ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗模型研究※＊

金仁成，王震，車志平，朱明，李應(yīng)琛

（大連理工大學遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)工程重點實驗室，大連 116024）

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗模型研究※＊

金仁成，王震，車志平，朱明，李應(yīng)琛

（大連理工大學遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)工程重點實驗室，大連 116024）

針對當前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗模型計算復雜、通用性差及理論模型與實際相差較大等問題，提出一種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗模型。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作電壓、發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)中各階段的時長和工作電流以及休眠狀態(tài)的工作電壓和工作電流等參數(shù)，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和休眠狀態(tài)的能耗數(shù)學模型，進而建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總能耗數(shù)學模型。實驗結(jié)果表明，該模型能夠準確預(yù)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸能耗代價和剩余工作壽命。

能耗模型；ZigBee；JN5148

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能夠節(jié)省繁瑣枯燥的人力勞動，甚至能對過去人工難以實時監(jiān)控的危險區(qū)域進行監(jiān)控，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、醫(yī)療健康和工業(yè)控制等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。通常節(jié)點電源能量有限，并且受工作環(huán)境限制不可能頻繁更換電源，一旦電量耗盡將導致節(jié)點失效而退出網(wǎng)絡(luò)，影響網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測質(zhì)量甚至導致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，因此延長節(jié)點的使用壽命問題亟待解決。

大多數(shù)研究表明：合理使用電池電量，能有效延長節(jié)點的工作時間，即通過對節(jié)點的耗電量分析，選擇適合節(jié)點的傳輸方式，可最大化利用電池能量。而能量模型的建立與評估是進行能耗分析的關(guān)鍵，目前圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理，大量能耗模型已被提出。其中大部分都基于MAC層或路由協(xié)議能耗的優(yōu)化策略［1］而建立的，計算過程復雜，對于計算能力有限的單片機，這些算法會消耗更多的能耗，而且這些理論模型與實際情況相比存在較大的差異，因此多用于仿真分析。

Ivan［2］等基于CC2420建立了一種用于評估IEEE 802.15.4低速無線個域網(wǎng)的能量模型，但IEEE 802.15.4模型只是規(guī)定了ZigBee協(xié)議底層標準，對使用基于Zig-Bee通信協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品節(jié)點的能量評估仍存在不足。參考文獻［3］公開了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實際能量模型及功率優(yōu)化控制方法，但該模型都是針對特定的節(jié)點，不具有通用性且算法復雜。為此本文提出一種采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作電壓、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在發(fā)送狀態(tài)和接受狀態(tài)中各階段的時長和工作電流、無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在休眠狀態(tài)的工作電壓和工作電流等參數(shù)，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)和休眠狀態(tài)的能耗數(shù)學模型，該模型算法簡單，參數(shù)容易測得，實驗結(jié)果表明，能夠準確預(yù)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能耗，適用于實際計算能力有限的傳感器節(jié)點。

1 能耗模型設(shè)計

1.1 能耗模型提出

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由處理器單元、無線通信單元、傳感器單元、電源4部分組成，各單元能耗分布［4］如圖1所示。通過圖1所示能耗分布，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作狀態(tài)分為發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)以及空閑、休眠狀態(tài)。

圖1 典型節(jié)點各單元的能耗分布圖

為了保證能耗模型簡單，有較好的實用性和通用性，提出一種以節(jié)點工作電流、工作電壓、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收時長為參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗計算模型。為了獲取能耗模型的相關(guān)參數(shù)，搭建實驗平臺，如圖2所示。將示波器通過電阻R（R=1Ω），分別與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置相連接，分別測量實驗中一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇首節(jié)點和一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點在其工作電壓下發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)的工作電流波形。

圖2 實驗平臺

1.2 能耗模型建立

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期略——編者注，包括數(shù)據(jù)偵聽和接收階段1、數(shù)據(jù)發(fā)送階段2、數(shù)據(jù)處理階段3、等待階段4四個階段。數(shù)據(jù)偵聽和接收階段1是指當前并沒有數(shù)據(jù)，但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于接收狀態(tài)以監(jiān)聽信道里面的信號，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在偵聽和接收數(shù)據(jù)時功耗幾乎沒有區(qū)別，而在時間上也是連續(xù)的，因此將這兩個過程等效為一個階段。等待階段4是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前使用CSMA-CA協(xié)議監(jiān)聽信道忙之后會回避的時間（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于接收狀態(tài)時不使用），時間長度與信道質(zhì)量有關(guān)［5］，因此等待階段4時間不確定。為方便計算，將等待階段4放大合并到數(shù)據(jù)偵聽和接收階段1，即一個完整發(fā)送周期簡化為3個階段，即數(shù)據(jù)偵聽和接收階段1、數(shù)據(jù)發(fā)送階段2、數(shù)據(jù)處理階段3。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一個完整的接收周期略——編者注，包括確認幀發(fā)送階段5、數(shù)據(jù)處理階段6、數(shù)據(jù)偵聽和接收階段7三個階段。為準確計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總能耗，需得到：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期時長TTrans；發(fā)送狀態(tài)中數(shù)據(jù)偵聽和接收階段時長TRX、工作電流IRX，數(shù)據(jù)處理階段時長TCON、工作電流ICON以及數(shù)據(jù)發(fā)送階段工作電流ITX等參數(shù)；接收狀態(tài)中確認幀發(fā)送階段時長TACK、工作電流IACK，數(shù)據(jù)處理階段時長TCON1、工作電流ICON1以及數(shù)據(jù)偵聽和接收階段工作電流IRX1；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送有效數(shù)據(jù)包的數(shù)量M；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點休眠電流ISleep、休眠時間TSleep以及節(jié)點工作電壓V。

