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| 无线传感器网络的节能 |
| 2008年7月17日 14:07
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虞万荣 来源: 博客中国 浏览评论
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。
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。 {{分页}}
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
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
表2 MEDUSA-II项目中无线传感器节点的能耗数据
MCU模式 传感器模式
无线收发电路状态
调制模式 数据率 功耗（mW）
活跃 开启 发送（功耗：0.7368mW） OOK 2.4kbps 24.58
发送（功耗：0.0979mW） OOK 2.4kbps 19.24
发送（功耗：0.7368mW） OOK 19.2kbps 25.37
发送（功耗：0.0979mW） OOK 19.2kbps 20.05
发送（功耗：0.7368mW） ASK 2.4kbps 26.55
发送（功耗：0.0979mW） ASK 2.4kbps 21.26
发送（功耗：0.7368mW） ASK 19.2kbps 27.46
发送（功耗：0.0979mW） ASK 19.2kbps 22.06
活跃 开启 接收 - - 22.20
活跃 开启 空闲 - - 22.06
活跃 开启 关闭 - - 9.72
空闲 开启 关闭 - - 5.92
睡眠 关闭 关闭 - - 0.02
单个节点的节能优化
在分析了无线传感器节点的组成和能耗特点之后，让我们看看在单个节点上可以采取哪些措施来节约能耗。
1) 节能计算
除了在节点设计中采用低功耗硬件之外，通过动态电源管理（Dynamic Power Management, DPM）等技术使系统各个部分都运行在节能模式下也可以节约大量的能量。最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器节点或其一部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。DPM技术的核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特征，而且状态切换也有能量和时间开销。在活跃状态下，则可以采取动态电压调整(Dynamic Voltage Scaling, DVS)技术来节约能量。在大多数无线传感器节点上，计算负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持峰值性能。DVS技术就是利用了这一点，动态改变微处理器的工作电压和频率使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和能耗之间取得平衡。
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