低功耗技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究與設(shè)計(jì)

柴 韜

（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

低功耗技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究與設(shè)計(jì)

柴 韜

（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

無線傳感器能對各種環(huán)境下的對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還能對對象進(jìn)行感知和采集信息。無線傳感器的設(shè)計(jì)目的是通過低功耗技術(shù)對WSN的體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層次的通信協(xié)議等多個(gè)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中目前需要解決的一些問題。

低功耗；無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)；研究與設(shè)計(jì)

最近幾年來，隨著我國科技技術(shù)的不斷蓬勃發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)以及低功耗技術(shù)高集成手段制成的數(shù)字化設(shè)備也得到了深入的鉆研和發(fā)展，市面上也隨之出現(xiàn)了一些成本低，功耗小的小體積類型的傳感器節(jié)點(diǎn)。并且傳感器和微電子及通信方面技術(shù)的不斷研發(fā)深入，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（W ireless Sensor Network，WSN）技術(shù)也誕生了，并且得到了廣泛的應(yīng)用，國家也對其技術(shù)的研發(fā)日益重視起來。

1 低功耗技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功耗的重要作用

WSN與其他傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有所不同的是，WSN的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是以自組織方式進(jìn)行大規(guī)模密集部署的，所以，對網(wǎng)絡(luò)的要求就需要具備很強(qiáng)的自適應(yīng)性、自組織性等，而WSN節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議和算法受到制約而且分布范圍較大，使其自身的計(jì)算和存儲能力都特別低下，所以，節(jié)點(diǎn)處的電源如果耗盡了，就會對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能造成最直接的影響效果。還有由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常只能進(jìn)行一次使用，還受到很多的因素限制，使WSN節(jié)點(diǎn)的電源供給不能得到及時(shí)更換，有時(shí)需要被使用許多年，所以低功耗技術(shù)的應(yīng)用有利于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能量效率的提高。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成和工作方式以及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分析

2.1 無線傳感器中對于網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析

無線傳感器中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式既復(fù)雜又多樣，不過都能夠?qū)⑵錃w納為兩種類型，使其在國際中具有代表性，第一種是呈現(xiàn)分簇狀類型的層次結(jié)構(gòu)，第二種是節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)水平形式的結(jié)構(gòu)體系，分簇狀類型的層次結(jié)構(gòu)能使WSN的負(fù)載得到有效的分配和均衡，有效解決了泛洪問題。分簇層次結(jié)構(gòu)模型的網(wǎng)絡(luò)中遍布著許多的無線節(jié)點(diǎn)，這些無線節(jié)點(diǎn)能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行感知，并將其傳送給負(fù)責(zé)監(jiān)控的部門，WSN節(jié)點(diǎn)由于具有密集化的分布形式，使其呈現(xiàn)出簇狀結(jié)構(gòu)，通過簇狀節(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)發(fā)信息節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了簇狀類型層次結(jié)構(gòu)的信息轉(zhuǎn)發(fā)形式，并將簇狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)信息節(jié)點(diǎn)所感應(yīng)到的信息，通過網(wǎng)絡(luò)形式將其傳遞給監(jiān)控部門。分簇狀的層次結(jié)構(gòu)采用了

TMDA/FDMA組合的方式來對MAC協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其對能量進(jìn)行更好的控制，因此，能量消耗會很低.

2.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成和工作方式

WSN節(jié)點(diǎn)構(gòu)成分為3個(gè)主要單元，分別為處理單元、通信單元和傳感單元，其中處理單元包括CPU嵌入式操作系統(tǒng)、存儲器等。通信單元包括無線通信模式，傳感單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊、傳感器。除了這3個(gè)主要單元，還有掌管別的功能的單元系統(tǒng)形式。

無線傳感器的節(jié)點(diǎn)所形成的網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點(diǎn)通過人的布置或飛機(jī)布撒等形式，使其在感知對象的附近或內(nèi)部進(jìn)行大量的部署，這些節(jié)點(diǎn)由于具備自組織性，互相進(jìn)行協(xié)作感知，將對象周圍及內(nèi)部的特定信息進(jìn)行收集和處理，對特定信息采取分析的方法，節(jié)點(diǎn)之間通過互相協(xié)作和組織對網(wǎng)絡(luò)形成了構(gòu)建，而節(jié)點(diǎn)之間的工作方式也采取了多跳中繼方式，并將所得到的特定數(shù)據(jù)傳給接收發(fā)送器，最后通過接收發(fā)送器的鏈路使節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳遞給控制中心進(jìn)行處理。

