無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節能
——
加入技術(shù)交流群
節點(diǎn)組成及能耗分析
規范的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)結構如圖1所示。節點(diǎn)由四部分組成：（1）由微處理器或微控制器構成的計算子系統；（2）用于無(wú)線(xiàn)通信的短距離無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路，即通信子系統；（3）將節點(diǎn)與物理世界聯(lián)系起來(lái)，由一組傳感器和激勵裝置構成的傳感子系統；（4）能量供應子系統，包括電池和AC-DC轉換器。
圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)結構
1) 計算子系統
微處理器(MicroController Unit, MCU)負責控制傳感器、執行通信協(xié)議和處理傳感數據的算法。MCU的選擇會(huì )對節點(diǎn)的電池消耗帶來(lái)很大的影響，比如，Intel的StrongARM常用于高端領(lǐng)域，在執行指令時(shí)功耗達到400mW，而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW，不過(guò)提供的性能也要弱的多。出于電源管理的目的，MCU通常有活躍、空閑和睡眠等多種操作模式，每種模式有不同的電源消耗。比如，StrongARM在空閑模式功耗為50 mW，而在睡眠模式時(shí)只有0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開(kāi)銷(xiāo)，因此，不同的操作模式、模式之間的切換和MCU在每種模式的時(shí)長(cháng)對整個(gè)節點(diǎn)的能量消耗有很大的影響。
2) 通信子系統
影響無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節點(diǎn)采用的調制模式、數據率、發(fā)射功率和操作周期等。通常，無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路可以工作在四種狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)?？臻e狀態(tài)也具有很高的功耗，幾乎與接收模式不相上下，所以在無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路處于空閑狀態(tài)時(shí)，應該盡可能將其關(guān)閉（即置于睡眠狀態(tài)）。
3) 傳感子系統
包括一組傳感和激勵裝置，將周?chē)h(huán)境的物理現象轉換成電信號，根據輸出可以分為模擬和數字兩類(lèi)。在無(wú)線(xiàn)傳感器中，能量消耗來(lái)自多個(gè)部分，包括(1)信號采樣以及物理信號到電信號的轉換（2）信號調制（3）信號的模-數轉換。 {{分頁(yè)}}
4) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能耗分析
現在分析無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能耗。表1是Rockwell的WINS項目中無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能耗數據，表2是MEDUSA-II項目中節點(diǎn)的能耗數據，從中可以看出：
采用低功耗模塊、在性能與耗電量之間進(jìn)行折中對系統整體功耗影響巨大。
節點(diǎn)的能耗在很大程度上取決于各個(gè)組成部分的工作狀態(tài)。
由于傳輸距離很短，接收時(shí)的能耗可能比發(fā)送時(shí)還大。
無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)的耗電量相差無(wú)幾。
表1 WINS項目中無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能耗數據
|
MCU模式 |
傳感器模式 |
無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路狀態(tài) |
功耗（mW） |
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
發(fā)送（功耗：36.3mW） |
1080．5 |
|
發(fā)送（功耗：19.1mW） |
986.0 | ||
|
發(fā)送（功耗：13.8mW） |
942.6 | ||
|
發(fā)送（功耗：3.47mW） |
815.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：2.51mW） |
807.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.96mW） |
787.5 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.30mW） |
773.9 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.12mW） |
771.1 | ||
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
接收 |
751.6 |
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
空閑 |
727.5 |
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
睡眠 |
416.3 |
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
移除 |
383.3 |
|
睡眠 |
開(kāi)啟 |
移除 |
64.0 |
|
活躍 |
移除 |
移除 |
360.0 |
表2 MEDUSA-II項目中無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能耗數據
|
MCU模式 |
傳感器模式 |
無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路狀態(tài) |
調制模式 |
數據率 |
功耗（mW） |
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
OOK |
2.4kbps |
24.58 |
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
OOK |
2.4kbps |
19.24 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
OOK |
19.2kbps |
25.37 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
OOK |
19.2kbps |
20.05 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
ASK |
2.4kbps |
