無線傳感器網絡節點節能管理方式的研究論文
摘 要：無線傳感器網絡節點數量眾多、自身攜帶的能量十分有限。為了延長網絡的生命周期，需采用有效的策略降低能耗。在研究無線傳感器網絡節點組成結構、能量消耗以及節點間傳播方式的基礎上，提出一種為有效地達到節能目的所采用的節點管理方式。該方案采用動態選擇簇頭節點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協議、快速的數據融合技術，并在實現硬件的低功耗設計的條件下進行動態功耗管理。
關鍵詞：無線傳感器網絡;節點節能管理;節點間傳播方式;能耗
0 引 言
無線傳感器網絡由許多廉價的節點組成。這些網絡節點具有數據采集、數據處理、數據傳輸的功能，而完成這些功能所需的能力由節點自帶的微機電系統提供。
無線傳感器常工作在一些惡劣或危險的環境中，替換能源比較困難，即使節點的能源能替換，所花費的代價也比較大。所以，一般對無線傳感器網絡中節點的能源都不進行替換，而是采用有效的策略降低能耗，盡量延長網絡的生命周期。采用適當的無線傳感器網絡節點管理方式會對網絡性能有很大提高，有效地降低能耗，延長整個網絡的壽命。
本文通過對無線傳感器網絡節點組成結構、能量消耗以及節點間傳播方式的研究，尋求一種為有效地達到節能目的所采用的節點管理方式。
1 無線傳感器節點的組成結構
傳感器通常是指能感受被測非電量并能按一定規律將其轉換成便于處理與傳輸的電量的器件或裝置。它一般由敏感元件、轉換元件、測量電路、電源電路組成。無線傳感器節點除具有一般傳感器的功能外，還包含有無線數據傳輸模塊及數據管理模塊，通常還將敏感元件、轉換元件、測量電路組成一個模塊———數據采集模塊。
無線傳感器節點主要有兩類：匯聚節點和采集節點。它們在硬件配置上基本相同，但功能上有所區別。
采集節點負責采集數據并進行傳輸，匯聚節點則負責收集所有采集節點所采集的數據。無線傳感器節點的組成框圖如圖1所示。
圖1 無線傳感器節點的組成框圖數據采集模塊與一般傳感器一樣，可采集溫度、光強度、壓力、位移、流量、液位、加速度等非電量信息，并將其轉換成適于傳輸和測量的信號，再通過A/D轉換，轉換為數字信號。
數據處理模塊對采集所得數據進行處理，通常由于微處理器、內存等組成。同時，負責對節點進行控制管理，這其中包括數據處理操作、根據路由協議進行數據轉發控制、功耗管理、任務處理等。
數據傳輸模塊負責與其他節點進行通信，傳輸節點所采集的數據信息，交換網絡控制信息。
電源電路模塊為數據處理模塊、數據傳輸模塊及提供數據采集模塊提供所需的能量，一般由電源、電壓轉換電路組成。目前，電源的提供通常使用固定電池或太陽能電池。
2 無線傳感器節點主要的能量消耗及減耗分析無線傳感器節點的能量消耗主要來自于數據采集模塊的傳感器調理電路[1]、數據處理模塊的微控制器和內存、數據傳輸模塊的射頻電路。
傳感器調理電路所使用的能量較小，減少能量消耗的空間不大。
微處理器的功耗可分為兩個部分：動態功耗和靜態功耗[2]，其中降低動態功耗為減少能量消耗最主要的方面。根據文獻[3]，微處理器的動態功率與供電電壓、物理電容、時鐘頻率等有密切的關系，它們之間的關系式為：PD∝αCV2 f(1)式中：PD為動態功率;V為供電電壓;C為物理電容;f為時鐘頻率;α為活動因子。
因此，降低動態功耗可通過降低時鐘頻率和減少供電電壓來實現。文獻[3]中表明了減少供電電壓同時降低時鐘頻率，可降低動態功耗，處理器的工作狀態從200MHz和1.5V轉換到150MHz和1.2V，可以節省52%的功耗。
動態功耗的管理除了可通過降低各模塊的本身動態功率來降低功耗，還可采用動態電壓調節技術(Dynamic Voltage supply，DVS)[3]。DVS技術可動態地改變微處理器的工作電壓和頻率時期隨節點的工作負荷而變化，從而減少較空閑期不必要的功率輸出。
