具有電路簡單、功耗低、操作靈活、穩定性高、抗干擾能力強等特點。

　　2 DPM基本原理

　　無線傳感器網絡節點內部模塊存在著多種工作狀態，假定每個節點都有相同的模塊元件，如CPU、存儲器、傳感器、無線收發器，DPM通過轉換工作狀態，使系統各個部分運行在節能模式下。把節點的功率狀態分為Sk(k=O，1，2，3，4)五個部分。其中：S0表示活動狀態，此時節點消耗的功率最大；S4表示睡眠狀態，此狀態下大部分元件處于關閉狀態，此時的功耗最小。假設節點Nk在某時刻有事件發生，Nk在t1時刻完成事件的處理，下一事件發生在 t2=t1+ti時刻，在t1時刻，節點決定從狀態S0轉換到狀態Sk，如圖2所示

　　狀態Sk的功率為Pk，狀態轉換時間和恢復時間分別為τd,k和τu,k，定義i>j，τd,i>τd,j和τu,i>τu,j，則節點轉入狀態Sk節省的能量為Esave,k，可由等式確定：

只有當Esave,k>O時。式(1)才有意義。式中：P0為傳感器處于激活狀態時的功率；Pk為睡眠狀態為Sk時的傳感器節點功率；τd,k(τu,k)為傳感器從激活狀態S0(睡眠Sk)到睡眠狀態Sk(激活狀態S0)的轉換時間。

　　理想狀態下，傳感器節點在完成任務后迅速進入睡眠狀態并在下一事件到達時迅速進入活動狀態，能最大程度地節省能耗，根據式(1)可得門限時間：

但事實上，節點的狀態轉換也存在較大的能量消耗和延遲。因此，在進入睡眠狀態時，節點應首先在寄存器上保存之前的數據和參數。同時，激活節點仍然需要大量的能耗和額外的時間，低功耗模式下消耗的能量越少，轉換到活動模式時帶來的延遲就越大，所以，應考慮到狀態轉換額外的能耗Padd。當且僅當 Esave,k>Padd時，系統才有意義，因此，可以得出門限時間：

Tth,k代表傳感器節點的門限時間。在節點的非完全關閉狀態，事件到達，系統可以自動轉入激活的工作狀態，對于完全關閉的狀態S4，由于節點的大部分元件都處于關閉狀態，節點無法檢測到事件和收到信息，所以一些事件將會丟失，根據剩余能量，得出S4的門限時間為：

式中：Vstd代表標準工作電壓，Vpre代表當前電壓。

　　3 DPM算法

　　文獻中提出了基于概率判別無線傳感器網絡動態功率管理。此方法對于是否進入完全關閉的狀態S4，給出一個概率值，利用概率判別來進行有效的功率狀態轉換，如果概率值偏大，則進入完全休眠狀態的機率增大，能量消耗減少，但事件丟失的可能性增加；否則，使用能量增多，事件丟失的可能性減小。文獻提出了一種利用小波和卡爾曼濾波和自回歸分析聯合預測下一事件發生的時間來決定進入何種功率狀態的方法。該方法根據歷史事件的到達時間來預測下一事件的發生的時間。在森林火警監視、洪水監測等特殊事件發生概率很小。歷史數據無法獲得的應用領域。文獻提出了一種利用小波和自回歸的動態功率管理方法。該方法利用收發器 (Sink)節點上的歷史數據流預測未來的值，在后續周期內，若傳感器節點的觀測值不超過給定閾值則不向Sink節點發送數據，Sink節點將預測值作為觀測結果，通過減少傳感器節點工作時間，降低網絡數據傳輸量來減少傳感器網絡的總體能量消耗。由于無線通信占整個無線傳感器網絡能耗的主要部分，所以在不影響系統性能的前提下，有效地對無線收發系統進行管理可以高效地降低系統能耗。混合自動控制(Hybrid Automata)是根據傳感器檢測信息的變化情況來控制傳感器節點收發的頻率，通過增加休眠時間、降低收發次數對無線傳感器節點進行動態功率管理，從而降低系統功耗。

　　4 混合自動控制

　　4．1 混合自動控制原理

　　在混合自動控制條件下，系統分為幾個離散的狀態，每個狀態都有一定的保持條件、相應的控制變量、初始值和向其他狀態轉換的臨界值。當環境變量改變或保持不變時，通過對形勢加以分析(反饋)來執行在不同狀態模式之間的轉換。圖3為混合自動控制示意圖。

　　假如系統存在兩種狀態l1和l2，一個動態變量x，系統開始的狀態為l1，x的初始值為20，在狀態l1下，變量x隨著等式不斷增大，當x的值等于30時，就達到了臨界條件，時，迅速地進入狀態l2。在狀態l2，x隨等式x=x-0．5遞減，臨界條件是 x=25，當x25發生狀態轉換進入狀態l1。在實際運用中，此示意圖可以理解為傾斜角度控制在25°～31°之間。