无线传感器网络的节能

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　　自动配置的无线传感器网络在民用和军用方面具有极高的价值，可以在大范围内用于收集、处理和发布复杂的环境数据。无线传感器网络中的节点一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，而且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，对电池的更换是非常困难的甚至是不可能的。但是无线传感器网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。

　　1 节点组成及能耗分析

　　规范的无线传感器节点结构如图1所示。节点由四部分组成：（1）由微处理器或微控制器构成的计算子系统；（2）用于无线通信的短距离无线收发电路，即通信子系统；（3）将节点与物理世界联系起来，由一组传感器和激励装置构成的传感子系统；（4）能量供应子系统，包括电池和AC-DC转换器。

图1 无线传感器节点结构

　　1) 计算子系统

　　微处理器(MicroController Unit, MCU)负责控制传感器、执行通信协议和处理传感数据的算法。MCU的选择会对节点的电池消耗带来很大的影响，比如，Intel的StrongARM常用于高端领域，在执行指令时功耗达到400mW，而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW，不过提供的性能也要弱的多。出于电源管理的目的，MCU通常有活跃、空闲和睡眠等多种操作模式，每种模式有不同的电源消耗。比如，StrongARM在空闲模式功耗为50 mW，而在睡眠模式时只有0.16 mW。在不同操作模式之间切换也有电源和延迟开销，因此，不同的操作模式、模式之间的切换和MCU在每种模式的时长对整个节点的能量消耗有很大的影响。

　　2) 通信子系统

　　影响无线收发电路功耗的因素很多，包括节点采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等。通常，无线收发电路可以工作在四种状态，即发送、接收、空闲和睡眠状态。空闲状态也具有很高的功耗，几乎与接收模式不相上下，所以在无线收发电路处于空闲状态时，应该尽可能将其关闭（即置于睡眠状态）。

　　3) 传感子系统

　　包括一组传感和激励装置，将周围环境的物理现象转换成电信号，根据输出可以分为模拟和数字两类。在无线传感器中，能量消耗来自多个部分，包括(1)信号采样以及物理信号到电信号的转换　　　　（2）信号调制（3）信号的模-数转换。

　　4) 无线传感器网络节点能耗分析

　　现在分析无线传感器节点的能耗。表1是Rockwell的WINS项目中无线传感器节点的能耗数据，表2是MEDUSA-II项目中节点的能耗数据，从中可以看出：

　　采用低功耗模块、在性能与耗电量之间进行折中对系统整体功耗影响巨大。

　　节点的能耗在很大程度上取决于各个组成部分的工作状态。

　　由于传输距离很短，接收时的能耗可能比发送时还大。

　　无线收发电路在空闲状态和接收状态时的耗电量相差无几。

表1 WINS项目中无线传感器节点的能耗数据

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MCU模式	传感器模式	无线收发电路状态	功耗（mW）
活跃	开启	发送（功耗：36.3mW）	1080．5
		发送（功耗：19.1mW）	986.0
		发送（功耗：13.8mW）	942.6
		发送（功耗：3.47mW）	815.5
		发送（功耗：2.51mW）	807.5
		发送（功耗：0.96mW）	787.5
		发送（功耗：0.30mW）	773.9
		发送（功耗：0.12mW）	771.1
活跃	开启	接收	751.6
活跃	开启	空闲	727.5
活跃	开启	睡眠	416.3
活跃	开启	移除	383.3
睡眠	开启	移除	64.0
活跃	移除	移除	360.0

　　4 整个网络的节能优化

　　最后，让我们看看从整个网络的角度，可以采取哪些措施进行能耗优化。

　　1) 流量分发

　　对整个无线传感器网络而言，需要从全局上考虑如何将流量从数据源传递到目的地，这里的重要问题是如何在源和目的地之间找到一条节能的多跳路由。节能路由是在普通的路由协议基础上，考虑相关的能耗因素，引入新的与电源消耗有关的衡量指标，实现能耗的节约，这方面已经有很多研究成果。

　　比如，最简单的节能路由协议是最少能量路由，即寻找一条能耗最低的路由，通过它传送数据。但这样未必能延长网络的生存时间，因为某些处于关键位置的节点可能被过度使用而导致电源过早耗尽。为避免这种情况，最大最小路由使得节点的剩余电量尽可能多，即最大化节点的最小剩余电量。最大最小路由更多的考虑了电池的剩余电量，而最少能量路由考虑的是某次通信需要消耗的电量，一个很自然的改进思路是可以将两种方法结合起来，定义一个电源开销函数，综合考虑两种策略。

　　2) 拓扑管理

　　在典型的无线传感器网络部署中，节点密度都比较高，因为提高节点密度可以提高结果的精确度，但如果系统生存时间更重要的话，就可以对网络拓扑进行管理，利用相对较少的节点进行跟踪。这样，除了减少计算复杂度之外，也降低了通信开销，因为没有参与跟踪的节点不会发送数据。如果硬件支持可变发射功率的话，采用低的发射功率也能够降低网络电源开销，同时缓解共享空间信道的竞争，提高网络容量。拓扑控制有专门的讨论，这里就不多说了。

　　3) 计算和通信的折衷

　　除了智能的路由和拓扑管理协议，缩减数据流长度也是有效的节能手段。在无线传感器网络中，由于节点的高密度，使得同一时间被多个微传感节点同时感知并捕获处理，导致了数据采集的冗余性。在选定节点将一定区域内节点的数据进行汇聚或者融和，然后再将结果传送出去，不但可以提高事件/数据监测的可靠性，也可有效降低通信流量，从而节约能耗。

　　5 结束语

　　作为极具潜力的一种技术，无线传感器网络在未来几年必将得到广泛的应用，而由于节能在无线传感器网络设计中所处的核心地位，节能技术水平将伴随着无线传感器网络的发展而不断提高。未来，节能技术的研究将进一步与无线传感器网络的特定应用联系起来，针对不同应用进行专门的优化。同时，软硬件整合设计、跨层网络协议设计等一体化节能设计思路将得到广泛应用。