一種通過算法移植降低無線傳感器網絡能耗的方法*

雷 桐，沈慶宏，馮兆祥

(1.南京大學電子科學與工程學院，江蘇南京210093;2.江蘇省長江公路大橋建設指揮部，江蘇泰州225321)

0 引言

由于無線傳感器網絡工作在比較惡劣的環(huán)境中，節(jié)點能量一般由電池供應，電源無法更換，但是卻要求網絡的生存時間長達數月甚至數年，節(jié)點能量受限成為其最大制約因素。本文通過研究傳感器節(jié)點的能耗分布，應用低功耗的無線傳感網絡［1］Imote 2節(jié)點，利用軟件開發(fā)與實際應用相結合的方式，設計出一種降低節(jié)點功耗的方法，將計算算法移植到應用于Imote2［2］的操作系統(tǒng)，根據不同節(jié)點模塊的需求，用nesC語言編寫不同模塊的程序，并將其下載到Imote 2節(jié)點上，通過實驗證明方法的可行性與降低功耗的有效性。

1 傳感節(jié)點簡介與能耗分析

傳感器節(jié)點由4個部分組成:分別是傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內采集信息和轉換數據;處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數據與其他節(jié)點發(fā)來的數據;無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集的數據;能量供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池［3］。傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶的電池能量十分有限。由于傳感器節(jié)點個數多，成本低，分布區(qū)域廣，而且部署區(qū)域環(huán)境復雜，有些區(qū)域甚至人員不能到達，所以，傳感器節(jié)點通過更換電池的方式來補充能源是不現(xiàn)實的。如何高效使用能量來最大化網絡生命周期是傳感網絡面臨的重要挑戰(zhàn)。

圖1所示是傳感器節(jié)點各部分能量消耗的情況［4］，從圖中可知，傳感器節(jié)點的絕大部分能量消耗都是在無線通信模塊，傳感器節(jié)點傳輸信息時要比執(zhí)行計算時消耗更多的電能。模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)，無線通信模塊在發(fā)送狀態(tài)的能量消耗最大，在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的能量消耗接近，略少于發(fā)送狀態(tài)的能量消耗，而在睡眠狀態(tài)的能量消耗最小。

2 Imote 2的性能特點及其操作系統(tǒng)

Imote 2智能無線傳感器是一種設計用于數據密集型應用的智能傳感器平臺。其主板采用了低功率 X-scale處理器，PXA27x CPU。該處理器可工作于低電壓低頻率模式，可進行低功耗操作。Imote 2具有256 kB的靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)，32 MB的同步內存(SDRAM)，以及32 MB的閃存。它使用的是德州儀器公司的CC2420 IEEE 802.15.4射頻發(fā)射器。CC2420支持2.4 GHz帶寬16通道250 kB/s最大數據傳輸率。與之配套的傳感器集成模塊可測三軸加速度、光、溫濕度等［5］。

每個Imote 2傳感器節(jié)點都具有自帶的微處理器，可以進行數字信號處理、自我診斷、自我識別以及自適應功能。傳感器節(jié)點在本地就可進行數據處理，只將少許有用的信息發(fā)送至基站或其他傳感器節(jié)點，有效減少了數據傳輸量，節(jié)省了能耗。相對于其他無線傳感器節(jié)點(如Mica系列)，Imote 2的主要特點是其所能儲存的數據量和靈活的通信、信息處理能力，這也是本文選擇其作為實驗平臺的原因。

Imote 2軟件采用的是嵌入式操作系統(tǒng)Tiny-OS，其內存占用量少，支持密集布排和自組織性的傳感器網絡。該系統(tǒng)主要采用nesC語言編寫，為無線傳感器網絡提供了一系列基本的接口、組件和配件文件等［6］。采用nesC語言編寫Imote 2程序組件會被下載到每個Imote 2傳感器節(jié)點，基站收到命令后使Imote 2上的傳感器集成板采集數據并暫存在閃存中，最終發(fā)送給基站節(jié)點。

3 基于算法移植的低功耗軟件設計方法

理論上，低功耗算法可以在用戶、應用、操作系統(tǒng)和部件4個層次中的任何一個上實現(xiàn)。但無論是基于性能還是基于狀態(tài)的措施，都要借助軟件編程才能發(fā)揮作用。只有應用程序才能決定何時發(fā)送數據(基于狀態(tài)的措施)、何時調整時鐘頻率(基于性能的措施)。根據節(jié)點的硬件信息和實際應用的需求，降低代碼量和復雜度、降低各部分能耗和對硬件資源的需求［7］。

數據采集是無線傳感網絡系統(tǒng)的首要任務［8］。只有通過節(jié)點采集到所需信息，才能進一步進行數據處理和傳輸。根據對傳感器各模塊的能耗分析可知數據的發(fā)送與接收功耗很大。本文根據實際應用需求，將數據處理算法移植至節(jié)點操作系統(tǒng)并轉換成適合Imote2操作系統(tǒng)的nesC代碼，根據整體需求進行改進，減少輸出的數據量，從而降低節(jié)點的功耗。因此，如何處理傳感器的輸出數據，提取有意義的信息成為算法移植所要考慮的問題。