射頻電路的能量消耗是節點組成部分中最大的。
根據無線傳感器節點的要求，射頻電路一般采用低功耗、低價格、尺寸小的成熟器件。選用這類射頻電路因考慮到能耗，輸出功率應低并具有節能模式。例如，挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器nRF905，其功耗很低，以-10dBm的輸出功率發射時電流只有11mA，工作在接收模式時的電流為12.5mA，并具有空閑模式和關閉模式，便于實現節能。
可通過微處理器動態地控制射頻模塊的工作模式，使其隨工作負荷情況的變化在工作模式、空閑模式間轉換，以減少功耗。
3 無線傳感器節點間傳播方式的節能管理減少無線傳感器節點的能耗除可通過動態功耗管理來實現外，還可通過節點間傳播方式的節能管理減少節點工作負荷來實現。
無線傳感器網絡是由許多采集節點、若干匯聚節點及中轉器、控制中心(上位機)組成。其中，采集節點負責數據采集、數據處理并和其他節點進行通信;匯聚節點負責其他節點所上傳數據的收集，并下發有中轉器傳來的命令;中轉器負責上傳匯聚節點收集來的數據，并將控制中心的命令轉發給匯聚節點;控制中心負責整個網絡的廣利控制，并將處理后的數據轉達給用戶。
無線傳感器網絡的節點分布方式具有以下幾個特點：(1)無線傳感器網絡中節點位置是隨機分布的，需其網絡協議具有自組織性。在實際工作環境中，傳感器節點通常不能精確定位，節點間的關系無法預先得知，這就需要傳感器節點具有自組織能力，能夠自行建立和組織網絡。
(2)無線傳感器網絡節點數量眾多，分布范圍廣。
無線傳感器網絡為了保證獲取精確信息，在其監測區域內需部署大量的傳感器節點。
(3)節點間通信距離不長。無線傳感器網絡節點間點到點通信距離通常只有幾十到幾百米。
從以上網絡組成和節點分布方式來看，要減少節點的工作負荷，需減少節點間的通信時間及通信距離。不同的傳播方式對無線傳感器節點間通信時間及通信距離有著重要的影響。在節點間的傳播方式中，良好的網絡協議和資源管理策略能有效地降低節點工作負荷，延長無線傳感器網絡的生命周期。為此，無線傳感器網絡的傳播方式應以數據為中心，采用自組織、多跳路由，其網絡結構采用動態拓撲[4]。此外，還可采用快速的數據融合技術，進行快速的信息融合和分離，將提高網絡運行效率和隨機選擇最佳路徑的能力。
無線傳感器網絡協議由于傳感節點的計算能力、存儲能力、自身攜帶的能量十分有限而且拓撲結構不斷變化而有其特殊性。無線傳感器網絡協議因其特殊性，其中的路由協議和MAC協議是與傳統的無線網絡協議有很大的不同。無線傳感網絡的MAC協議決定無線信道的使用方式。MAC層協議在設計時需要考慮能源有效性，從而根據無線傳感器網絡的特點設計簡單高效的協議。無線傳感網絡的路由協議可分為能量感知路由、基于查詢的路由、地理位置路由、可靠路由協議幾類[5-7]。根據無線傳感器網絡的特點和應用需求，宜采用自組織、多跳路由的路由協議。
傳統的網絡體系結構中節點只具有傳輸功能，以傳輸為目的，為各應用程序提供網絡傳輸上的支持，不對數據進行處理。而無線傳感器網絡以數據為中心，其目的是獲取被感知對象的長期、準確的特征信息。采用快速的數據融合技術可實現無線傳感器網絡節點傳感數據的快速、合理分組[8-9]，減少數據冗余度，獲得到更合理的數據，從而提高網絡運行效率。
無線傳感器網絡節點數量眾多且分布密集，網絡結構應采用動態拓撲結構。在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，采用動態拓撲結構，通過功率控制和骨干網節點選擇，去除節點間不必要的通信鏈路，從而形成優化的.通信網絡結構。因此，良好的無線傳感器網絡拓撲結構應采用節點功率控制和層次型拓撲組織結構[10]。
