无线传感器网络节点节能管理方式的研究

摘要：无线传感器网络节点数量众多、自身携带的能量十分有限。为了延长网络的生命周期，需采用有效的策略降低能耗。在研究无线传感器网络节点组成结构、能量消耗以及节点间传播方式的基础上，提出一种为有效地达到节能目的所采用的节点管理方式。该方案采用动态选择簇头节点的自组织、多跳路由、层次式拓扑组织结构的路由协议、快速的数据融合技术，并在实现硬件的低功耗设计的条件下进行动态功耗管理。
关键词：无线传感器网络；节点节能管理；节点间传播方式；能耗

0 引言

无线传感器网络由许多廉价的节点组成。这些网络节点具有数据采集、数据处理、数据传输的功能，而完成这些功能所需的能力由节点自带的微机电系统提供。无线传感器常工作在一些恶劣或危险的环境中，替换能源比较困难，即使节点的能源能替换，所花费的代价也比较大。所以，一般对无线传感器网络中节点的能源都不进行替换，而是采用有效的策略降低能耗，尽量延长网络的生命周期。采用适当的无线传感器网络节点管理方式会对网络性能有很大提高，有效地降低能耗，延长整个网络的寿命。

本文通过对无线传感器网络节点组成结构、能量消耗以及节点间传播方式的研究，寻求一种为有效地达到节能目的所采用的节点管理方式。

1 无线传感器节点的组成结构
 
传感器通常是指能感受被测非电量并能按一定规律将其转换成便于处理与传输的电量的器件或装置。它一般由敏感元件、转换元件、测量电路、电源电路组成。无线传感器节点除具有一般传感器的功能外，还包含有无线数据传输模块及数据管理模块，通常还将敏感元件、转换元件、测量电路组成一个模块—一数据采集模块。

无线传感器节点主要有两类：汇聚节点和采集节点。它们在硬件配置上基本相同，但功能上有所区别。采集节点负责采集数据并进行传输，汇聚节点则负责收集所有采集节点所采集的数据。无线传感器节点的组成框图如图1所示。

数据采集模块与一般传感器一样，可采集温度、光强度、压力、位移、流量、液位、加速度等非电量信息，并将其转换成适于传输和测量的信号，再通过A／D转换，转换为数字信号。

数据处理模块对采集所得数据进行处理，通常由于微处理器、内存等组成。同时，负责对节点进行控制管理，这其中包括数据处理操作、根据路由协议进行数据转发控制、功耗管理、任务处理等。

数据传输模块负责与其他节点进行通信，传输节点所采集的数据信息，交换网络控制信息。

电源电路模块为数据处理模块、数据传输模块及提供数据采集模块提供所需的能量，一般由电源、电压转换电路组成。目前，电源的提供通常使用固定电池或太阳能电池。

2 无线传感器节点主要的能量消耗及减耗分析
 
无线传感器节点的能量消耗主要来自于数据采集模块的传感器调理电路、数据处理模块的微控制器和内存、数据传输模块的射频电路。

传感器调理电路所使用的能量较小，减少能量消耗的空间不大。

微处理器的功耗可分为两个部分：动态功耗和静态功耗，其中降低动态功耗为减少能量消耗最主要的方面。根据文献，微处理器的动态功率与供电电压、物理电容、时钟频率等有密切的关系，它们之间的关系式为：

   
式中：PD为动态功率；V为供电电压；C为物理电容；f为时钟频率；a为活动因子。

因此，降低动态功耗可通过降低时钟频率和减少供电电压来实现。文献中表明了减少供电电压同时降低时钟频率，可降低动态功耗，处理器的工作状态从200 MHz和1．5 V转换到150 MHz和1．2 V，可以节省52％的功耗。

动态功耗的管理除了可通过降低各模块的本身动态功率来降低功耗，还可采用动态电压调节技术(Dynamic Voltage supply，DVS)。DVS技术可动态地改变微处理器的工作电压和频率时期随节点的工作负荷而变化，从而减少较空闲期不必要的功率输出。

射频电路的能量消耗是节点组成部分中最大的。根据无线传感器节点的要求，射频电路一般采用低功耗、低价格、尺寸小的成熟器件。选用这类射频电路因考虑到能耗，输出功率应低并具有节能模式。例如，挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905，其功耗很低，以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，工作在接收模式时的电流为12．5 mA，并具有空闲模式和关闭模式，便于实现节能。

可通过微处理器动态地控制射频模块的工作模式，使其随工作负荷情况的变化在工作模式、空闲模式间转换，以减少功耗。

3 无线传感器节点间传播方式的节能管理

减少无线传感器节点的能耗除可通过动态功耗管理来实现外，还可通过节点间传播方式的节能管理减少节点工作负荷来实现。

无线传感器网络是由许多采集节点、若干汇聚节点及中转器、控制中心(上位机)组成。其中，采集节点负责数据采集、数据处理并和其他节点进行通信；汇聚节点负责其他节点所上传数据的收集，并下发有中转器传来的命令；中转器负责上传汇聚节点收集来的数据，并将控制中心的命令转发给汇聚节点；控制中心负责整个网络的广利控制，并将处理后的数据转达给用户。

无线传感器网络的节点分布方式具有以下几个特点：

(1)无线传感器网络中节点位置是随机分布的，需其网络协议具有自组织性。在实际工作环境中，传感器节点通常不能精确定位，节点间的关系无法预先得知，这就需要传感器节点具有自组织能力，能够自行建立和组织网络。

