无线传感网节点的低功耗设计

无线传感器网络是近年来信息技术研究的一个重要研究领域，它融合了传感器、计算机科学、信号与信息处理、通信等多个领域的技术。无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成,可通过无线通信方式形成一种多跳自组织网络系统，是当前国际上备受关注、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿研究领域。作为一项新兴的技术,无线传感器网络越来越受到国外学术界和工程界的关注，其在军事侦察、环境监测、医疗护理等众多领域展现了广阔的应用前景，被认为是21世纪产生巨大影响的技术之一。无线传感器网络具有低能耗、低成本、易于实现、传输可靠等优点。而且由于其本身的冗余性、无线性、网络的自组织性，因而具有较强的抗破坏能力山。

1  无线传感器网络简介

通常情况下，无线传感器节点由电池供电。供电布设完毕后，电池一般难以充电或进行更换。同时,无线传感器网络要求的工作时间较长,通常是几年甚至几十年，因此，提高能量效率以延长工作时间已成为无线传感器网络主要的设计原则之一。为了提高无线传感器的能量效率,必须设计出一套从硬件到软件的、完整的节点低功耗设计方案。

图1所示是一个无线传感器网络的基本结构。

由图可见，一个典型的传感器网络通常由分布在监控区域的传感器节点、汇集节点、Internet或通信卫星、用户监控终端组成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以采集外界数据，并通过“多跳自组织”方式传送汇集节点，汇集节点一方面通过自身的无线收发单元接收传感器节点的数据并上传到Internet网络或卫星通信终端，另一方面，可接收来自网络或卫星终端的命令并传达给传感器节点。用户监控终端可以通过Internet网络或卫星获取传感器节点釆集到的信息，从而达到对布网区域的实时监控。

2  WSN硬件及物理层的低功耗设计

无线传感器网络节点主要包括数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和电源管理单元等等四部分⑵。其中数据釆集模块由传感器和A/D转换单元组成，传感器将外界异动信息(如温度、湿度等)转换成电信号,再通过A/D转换单元将模拟量转换成数字量传送给数据处理模块。数据处理模块则通过对数据作适当的处理与存储，然后将信息通过无线通信模块发送给其他传感器节点或汇集节点。电源管理单元负责提供稳定的电压给其它各模块。具体的节点组成如图2所示。

数据采集模块的能耗主要由传感器的特性决定，传感器的种类很多，可以检测温/湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量，不同种类的传感器及其不同性能要求会带来数据釆集模块能耗的较大差异。例如温/湿度传感器STHxx系列能支持低功耗模式,采集完数据后可自动转入休眠模式，其电流小于1庭技加速度传感器ADX210可以测量双轴向加速度，能耗低于0.6mA,单电源供电范围为3〜5.25V,而图像传感器CIS-VF10则功率较高，通常可以达到100mW。

数据处理能耗主要来自于处理器和存储器两部分。以低端微控制器为代表的节点处理器的处理能力不强，但能耗极低，如MSP430系列单片机在电压为1.8〜3.6V、1MHz时钟条件下的运行耗电电流为0.1〜400mA。但采用ARM处理器为代表的高端处理器的节点能耗相比之下却要大很多，但这些高端处理器大多支持动态电压调节(DVS)或动态频率调节(DFS)等节能策略，同时处理能力强，适合高数据传输速率和高数据吞吐率的应用。如ARMSA-1100微处理器的功耗在50~1100mW不等。存储器的能耗主要来自于ROM和RAM,ROM的逻辑结构简单，其能耗主要来自于生产工艺，RAM能耗主要来自于内部电流能耗和存储器与外部电路进行工作时所产生的能耗，所以，选用合适的存储器以及电路搭配方案也可以进一步减少处理器模块的能耗。

无线通信模块的能耗主要来自于功率放大器的能耗，合理的功率放大可以有效保证接收信号的能量,克服信道衰落等因素的影响。而选用合适的调制技术则能有效减少功率放大器的能耗，通常釆用多进制调制比釆用二进制调制需要更大的发射功率，而采用二进制调制在相同的误码率情况下-2PSK的能耗是2FSK能耗的一半,2FSK是ASK的一半。但多进制调制技术以其频谱效率高仍然用于实际系统中，不同的多进制调制，其单位比特能耗也不同，如16QAM的单位比特能耗要小于16PSK信号。同时,利用传感器节点自身的特点也可采用动态功率管理(DPM)以进一步降低节点能耗，例如在保证检测质量及通信性能的前提下，关闭节点或节点上的一部分空闲模块。