計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)的能耗ETX：

計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于接收狀態(tài)的能耗ERX：

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的接收周期由發(fā)送周期決定，同一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可能按時間片接收幾個節(jié)點數(shù)據(jù)。式（2）中，n為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在一個接收周期內(nèi)接收數(shù)據(jù)包的個數(shù)，因而節(jié)點間一對一傳輸時，n=1。

計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于休眠狀態(tài)的能耗ESleep：

由于存在丟包情況，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送有效數(shù)據(jù)包的數(shù)量M進行修正，可得：M=N/（lpack×（1+p））。式中，N為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包總字節(jié)數(shù)，lpack為一個數(shù)據(jù)包的有效字長度，p為統(tǒng)計1K個數(shù)據(jù)包的丟包率。

發(fā)送一個數(shù)據(jù)包實際時間與計算時間有差異，故計算一個比例因子k：k=（250×TTXL）/（（lhead+lpack）×8）［6］。式中l(wèi)head為數(shù)據(jù)包頭開銷字節(jié)數(shù)，lpack為一個數(shù)據(jù)包中有效字節(jié)的長度，數(shù)據(jù)包頭開銷字節(jié)數(shù)lhead和一個數(shù)據(jù)包中有效字節(jié)的長度lpack為常數(shù)。發(fā)送一個固定長度的數(shù)據(jù)包，發(fā)送周期中的數(shù)據(jù)發(fā)送階段的時長為TTXL。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作電流與電壓存在一定關(guān)系。通過實驗平臺測試，實驗數(shù)據(jù)如圖3所示。實驗結(jié)果表明，在節(jié)點的工作電壓下，電流ITX、IAwait以及IRX與電壓成線性關(guān)系。

圖3 節(jié)點工作電流與工作電壓關(guān)系圖

2 能耗計算實驗

2.1 模型參數(shù)計算

本實驗中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送周期TTrans為常量，設(shè)定TTrans為50ms。在實際應(yīng)用中，為獲得實測時間與計算時間的比例因子k，采用如下步驟：首先，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇首節(jié)點發(fā)送一個長度為54字節(jié)的數(shù)據(jù)包，通過采用圖2所示的測量方式，得到如圖4所示的工作電流簡化模型。

圖4 發(fā)送狀態(tài)簡化工作電流波形圖

發(fā)送周期的數(shù)據(jù)發(fā)送階段2時長TTXL=2ms，即實測時間為2ms，依據(jù)實測時間TTXL=［（lhead+lpack）×8/250］×k，可以反推出k=250×TTXL/（（lhead+lpack）×8）= 1.16，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實測時間與計算時間的比例因子k為1.16。通過已知的一個數(shù)據(jù)包的有效字節(jié)長度lpack、一個數(shù)據(jù)包頭開銷字節(jié)數(shù)lhead，計算發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)發(fā)送階段時長TTXL為：TTXL=［（（lhead+lpack）× 8）/250］×k=［（44+10）×8/250］×1.16≈2.0ms。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由子節(jié)點在一個接收周期中確認幀（確認幀長度為11字節(jié)）發(fā)送階段的時長TACK為：TACK=88/250 ×k=88/250×1.16≈0.41ms。若無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為非可靠性傳輸，即無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在接收階段不需要發(fā)送確認幀，則TACK=0。通過已知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包總字節(jié)數(shù)N，統(tǒng)計1K個數(shù)據(jù)包的丟包率p= 1.25%，根據(jù)一個數(shù)據(jù)包的有效字節(jié)長度lpack，可計算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送有效數(shù)據(jù)包的數(shù)量M為：M=N/ lpack×（1+p）=709。節(jié)點接收狀態(tài)時，通過采用圖2所示的測量方式，得到如圖5所示的工作電流簡化模型。