在無線傳感器網絡的應用中，為了分析目標的運動特征，信號在時域范圍內的空間信息往往被忽略，傅里葉變換和功率譜密度(PSD)函數包含著信號的基本頻域信息和動力系統(tǒng)的性能。而當采樣頻率和其他用戶設定一定時，處理后的數據量恒定(與采集數據量的大小和時間無關)。所以，當系統(tǒng)要求不需要空間信息時，利用節(jié)點的處理器處理原始數據得到僅包含頻域特性的數據發(fā)送回基站能夠大大降低發(fā)送的數據包數量和時間。本文以移植PSD計算算法為例，用實驗證明此原理。

4 程序模塊分析與實現(xiàn)

基站模塊:協(xié)調節(jié)點進行數據采集、PSD計算、發(fā)送PSD數據至基站。首先，初始化和鏈接程序中所用到的模塊，基站模塊向節(jié)點模塊發(fā)送采集數據指令;其次，采集完畢后，定時器計時結束并發(fā)送PSD計算參數，待節(jié)點模塊計算完畢后，基站模塊定時器計時結束發(fā)送傳輸數據命令給節(jié)點模塊，最后，基站模塊接收數據并打印至用戶預設的txt文件中。

節(jié)點模塊:主要任務是采集測量數據，并計算PSD，將其數據發(fā)送到基站。首先，初始化和鏈接程序中所用到的模塊，接收到采集命令后開始采集數據，采集完畢后等待命令;其次，在接收到計算命令后開始計算PSD，計算完畢后等待命令;最后，在接收到發(fā)送數據命令后開始發(fā)送PSD數據。

計算模塊:首先，進行差錯檢查和分配存儲空間，其次，根據用戶設置選擇通道與選擇窗口，使用改進的離散傅里葉變換算法［9，10］構成的功率譜密度計算函數計算窗口內的頻譜并保存，在計算完所有窗口與通道的數據后發(fā)送計算結束信號。

圖2所示為程序流程，虛線框內為所添加的移植算法部分。

5 實驗與功耗測試

實驗采用基于外部電流測量的實測能耗方法，它通過外接設備電路來對節(jié)點能耗進行測試，在電源與節(jié)點之間串聯(lián)了1只1Ω的電流取樣電阻器，在電阻器兩側接數字示波器對其電壓進行測量，最后計算得出節(jié)點的能耗。

無線傳感節(jié)點的功耗測試是通過測量傳感節(jié)點的工作電流來實現(xiàn)，根據電流乘以電壓來計算，電流又通過串入電阻器實現(xiàn)電流/電壓轉換來測量。電阻大小的選取的原則為:引入的壓降可忽略，產生的電壓易于測量。為了不影響被測節(jié)點的功耗，采用一個單獨供電的測量節(jié)點來檢測被測節(jié)點的電流。

圖2 程序流程圖Fig 2 Flow chart of program

實驗將Imote 2傳感器射頻放大器節(jié)點綁定在小型電風扇上測其抖動頻率。

1)改進數據與原始數據對比實驗

圖3(b)為改進后的移植程序由基站接收到的x，y，z 3通道頻譜數據直接顯示，圖3(a)為改進前接收到x，y，z 3通道的原始采集數據經Matlab中的PSD函數處理后的顯示，可看出頻率點幾乎無偏移，幅度的偏差是由于與Matlab算法不同和實驗噪聲引起的，在誤差范圍內。

2)功耗測試

節(jié)點a下載的是經PSD移植后改良的程序，節(jié)點b下載的是初始程序，節(jié)點a，b同時綁在電風扇采用恒定4.5V電壓并對其電流進行實時監(jiān)控，實驗測試時，持續(xù)采集較長一段時間內的加速度信號，表1為采集長度為51712個數據的參數數據。

表1 采集51712個數據的對比實驗結果Tab 1 Comparison experimental results of collected 51712 datas

分別測試三組不同長度的數據，由于信號采集部分的功耗主要由硬件和用戶定義決定，由表2可知，發(fā)送功耗比(改進后的發(fā)送功耗/原始發(fā)送功耗)僅為2%左右，而在總功耗極限比(采集功耗/實際原始總功耗)約為95.5%的情況下，總功耗也(改進后的功耗/原始功耗)有顯著提升。

圖3 原始方法與移植方法PSD數據對比圖Fig 3 PSD data comparison diagram of original and transplaning methods

表2 改進方法與原始方法的功耗比Tab 2 Power consumption ratio of improved method and primitive method

6 結論

本文以降低無線傳感器網絡節(jié)點功耗為目標，在對無線傳感網絡的特點和模塊功耗進行分析的基礎上，以Imote 2智能無線傳感器為核心，采用了嵌入式操作系統(tǒng)Tiny-OS［11］，設計了基于算法移植的減少數據發(fā)送量程序模塊，完成了低功耗軟件設計并測試分析，證明了此方法可以大大降低傳感器節(jié)點的數據發(fā)送功耗和有效降低傳感器節(jié)點的總功耗，實驗表明:此方法得到的PSD數據與利用Matlab處理的數據基本一致。

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