3 低功耗技術(shù)在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)策略

3.1 低功耗技術(shù)在通信模塊中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

因?yàn)樵赪SN節(jié)點(diǎn)的能耗中，無線通信模塊占據(jù)了主要部分，所以，對無線通信模塊的通耗管理至關(guān)重要。為達(dá)到通信模塊能耗的能量損耗減少，對其可以采取以下幾種應(yīng)用設(shè)計(jì)方式，第一是對模塊中通信功能的流量進(jìn)行適當(dāng)減少，使模塊中的通信所產(chǎn)生的發(fā)送和接收所產(chǎn)生的比特?cái)?shù)進(jìn)行合理降低，減少通信模式的能量損耗，可以采取的方法有：對WSN節(jié)點(diǎn)所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對有用的信息進(jìn)行發(fā)送，無用的信息過濾出去，減少通信量；減少兩幀之間的沖突，避免能量浪費(fèi)；對錯(cuò)誤檢測和校正進(jìn)行增加，避免數(shù)據(jù)包重傳，降低能耗；對控制包數(shù)量進(jìn)行有效減少，縮減包頭長度，降低能量損耗；其二是增加通信模塊的休眠時(shí)間，使其減少不必要的能量消耗。其三是采用多跳短距離的無線通信方式，減少遠(yuǎn)距離傳送引起的能量消耗。

3.2 低功耗技術(shù)在模塊中的處理核心的應(yīng)用設(shè)計(jì)

WSN中的處理器模塊是整個(gè)無線傳感器的運(yùn)行核心，直接影響到無線傳感器的通信和傳遞，以及功能協(xié)調(diào)等所有功能都是在處理器模塊的支持下來完成的。所以，低功耗技術(shù)在處理器模塊中的應(yīng)用是重中之重。低功耗技術(shù)應(yīng)滿足處理器模塊的能量損耗低，并且具備休息模式的轉(zhuǎn)換，近些年來已經(jīng)研發(fā)出超低功耗的微型處理器，通過采用這些超低功耗的微處理器，能夠降低整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能源消耗。另外，它還支持對模塊進(jìn)行供電以及對模塊進(jìn)行動態(tài)的頻率調(diào)節(jié)功能，有效節(jié)約了能耗。

4 低功耗技術(shù)在WSN各層次中的應(yīng)用

4.1 低功耗技術(shù)在物理層中的應(yīng)用

物理層決定著節(jié)點(diǎn)的體積、成本高低以及能量損耗，是整個(gè)WSN設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，物理層具備相關(guān)的數(shù)據(jù)調(diào)制和收發(fā)功能，也是低功耗技術(shù)在物理層中運(yùn)用的重點(diǎn)研究對象之一。物理層的終極設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了最大限度地減少能耗并獲得大量的鏈路容量，用以保證網(wǎng)絡(luò)的性能的平滑。由于物理層的相關(guān)問題需要從多個(gè)方面技術(shù)層面進(jìn)行分析，例如編碼調(diào)制技術(shù)、通信頻段和通信速率等，所以比較復(fù)雜。而目前我國對于WSN中物理層面的相關(guān)協(xié)議研究成果還處于初級階段，其主要是從兩個(gè)方面進(jìn)行深入研究，其一是硬件層面，現(xiàn)在WSN的節(jié)點(diǎn)存在體積難以做到壓縮，并且其成本投入巨大，功耗節(jié)約方面不突出等問題，而納米級組裝技術(shù)為WSN的研究提供了新的方向。其二是軟件方面，WSN的物理層特點(diǎn)和要求需要得到進(jìn)一步滿足。