(2)无线传感器网络节点数量众多，分布范围广。无线传感器网络为了保证获取精确信息，在其监测区域内需部署大量的传感器节点。

(3)节点间通信距离不长。无线传感器网络节点间点到点通信距离通常只有几十到几百米。

从以上网络组成和节点分布方式来看，要减少节点的工作负荷，需减少节点间的通信时间及通信距离。不同的传播方式对无线传感器节点间通信时间及通信距离有着重要的影响。在节点间的传播方式中，良好的网络协议和资源管理策略能有效地降低节点工作负荷，延长无线传感器网络的生命周期。为此，无线传感器网络的传播方式应以数据为中心，采用自组织、多跳路由，其网络结构采用动态拓扑。此外，还可采用快速的数据融合技术，进行快速的信息融合和分离，将提高网络运行效率和随机选择最佳路径的能力。

无线传感器网络协议由于传感节点的计算能力、存储能力、自身携带的能量十分有限而且拓扑结构不断变化而有其特殊性。无线传感器网络协议因其特殊性，其中的路由协议和MAC协议是与传统的无线网络协议有很大的不同。无线传感网络的MAC协议决定无线信道的使用方式。MAC层协议在设计时需要考虑能源有效性，从而根据无线传感器网络的特点设计简单高效的协议。无线传感网络的路由协议可分为能量感知路由、基于查询的路由、地理位置路由、可靠路由协议几类。根据无线传感器网络的特点和应用需求，宜采用自组织、多跳路由的路由协议。

传统的网络体系结构中节点只具有传输功能，以传输为目的，为各应用程序提供网络传输上的支持，不对数据进行处理。而无线传感器网络以数据为中心，其目的是获取被感知对象的长期、准确的特征信息。采用快速的数据融合技术可实现无线传感器网络节点传感数据的快速、合理分组，减少数据冗余度，获得到更合理的数据，从而提高网络运行效率。

无线传感器网络节点数量众多且分布密集，网络结构应采用动态拓扑结构。在满足网络覆盖度和连通度的前提下，采用动态拓扑结构，通过功率控制和骨干网节点选择，去除节点间不必要的通信链路，从而形成优化的通信网络结构。因此，良好的无线传感器网络拓扑结构应采用节点功率控制和层次型拓扑组织结构。节点功率控制根据节点通信距离及时间变化调节网络中各个节点的发射功率，从而减少各节点不必要的发射、功率。层次型拓扑控制利用分簇机制，来减少单跳通信距离，由此降低能耗。

4 无线传感器节点节能管理方案

从以上节点各部分能量消耗和节点间传播方式的特点来看，为有效地达到节能目的，无线传感器节点的节能管理可通过动态功耗管理和减少节点工作负荷的方法来降低无线传感器节点的能耗。

无线传感器节点管理方式的节能措施可从以下几点来考虑：通过动态功耗管理和降低节点工作负荷来减少射频模块的工作时间，即减少节点之间的通信量；减少射频模块发射功率；减少微处理器的工作时间。要实现这几点，不仅要从硬件设计来解决还要从软件管理层来考虑。

无线传感器节点的管理软件包括传感器网数据采集控制、无线数据传输控制、电池状态监测、充电控制程序等部分。减少微处理器的功耗可通过微处理器的动态功耗管理来实现，而能耗最大的射频电路的收发则由无线数据传输部分软件来控制。
 
无线数据传输部分软件包括射频和基带两部分，射频部分提供数据通信的空中接口，基带部分提供链路的物理信道和数据分组。微处理器负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。因此，在基带部分采用自组织、多跳路由、层次式、动态拓扑组织结构的网络协议，以减少通信量并均衡各节点能量，降低节点能耗，从而延长节点寿命。

为避免信息重叠而造成重复通信、浪费资源，自组织、多跳路由的协议采用层次式设计，使得节点间的通信时间及通信距离缩短。由于层次式设计中作为簇头节点能量消耗最大，有可能提前消耗完而使部分网络瘫痪，所以，为均衡各节点能量，路由协议要采用动态地随机选择簇头节点及路径的办法。当某一簇头节点的能量消耗过大时，传感器网络能根据簇头节点的能量消耗状况，动态地选择能量消耗少的节点，平衡节点的能量消耗，延长整个网络的生命周期。

网络拓扑结构能够提高网络协议的效率，有利于节省能量来延长网络寿命。采用动态拓扑结构在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，去除节点之间不必要的通信链路，进行高效的数据转发。

同时，在基带部分功率模式管理中，采用动态管理的方式对功率模式进行控制，减少不必要的功率输出。与传统的功率控制不同，动态管理的方式使用启发式的节点唤醒和休眠机制，使节点状态在睡眠状态和活动状态之间转换。这种方式能尽量节省空闲时间的能量消耗，在性能和能耗之间取得平衡。

数据采集控制部分软件除控制传感器进行数据采集外，基于节能考虑，可增加数据处理部分。数据处理部分采用快速的数据融合技术在传感器节点对信息进行快速的融合和分离。由于无线传感器网络节点不必将数据以端到端的形式传送给汇聚节点，只要有效数据最终汇集到汇聚节点就达到目的了。所以，为了减少流量和能耗，传输过程中的转发节点经常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文转发给下一跳。经过这样的处理，整个网络内的数据冗余度降低、通信量减少，节省了存储资源和网络带宽。

5 结论

通过对无线传感器节点的组成、各部分能量消耗和节点间传播方式的分析，提出一种无线传感器节点节能管理方案，该方案在动态选择簇头节点的自组织、多跳路由、层次式拓扑组织结构的路由协议下，采用快速的数据融合技术，并在实现硬件的低功耗设计的条件下进行动态功耗管理。