3  传感网MAC层的节能设计

MAC层位于物理层之上，它直接控制着无线信号的接收和发送,MAC层的主要任务是解决多个节点合理、有效地共享信道资源的问题,在信道共享过层中，往往会浪费许多不必要的能耗，这些能耗主要来自于网络中多节点竞争通信产生的冲突、空闲节点长时间空闲监听信道以及其他相邻节点的串听，一般无线通信模块的状态可以分为发送状态、接收状态、空闲监听状态和无线收/发信机的休眠状态，在各状态中节点的能耗依次减小，休眠状态的能耗最小，因此，为达到有效节能的目的，节点应尽量长时间的处于休眠状态，尽最大可能避免空闲监听和串听造成的能量浪费。所以，节点休眠的激活方式是设计考虑的重点。当业务数据到达时，发送节点如何使接收节点同时激活完成数据的收发，可以采用两种解决办法，即主动唤醒方式和被动等待方式。

在主动唤醒方式中，节点通常需要两套收发信机，一套专门用于信道的侦听，当业务到来时,发送节点在开始发送分组之前负责唤醒用于业务收发的无线收发信机。这套收发系统需要功耗尽可能低。为了进一步节省能耗，低能耗的收发信机并非一直处于激活状态，可以在某个占空比周期激活一段时间，以检测唤醒信号。这种方式既保证了节点最大化的时间休眠，同时又可以在业务到达时刻随时激活接收节点。但它增加了传感器节点的硬件复杂度，所以，在节点体积没有限制的情况下，可以釆用此方式。

被动等待方式则依据一定的规则定时激活，收发节点可以同时激活(同步方式)，也可以有先后的激活(异步方式)。比较常用的同步激活方式有T-MAC和D-MAC,其中T-MAC是根据业务的需求来动态调整节点休眠时间的占空比，最大限度的获取休眠时间，以减少空闲侦听；D-MAC是沿着固定的业务流向来实现相邻节点的休眠同步。在异步方式下，按照获知节点的激活信息方式可分为发送唤醒方式和等待通知方式，发送唤醒方式是发送节点在发送分组之前首先发送一段唤醒导频，接收节点在极短的时间间隔内检测无线信道内的唤醒导频，这种方式是以牺牲额外的发送唤醒导频能量来避免空闲侦听消耗的能量。等待通知方式是发送节点收到接收节点的激活通知时才开始发送分组,这种方式以牺牲待发侦听信标的能耗为代价来避免空闲监听能耗。通常只能用于业务量较低且对时延要求不高的场合。

4  传感器网络层的节能思路

无线传感器网络在网络层的节点能耗主要取决于节点的路由算法。在WSN中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，还要考虑整个网络的能量均耗，所以，在网络层应根据网络状态动态调整路由协议及参数，以达到高效利用能量，延长网络生命周期的目的。在网络层常用的优化方法有数据融合机制，节点休眠机制以及网络自适应机制。数据融合思想必须使用在以数据为中心的传感器网络中，数据在网络路由协议中传输时，中间节点根据数据的内容将来自多个数据源的数据融合成更少的出口数据然后再转发。如果无线传感器的网络节点的布设密度比较大，可以采用节点休眠机制，在不明显降低网络监视质量的情况下，让一部分节点转入休眠状态并让它们轮替工作，以节省无线传感器节点及网络的能量消耗，延长工作寿命。在SPIN路由算法中常釆用网格自适应机制来动态调整路由协议，使其网络中的每个节点都可以对自身的能源进行管理，并根据节点自身的能量等级改变工作模式匸、当剩余节点能量达到阈值时，使节点减少在协议中的参与行为。

5  未来WSN的节能措施

目前，恶劣的工作环境、信道衰落、干扰及无线信号传输的不规则性，都给无线传感器网络节能的无线通信方案设计带来了挑战,传统的多输入多输出(MI-MO)技术可以提高传输的可靠性、能量使用率和带宽效率等，但无法让MIM0技术应用到低成本、小尺寸的传感器中，最新的基于单天线的传感器虚拟MIMO方案能够有效提高节能效率，它可使多个单天线节点形成虚拟天线阵列，每个节点被视为阵列中的一副天线,这些节点会以MIMO的方式进行信息的发送与接收，实验表明，采用多跳MIOMO—LEACH方案的传感器网络的存活时间约为采用传统LEACH协议的12倍。同时，由于通信代价比计算代价高几个数量级，一项新技术，也就是数据聚合技术也成为了当今无线传感器网络研究的热点，它利用传感器节点的本地处理能力对采集到或接收到的其他传感器节点发送的数据进行网内处理，并消除冗余信息,然后再传输处理后的数据，这样，就可以用数据处理消耗的极少能量换取通信传输过程中的大量能耗。

6  结语

无线传感器网络是物联网技术领域的一个重要分支。对于无线传感器网络中数据采集的重要组成部分,即传感器节点来说，由于需要采用电池供电，因此，如何降低传感器节点的功耗，已经成为当今各研究单位的一个难题。本文主要从传感器网络各协议层出发,分析了各层之间如何降低节点功耗的措施以及方法，并分析了在大量数据处理中节点的节能问题。