無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗技術(shù)研究

秦立朋，劉偉民，鄭愛(ài)云

(華北理工大學(xué)，河北 唐山 063000)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)由大量體積小、采用電池供電且具有通信功能的傳感器節(jié)點(diǎn)和功能強(qiáng)大的基站構(gòu)成，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)、生活?yuàn)蕵?lè)和智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限，當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)可能會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為了最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，必須高效地使用節(jié)點(diǎn)能量、降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的能耗問(wèn)題從節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化算法兩方面對(duì)其進(jìn)行了討論。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成架構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)如圖1所示，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析及顯示端4部分組成。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的來(lái)源，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的部分，它主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成[1]，如圖2所示。傳感器模塊中的傳感器主要用于搜索、感知以及獲取信息，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換能夠?qū)鞲衅鞑蹲降降奈锢硇畔⑥D(zhuǎn)化為數(shù)字信息；數(shù)據(jù)處理與控制模塊對(duì)整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行分析處理；無(wú)線通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)與其傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互；能量供應(yīng)模塊主要負(fù)責(zé)傳感器正常工作所需的電能。

2 WSN的低功耗技術(shù)

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗技術(shù)，人們從低功耗電路設(shè)計(jì)和能耗優(yōu)化算法入手，對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行了針對(duì)性的研究。

2.1 硬件低能耗

從圖2中可以看出，節(jié)點(diǎn)的主要能耗來(lái)自對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理和傳輸，所以節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)微處理器模塊和通信模塊的設(shè)計(jì)選擇。馮進(jìn)通等[2]設(shè)計(jì)了基于低功耗STC12LE5A60S2微控制芯片和低功耗通信模塊MC13213的二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。王志秦[3]設(shè)計(jì)的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用了超低功耗微控制器MSP430F5418A和低接收功耗的SX1212無(wú)線射頻模塊。曾閔等[4]針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池供電受限問(wèn)題構(gòu)建了基于ARM低功耗微處理器STM32F103芯片和SI4421射頻芯片的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)中不僅采用了低功耗硬件而且還具有低功耗模式的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步降低了節(jié)點(diǎn)的能耗。朱軍等[5]設(shè)計(jì)的基于SX1278的節(jié)點(diǎn)，利用基于LoRa的調(diào)制技術(shù)達(dá)到了遠(yuǎn)距離通信、低功耗和抗干擾性強(qiáng)的目的。張力塬等[6]設(shè)計(jì)了NB-IOT自供電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)以低功耗的CC2541為核心，搭配DC-DC穩(wěn)壓技術(shù)穩(wěn)定輸出電壓，從而達(dá)到降低能耗的目的。

通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器終端節(jié)點(diǎn)架構(gòu)研究分析，可以將節(jié)點(diǎn)架構(gòu)分為以下兩類:①微處理器模塊和射頻模塊各自獨(dú)立的架構(gòu)；②采用了集成處理器和射頻模塊的SoC架構(gòu)，適用于對(duì)體積要求小的場(chǎng)合。

2.2 軟件能耗

在低功耗硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)數(shù)據(jù)通信提出了各種各樣的低功耗算法，例如睡眠調(diào)度算法、分簇路由算法等。李哲等[7]的節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)休眠調(diào)度算法、ZhangJing等[8]的冗余性劃分構(gòu)造算法以及盧為黨等[9]提出的時(shí)隙切換睡眠調(diào)度算法都是將傳感器節(jié)點(diǎn)分為睡眠和工作兩種狀態(tài)。分簇算法對(duì)數(shù)據(jù)的路由進(jìn)行了優(yōu)化，韓廣輝等[10]提出的LEACH-E算法優(yōu)化了簇頭選取階段；魯?shù)绖偟萚11]提出的非均勻分簇路由算法優(yōu)化簇頭選取的同時(shí)解決了分簇不均的問(wèn)題。Alami等[12]提出的MS-ROUTING-GI算法，在分簇的基礎(chǔ)上加入了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以降低能耗。

通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇聚類算法的歸納，可以將聚類算法概述為分布式、集中式和混合式3類。分布式集群中不存在中央控制，但是所有的節(jié)點(diǎn)都參與到分簇過(guò)程中執(zhí)行分布式算法，并合作選擇簇頭和形成簇；集中式算法中，基站負(fù)責(zé)構(gòu)建集群和選擇相應(yīng)的信道，因此它有完整的網(wǎng)絡(luò)信息，包括節(jié)點(diǎn)的位置、電池電量等；混合式算法是前兩種方法的結(jié)合，一般在一些節(jié)點(diǎn)資源豐富的情況下使用，由基站指定形成簇頭，而簇頭之間以分布式的方式形成集群協(xié)作工作。總的來(lái)說(shuō)傳感器節(jié)點(diǎn)分簇使得傳感器網(wǎng)絡(luò)允許簇頭對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，丟棄不必要的數(shù)據(jù)以及保留了通信帶寬，避免了冗余消息的交換。但是不論哪種方式，分簇聚類算法都降低了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能耗。

3 展望

伴隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其逐漸變成了人們生活中不可或缺的一部分，被廣泛應(yīng)用于生活中的各種場(chǎng)景。雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不斷發(fā)展完善，但是在實(shí)際的使用過(guò)程中仍存在著各種各樣的問(wèn)題，其中能耗問(wèn)題最為嚴(yán)重。從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及其運(yùn)行過(guò)程來(lái)看,節(jié)點(diǎn)的能耗主要有兩個(gè)研究方向:①傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在選取低功耗模塊的同時(shí)要考慮其所需的處理能力；②低功耗優(yōu)化算法的研究，睡眠調(diào)度算法的成本較大且數(shù)據(jù)傳輸具有一定的時(shí)延，而分簇算法是目前應(yīng)用最廣泛且最有效的低功耗優(yōu)化算法。分簇過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的合適簇頭數(shù)量、最優(yōu)的簇頭位置以及簇的創(chuàng)建，避免了網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)能量消耗不均衡的現(xiàn)象，進(jìn)而達(dá)到了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

4 總結(jié)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境復(fù)雜且部署規(guī)模較大，節(jié)點(diǎn)能量有限且不易更換。因此,如何高效地利用節(jié)點(diǎn)能量,降低網(wǎng)絡(luò)能耗成為傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重中之重。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗優(yōu)化問(wèn)題,本文從低功耗硬件設(shè)計(jì)和低功耗優(yōu)化算法兩方面闡述了網(wǎng)絡(luò)的低功耗設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面，分析介紹了傳感器節(jié)點(diǎn)的組成模塊以及各模塊的能耗占比，發(fā)現(xiàn)大部分傳感器節(jié)點(diǎn)主要針對(duì)高能耗占比的處理器模塊和無(wú)線通信模塊來(lái)設(shè)計(jì)。低功耗算法方面圍繞著如何降低節(jié)點(diǎn)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命展開(kāi)，從節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)分簇兩方面提出了不同的解決方法?？偟膩?lái)說(shuō)，雖然目前關(guān)于節(jié)點(diǎn)能耗在硬件和軟件方面都有一定的研究成果，但是隨著技術(shù)和時(shí)代的發(fā)展，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗要求也越來(lái)越高，所以不論是低功耗硬件的設(shè)計(jì)還是低功耗算法的研究都需要更進(jìn)一步的完善。