圖5 接收狀態(tài)簡化工作電流波形圖

2.2 模型能耗計算

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在3.3V電壓下工作，兩個節(jié)點一對一收發(fā)數(shù)據(jù)，即簇首節(jié)點向路由子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，路由子節(jié)點接收數(shù)據(jù)。實驗如下：發(fā)送數(shù)據(jù)間隔設(shè)定為50ms，每次發(fā)送100包數(shù)據(jù)，每包數(shù)據(jù)為10字節(jié)，共發(fā)送7次。為了實驗方便，節(jié)點發(fā)送和接收過程中并沒有對數(shù)據(jù)進行處理，所以發(fā)送和接收周期數(shù)據(jù)處理階段的時長為0。簇首節(jié)點總的能耗為發(fā)送狀態(tài)和空閑偵聽的能耗，而路由子節(jié)點由于沒有休眠狀態(tài)，其總能耗為接收狀態(tài)和空閑偵聽的能耗。

由式（2）和式（3）計算可得，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇首節(jié)點的發(fā)送狀態(tài)能耗為：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由子節(jié)點的發(fā)送能耗為：

其空閑偵聽時間為t=100-709×50/1000=64.55s，則空閑偵聽的能耗為64.55×3.3×29.5×10-3= 6.283 94J。故根據(jù)模型計算得到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇首節(jié)點的總能耗為10.046 18J，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由子節(jié)點的總能耗為9.798 79J。

2.3 節(jié)點能耗實驗結(jié)果

本實驗采用圖2所示的實驗平臺，利用示波器測得100s內(nèi)無線傳感器簇首節(jié)點和路由子節(jié)點的能耗，實驗結(jié)果略——編者注。簇首節(jié)點測試面積為3.155Vs，由于測試的是1Ω電阻，即測試結(jié)果實際上為3.155As，由于供電電壓是3.3V，故100s內(nèi)無線傳感器簇首節(jié)點的總能耗為10.411 5J。路由子節(jié)點測試面積為3.086Vs，測試結(jié)果為3.086As，即100s內(nèi)無線傳感器路由子節(jié)點的總能耗為10.183 8J。為了保證測試的準確性，測試示波器在無輸入時的100s內(nèi)波形面積即零點的總能耗為84.99mVs× 3.3/1 000=0.280 467J，經(jīng)計算可得，實際無線傳感器簇首節(jié)點的總能耗為10.131 03J，誤差為0.84%，無線傳感器路由子節(jié)點總能耗為9.903 33J，誤差為1.06%。

結(jié) 語

本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗模型進行了分析，引入以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作狀態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)層丟包率方式建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗模型。實驗結(jié)果表明，所提出的能耗模型更精確，更接近真實情況。文中對丟包率的統(tǒng)計方式欠缺靈活性，還需要進一步研究。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www. mesnet.com.cn。

［1］謝和平，周海鷹，左德承，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量優(yōu)化與建模技術(shù)綜述［J］.計算機科學，2012，39（10）：15-25.

［2］Ivan Howitt，Rogelio Neto，Jing Wang.Extended Energy Model for t he Low Rate WPAN［C］//Mobile Adhoc And Sensor Systems，2005.IEEE International Conference on，2005.

［3］許慧中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實際能量模型及功率優(yōu)化控制方法：中國，200910033505.7［P］.2009-12-16.

［4］王先峰，項軍，胡斌杰.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量模型的評估及改進［J］.傳感器技術(shù)學報，2009，22（9）：1318-1323.

［5］姜智文，周熙，余陽，等.IEEE802.15.4時隙CSMA/CA算法性能研究［J］.無線電通信技術(shù)，2014，40（2）：34-37.

［6］Jennet user guide［EB/OL］.［2015-01］.http：//www.jennic.com/support/zigbee＿rf4ce//JN-AN-1035（v1.1）5-Nov-2013，2013.11.5.

金仁成（教授），研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及無人機導航；王震（碩士），研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)能量管理；車志平、李應(yīng)?。ùT士），研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點定位；朱明（碩士）研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點部署。

Node Energy Consumption Model of Wireless Sensor Network Based on ZigBee※

Jin Rencheng，Wang Zhen，Che Zhiping，Zhu Ming，Li Yingchen
（Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

To solve current energy consumption model's drawbacks of a large amount of computation，poor universality and large difference between theoretical model and actual situation，the model of node energy consumption based on ZigBee protocol is proposed.These parameters，including working current，working voltage，time duration of data sending and receiving，etc，are used to establish node energy consumption model in different states.The node working state is divided into the sending state，the receiving state and the dormant state. Then the total node energy consumption model could be built.The experiment results show that it can precisely predict the transmission energy consumption cost and the remaining life.

energy consumption model；ZigBee；JN5148

TP393.17

A

??薛士然

2015-01-13）

國家級-國家“十二五”科技支撐計劃資助項目（2011BAG0502）。