節點功率控制根據節點通信距離及時間變化調節網絡中各個節點的發射功率，從而減少各節點不必要的發射功率。層次型拓撲控制利用分簇機制，來減少單跳通信距離，由此降低能耗。
4 無線傳感器節點節能管理方案從以上節點各部分能量消耗和節點間傳播方式的特點來看，為有效地達到節能目的，無線傳感器節點的節能管理可通過動態功耗管理和減少節點工作負荷的方法來降低無線傳感器節點的能耗。
無線傳感器節點管理方式的節能措施可從以下幾點來考慮：通過動態功耗管理和降低節點工作負荷來減少射頻模塊的工作時間，即減少節點之間的通信量;減少射頻模塊發射功率;減少微處理器的工作時間。要實現這幾點，不僅要從硬件設計來解決還要從軟件管理層來考慮。
無線傳感器節點的管理軟件包括傳感器網數據采集控制、無線數據傳輸控制、電池狀態監測、充電控制程序等部分。減少微處理器的功耗可通過微處理器的動態功耗管理來實現，而能耗最大的射頻電路的收發則由無線數據傳輸部分軟件來控制。
無線數據傳輸部分軟件包括射頻和基帶兩部分，射頻部分提供數據通信的空中接口，基帶部分提供鏈路的物理信道和數據分組。微處理器負責鏈路管理與控制，執行基帶通信協議和相關的處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等[11]。因此，在基帶部分采用自組織、多跳路由、層次式、動態拓撲組織結構的網絡協議，以減少通信量并均衡各節點能量，降低節點能耗，從而延長節點壽命。
為避免信息重疊而造成重復通信、浪費資源，自組織、多跳路由的協議采用層次式設計，使得節點間的通信時間及通信距離縮短。由于層次式設計中作為簇頭節點能量消耗最大，有可能提前消耗完而使部分網絡癱瘓，所以，為均衡各節點能量，路由協議要采用動態地隨機選擇簇頭節點及路徑的辦法。當某一簇頭節點的能量消耗過大時，傳感器網絡能根據簇頭節點的能量消耗狀況，動態地選擇能量消耗少的節點，平衡節點的能量消耗，延長整個網絡的生命周期。
網絡拓撲結構能夠提高網絡協議的效率，有利于節省能量來延長網絡壽命。采用動態拓撲結構在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節點選擇，去除節點之間不必要的通信鏈路，進行高效的數據轉發。
同時，在基帶部分功率模式管理中，采用動態管理的方式對功率模式進行控制，減少不必要的功率輸出。
與傳統的功率控制不同，動態管理的方式使用啟發式的節點喚醒和休眠機制，使節點狀態在睡眠狀態和活動狀態之間轉換。這種方式能盡量節省空閑時間的能量消耗，在性能和能耗之間取得平衡。
數據采集控制部分軟件除控制傳感器進行數據采集外，基于節能考慮，可增加數據處理部分。數據處理部分采用快速的數據融合技術在傳感器節點對信息進行快速的融合和分離。由于無線傳感器網絡節點不必將數據以端到端的形式傳送給匯聚節點，只要有效數據最終匯集到匯聚節點就達到目的了。所以，為了減少流量和能耗，傳輸過程中的轉發節點經常將不同的入口報文融合成數目更少的出口報文轉發給下一跳。經過這樣的處理，整個網絡內的數據冗余度降低、通信量減少，節省了存儲資源和網絡帶寬。
5 結 論
通過對無線傳感器節點的組成、各部分能量消耗和節點間傳播方式的分析，提出一種無線傳感器節點節能管理方案，該方案在動態選擇簇頭節點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協議下，采用快速的數據融合技術，并在實現硬件的低功耗設計的條件下進行動態功耗管理。
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