4.2 低功耗技術(shù)在數(shù)據(jù)鏈路層中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)鏈路層是將WSN節(jié)點(diǎn)與多媒體的方式進(jìn)行可靠連接的通信鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層是由MAC構(gòu)成的。而MAC協(xié)議是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)部分，對網(wǎng)絡(luò)性能影響較大。傳統(tǒng)的M AC協(xié)議競爭機(jī)制已不能滿足WSN的需求，由于MAC協(xié)議在WSN中產(chǎn)生沖突概率大、能量浪費(fèi)高等缺點(diǎn)，所以WSN的MAC協(xié)議一般都是按預(yù)先規(guī)劃的機(jī)制對節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行保護(hù)。而射頻模塊是節(jié)點(diǎn)當(dāng)中耗能最大的，也是低功耗技術(shù)的主要優(yōu)化目標(biāo)，低功耗技術(shù)通過對MAC協(xié)議進(jìn)行控制，從而達(dá)到對射頻模塊進(jìn)行控制，使節(jié)點(diǎn)功耗大幅度降低。目前，在控制M AC協(xié)議降低射頻模塊能耗的主要方法有減少M(fèi)AC數(shù)據(jù)流量、通過對MAC控制使射頻模塊的休息時(shí)間進(jìn)行增長，并且避免M AC在WSN中引起的沖突。減少模塊中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量是最根本的解決方式。從最近幾年看，低功耗技術(shù)目前是對數(shù)據(jù)鏈接層中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來減少能耗，不過對于MAC層中的數(shù)據(jù)的相關(guān)融合方案還沒有較多研究，其技術(shù)還沒有成熟。最近幾年，低功耗技術(shù)主要是對射頻模塊中工作模式和休息模式的轉(zhuǎn)換進(jìn)行深入研究，并力求解決數(shù)據(jù)鏈路層對于數(shù)據(jù)突然產(chǎn)生和中止的適應(yīng)問題等方面。

4.3 低功耗技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是發(fā)現(xiàn)路由并且維護(hù)路由的功能，它的主要設(shè)計(jì)目的是在于能源的有效利用，使網(wǎng)絡(luò)的使用壽命得到最長化體現(xiàn)。低功耗技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層中的應(yīng)用可以從幾種角度著手，對網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的冗余的數(shù)據(jù)流進(jìn)行充分壓縮，并利用多跳傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包路由的轉(zhuǎn)發(fā)。

路由設(shè)計(jì)是以降低節(jié)點(diǎn)能量消耗為目標(biāo)的，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。由于WSN路由協(xié)議的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)有所不同，Ad hoc協(xié)議已不能應(yīng)用于WSN中，進(jìn)而促使了WSN路由協(xié)議產(chǎn)生了許多新的適用方法，對WSN路由協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)也已成為了研究熱點(diǎn)。WSN路由協(xié)議在某些情況下，節(jié)點(diǎn)可能需要進(jìn)行移動，而新的路由算法不僅滿足了對移動節(jié)點(diǎn)的提供支持，也滿足了能源的有效性。

5 結(jié)語

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到國際的重視，它是多種學(xué)科進(jìn)行高度交叉的新興領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過對周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集相關(guān)對象信息，并進(jìn)行處理和傳輸?shù)接脩艚K端，真正實(shí)現(xiàn)了計(jì)算無處不在的目標(biāo)。而低功耗技術(shù)作為一種非常有潛力的技術(shù)，對WSN設(shè)計(jì)節(jié)能中起到了至關(guān)重要的作用，低功耗技術(shù)也將隨著WSN的發(fā)展而不斷完善。

[1]張大蹤，楊濤，魏東梅.一種低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006（10）：23-27.

[2]于凱，謝志軍，金光，等.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2012（9）：11-15.

[3]李坤明，楊光友，李軍.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（4）：18-22.

Research and design of low power technology in wireless sensor networks

Chai Tao
（Honeywell（China）Co., Ltd., Shanghai 201203, China）

W ireless sensor can monitor the object under a variety of circumstances, sense and gather information on the object.The goal of designing the w ireless sensor is through a low power technology to design the communication protocol of WSN system structure, network nodes and the various levels from multiple angles, so that it can solve some problems that currently needed to be solved in the design of w ireless sensor network .

low power; w ireless sensor; network; research and design

柴韜（1983— ），男，江蘇徐州，本科；研究方向：低功耗技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究與設(shè)計(jì)。