26.55 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
ASK |
2.4kbps |
21.26 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.7368mW） |
ASK |
19.2kbps |
27.46 | ||
|
發(fā)送（功耗：0.0979mW） |
ASK |
19.2kbps |
22.06 | ||
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
接收 |
- |
- |
22.20 |
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
空閑 |
- |
- |
22.06 |
|
活躍 |
開(kāi)啟 |
關(guān)閉 |
- |
- |
9.72 |
|
空閑 |
開(kāi)啟 |
關(guān)閉 |
- |
- |
5.92 |
|
睡眠 |
關(guān)閉 |
關(guān)閉 |
- |
- |
0.02 |
單個(gè)節點(diǎn)的節能優(yōu)化
在分析了無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的組成和能耗特點(diǎn)之后，讓我們看看在單個(gè)節點(diǎn)上可以采取哪些措施來(lái)節約能耗。
1) 節能計算
除了在節點(diǎn)設計中采用低功耗硬件之外，通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理（Dynamic Power Management, DPM）等技術(shù)使系統各個(gè)部分都運行在節能模式下也可以節約大量的能量。最常用的電源管理策略是關(guān)閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)或其一部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生。DPM技術(shù)的核心問(wèn)題是狀態(tài)調度策略，因為不同的狀態(tài)有不同的功耗特征，而且狀態(tài)切換也有能量和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。
在活躍狀態(tài)下，則可以采取動(dòng)態(tài)電壓調整(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技術(shù)來(lái)節約能量。在大多數無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)上，計算負載是隨時(shí)間變化的，因此并不需要微處理器所有時(shí)刻都保持峰值性能。DVS技術(shù)就是利用了這一點(diǎn)，動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿(mǎn)足當時(shí)的運行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。
2) 節能軟件
如果操作系統、應用層和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議等系統軟件針對能耗進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，那么無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間也能得到有效的延長(cháng)。
在操作系統中進(jìn)行動(dòng)態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電壓調整是最合適的，因為操作系統可以獲取所有應用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資源，從而在性能和能耗控制之間進(jìn)行必要的折衷。操作系統的核心是任務(wù)調度器，負責調度給定的任務(wù)集合使其滿(mǎn)足各自的時(shí)間和性能需求，通過(guò)在任務(wù)調度中考慮節能問(wèn)題可，系統生存時(shí)間可得到明顯的延長(cháng)。
鑒于傳輸中不可避免的數據丟失，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應能根據當時(shí)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境提供不同精度的數據，從而獲得一定的彈性。另一方面，監測對象的屬性是隨時(shí)間變化的，從而導致網(wǎng)絡(luò )中的計算和通信需求也隨之改變。這樣，我們就可以在實(shí)時(shí)調度算法中進(jìn)行某種程度的預測，對能耗進(jìn)行主動(dòng)式的管理。另外，應用層可以設計成將主要的計算任務(wù)及早執行，然后在算法正常結束前提前中止，這樣就能在對數據精度影響不大的情況下節約能耗。 {{分頁(yè)}}
3) 無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路能耗管理
雖然嵌入式處理器的電源管理已經(jīng)得到深入研究，但無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統的節能設計卻研究得不夠。由于無(wú)線(xiàn)通信占了整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能耗主要部分，因此對無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統的能耗管理非常重要。
無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統電源消耗主要來(lái)自?xún)刹糠?，取決于傳輸距離和調制參數的射頻部分以及進(jìn)行頻率合成、濾波等操作的基帶電路部分。無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統節能設計很復雜，因為射頻部分和基帶電路部分的電源開(kāi)銷(xiāo)是相當的，降低射頻部分的速率反而會(huì )導致能耗的增加。另外要考慮的問(wèn)題是，無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統的初始化開(kāi)銷(xiāo)很大，這一切都加大了無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統節能設計的難度。關(guān)于無(wú)線(xiàn)通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節詳細討論。
4) 節能報文轉發(fā)
