基于MSP430的無(wú)線(xiàn)傳感器低功耗設計

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由多個(gè)帶有傳感器、數據處理單元和通信模塊的節點(diǎn)組織而成的網(wǎng)絡(luò )，因為在軍事、工業(yè)、醫療、農業(yè)等領(lǐng)域的巨大應用前景而成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。由于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)通常工作在人們難以觸及的環(huán)境中，并且節點(diǎn)能量有限，難以補充，所以降低功耗、延長(cháng)使用壽命成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的核心問(wèn)題。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系結構、通信協(xié)議、算法、電路和感知都必須滿(mǎn)足能量有效性。就降低單個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)功耗而言，除在硬件設計時(shí)采用低功耗元件外，動(dòng)態(tài)功率管理(Dynamic Power Management，DPM)和動(dòng)態(tài)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(diǎn)內部各個(gè)設備根據需求在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行轉換，減少節點(diǎn)不必要的開(kāi)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(fā)，介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)系統組成，分析了DPM原理及其算法，研究了混合自動(dòng)控制并對其進(jìn)行改進(jìn)，最后通過(guò)在MSP430和nRF905無(wú)線(xiàn)加速度傳感器系統中介紹了改進(jìn)的混合自動(dòng)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(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采用Nordic公司的nRF905。目前國內外出現了許多典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)設計中具有獨特的優(yōu)勢。其低功耗特性有：CPU和外圍模塊可以在不同時(shí)鐘下運行，外圍模塊在不使用時(shí)可以關(guān)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(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制：正常運行時(shí)電流為160μA，備用時(shí)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(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡(jiǎn)單、可自動(dòng)處理字頭和CRC校驗的優(yōu)點(diǎn)，MSP-430通過(guò)SPI接口及相關(guān)指令訪(fǎng)問(wèn)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(jìn)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(méi)有低功耗模式，通過(guò)對其電源模塊的關(guān)斷管理進(jìn)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(jìn)行合適的操作，當傳感器數據變化到臨界點(diǎn)時(shí)，使nRF905，MSP430進(jìn)入不同的功耗模式，通過(guò)MSP430控制SCA3000的數據采集，從而有效地降低功耗。整個(gè)系統具有電路簡(jiǎn)單、功耗低、操作靈活、穩定性高、抗干擾能力強等特點(diǎn)。

　　2 DPM基本原理

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)內部模塊存在著(zhù)多種工作狀態(tài)，假定每個(gè)節點(diǎn)都有相同的模塊元件，如CPU、存儲器、傳感器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，DPM通過(guò)轉換工作狀態(tài)，使系統各個(gè)部分運行在節能模式下。把節點(diǎn)的功率狀態(tài)分為Sk(k=O，1，2，3，4)五個(gè)部分。其中：S0表示活動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)節點(diǎn)消耗的功率最大；S4表示睡眠狀態(tài)，此狀態(tài)下大部分元件處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)的功耗最小。假設節點(diǎn)Nk在某時(shí)刻有事件發(fā)生，Nk在t1時(shí)刻完成事件的處理，下一事件發(fā)生在 t2=t1+ti時(shí)刻，在t1時(shí)刻，節點(diǎn)決定從狀態(tài)S0轉換到狀態(tài)Sk，如圖2所示

　　狀態(tài)Sk的功率為Pk，狀態(tài)轉換時(shí)間和恢復時(shí)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(diǎn)轉入狀態(tài)Sk節省的能量為Esave,k，可由等式確定：

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

　　理想狀態(tài)下，傳感器節點(diǎn)在完成任務(wù)后迅速進(jìn)入睡眠狀態(tài)并在下一事件到達時(shí)迅速進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)，能最大程度地節省能耗，根據式(1)可得門(mén)限時(shí)間：

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

Tth,k代表傳感器節點(diǎn)的門(mén)限時(shí)間。在節點(diǎn)的非完全關(guān)閉狀態(tài)，事件到達，系統可以自動(dòng)轉入激活的工作狀態(tài)，對于完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，由于節點(diǎn)的大部分元件都處于關(guān)閉狀態(tài)，節點(diǎn)無(wú)法檢測到事件和收到信息，所以一些事件將會(huì )丟失，根據剩余能量，得出S4的門(mén)限時(shí)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)功率管理。此方法對于是否進(jìn)入完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，給出一個(gè)概率值，利用概率判別來(lái)進(jìn)行有效的功率狀態(tài)轉換，如果概率值偏大，則進(jìn)入完全休眠狀態(tài)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(lián)合預測下一事件發(fā)生的時(shí)間來(lái)決定進(jìn)入何種功率狀態(tài)的方法。該方法根據歷史事件的到達時(shí)間來(lái)預測下一事件的發(fā)生的時(shí)間。在森林火警監視、洪水監測等特殊事件發(fā)生概率很小。歷史數據無(wú)法獲得的應用領(lǐng)域。文獻提出了一種利用小波和自回歸的動(dòng)態(tài)功率管理方法。該方法利用收發(fā)器 (Sink)節點(diǎn)上的歷史數據流預測未來(lái)的值，在后續周期內，若傳感器節點(diǎn)的觀(guān)測值不超過(guò)給定閾值則不向Sink節點(diǎn)發(fā)送數據，Sink節點(diǎn)將預測值作為觀(guān)測結果，通過(guò)減少傳感器節點(diǎn)工作時(shí)間，降低網(wǎng)絡(luò )數據傳輸量來(lái)減少傳感器網(wǎng)絡(luò )的總體能量消耗。由于無(wú)線(xiàn)通信占整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)收發(fā)系統進(jìn)行管理可以高效地降低系統能耗?；旌献詣?dòng)控制(Hybrid Automata)是根據傳感器檢測信息的變化情況來(lái)控制傳感器節點(diǎn)收發(fā)的頻率，通過(guò)增加休眠時(shí)間、降低收發(fā)次數對無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率管理，從而降低系統功耗。

　　4 混合自動(dòng)控制

　　4．1 混合自動(dòng)控制原理

　　在混合自動(dòng)控制條件下，系統分為幾個(gè)離散的狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)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(tài)轉換的臨界值。當環(huán)境變量改變或保持不變時(shí)，通過(guò)對形勢加以分析(反饋)來(lái)執行在不同狀態(tài)模式之間的轉換。圖3為混合自動(dòng)控制示意圖。

　　假如系統存在兩種狀態(tài)l1和l2，一個(gè)動(dòng)態(tài)變量x，系統開(kāi)始的狀態(tài)為l1，x的初始值為20，在狀態(tài)l1下，變量x隨著(zhù)等式不斷增大，當x的值等于30時(shí)，就達到了臨界條件，時(shí)，迅速地進(jìn)入狀態(tài)l2。在狀態(tài)l2，x隨等式x=x-0．5遞減，臨界條件是 x=25，當x25發(fā)生狀態(tài)轉換進(jìn)入狀態(tài)l1。在實(shí)際運用中，此示意圖可以理解為傾斜角度控制在25°～31°之間。