除了發(fā)送自身感知的數據之外，每個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)又都是路由器，需要為其它節點(diǎn)轉發(fā)報文。在典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)接收的大部分報文（大概有65％）需要轉發(fā)給其它節點(diǎn)。通常情況下，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)將絕大部分協(xié)議處理功能交由MCU執行。這樣，不管其最終目的地是哪里，每個(gè)接收到的報文都會(huì )經(jīng)過(guò)相同的處理步驟到達計算子系統并得到處理，導致不必要的能耗開(kāi)銷(xiāo)。利用智能無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統，需要轉發(fā)的報文可以直接在通信子系統標識和轉發(fā)，甚至在計算子系統處于睡眠狀態(tài)時(shí)也能正常工作。
3 無(wú)線(xiàn)通信的節能優(yōu)化
與單個(gè)節點(diǎn)能耗管理類(lèi)似，在節點(diǎn)間通信過(guò)程中考慮節能措施同樣對提高整個(gè)系統的電源使用效率有重要作用，而且，使通信過(guò)程對能耗敏感可以將節能優(yōu)化的范圍從單個(gè)節點(diǎn)擴展到參與通信的多個(gè)節點(diǎn)。
1) 調制模式
在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)鏈路上使用的射頻技術(shù)對無(wú)線(xiàn)通信的能量消耗也有重要影響。調制模式的選擇決定了無(wú)線(xiàn)鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平衡。
調制級別直接影響功率放大器的能耗，與DVS類(lèi)似，根據實(shí)際需求動(dòng)態(tài)改變調制級別是節約能耗的有效手段。由于無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路的啟動(dòng)開(kāi)銷(xiāo)較大，因而每次發(fā)送報文的長(cháng)度越大越好，這樣可以將啟動(dòng)開(kāi)銷(xiāo)平攤到更多的數據上，但將數據積累到一定長(cháng)度再發(fā)送對信息交換的延遲有影響，需要在兩者之間進(jìn)行平衡。
2) 鏈路層優(yōu)化
負責錯誤檢測和糾正的鏈路層影響報文的發(fā)送次數，從而影響系統功耗，特別是對于與網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)等遠距離通信而言。對給定的誤碼率(Bit Error Rate, BER)，錯誤控制機制可以減少發(fā)送報文消耗的能量，但相應的增加了發(fā)送者和接收者的處理能耗?？偟膩?lái)說(shuō)，鏈路層技術(shù)在降低能耗中所起的作用是間接的，好的錯誤控制模式可以降低報文重傳次數，從而節約收發(fā)兩端的能耗。
4 整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的節能優(yōu)化
最后，讓我們看看從整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的角度，可以采取哪些措施進(jìn)行能耗優(yōu)化。
1) 流量分發(fā)
對整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而言，需要從全局上考慮如何將流量從數據源傳遞到目的地，這里的重要問(wèn)題是如何在源和目的地之間找到一條節能的多跳路由。節能路由是在普通的路由協(xié)議基礎上，考慮相關(guān)的能耗因素，引入新的與電源消耗有關(guān)的衡量指標，實(shí)現能耗的節約，這方面已經(jīng)有很多研究成果。
比如，最簡(jiǎn)單的節能路由協(xié)議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過(guò)它傳送數據。但這樣未必能延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間，因為某些處于關(guān)鍵位置的節點(diǎn)可能被過(guò)度使用而導致電源過(guò)早耗盡。為避免這種情況，最大最小路由使得節點(diǎn)的剩余電量盡可能多，即最大化節點(diǎn)的最小剩余電量。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個(gè)很自然的改進(jìn)思路是可以將兩種方法結合起來(lái)，定義一個(gè)電源開(kāi)銷(xiāo)函數，綜合考慮兩種策略。
2) 拓撲管理
在典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )部署中，節點(diǎn)密度都比較高，因為提高節點(diǎn)密度可以提高結果的精確度，但如果系統生存時(shí)間更重要的話(huà)，就可以對網(wǎng)絡(luò )拓撲進(jìn)行管理，利用相對較少的節點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。這樣，除了減少計算復雜度之外，也降低了通信開(kāi)銷(xiāo)，因為沒(méi)有參與跟蹤的節點(diǎn)不會(huì )發(fā)送數據。如果硬件支持可變發(fā)射功率的話(huà)，采用低的發(fā)射功率也能夠降低網(wǎng)絡(luò )電源開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)緩解共享空間信道的競爭，提高網(wǎng)絡(luò )容量。拓撲控制有專(zhuān)門(mén)的討論，這里就不多說(shuō)了。
3) 計算和通信的折衷
除了智能的路由和拓撲管理協(xié)議，縮減數據流長(cháng)度也是有效的節能手段。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，由于節點(diǎn)的高密度，使得同一時(shí)間被多個(gè)微傳感節點(diǎn)同時(shí)感知并捕獲處理，導致了數據采集的冗余性。在選定節點(diǎn)將一定區域內節點(diǎn)的數據進(jìn)行匯聚或者融和，然后再將結果傳送出去，不但可以提高事件/數據監測的可靠性，也可有效降低通信流量，從而節約能耗。
5 結束語(yǔ)
作為極具潛力的一種技術(shù)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在未來(lái)幾年必將得到廣泛的應用，而由于節能在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計中所處的核心地位，節能技術(shù)水平將伴隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展而不斷提高。未來(lái)，節能技術(shù)的研究將進(jìn)一步與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特定應用聯(lián)系起來(lái)，針對不同應用進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化。同時(shí)，軟硬件整合設計、跨層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議設計等一體化節能設計思路將得到廣泛應用。
pa相關(guān)文章:pa是什么
傳感器相關(guān)文章:傳感器工作原理
路由器相關(guān)文章:路由器工作原理
路由器相關(guān)文章:路由器工作原理
風(fēng)速傳感器相關(guān)文章:風(fēng)速傳感器原理
評論