無線感測器網路節點節能管理方式的研究論文
無線感測器網路節點節能管理方式的研究論文
摘 要：無線感測器網路節點數量眾多、自身攜帶的能量十分有限。為了延長網路的生命週期，需採用有效的策略降低能耗。在研究無線感測器網路節點組成結構、能量消耗以及節點間傳播方式的基礎上，提出一種為有效地達到節能目的所採用的節點管理方式。該方案採用動態選擇簇頭節點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協議、快速的資料融合技術，並在實現硬體的低功耗設計的條件下進行動態功耗管理。
關鍵詞：無線感測器網路;節點節能管理;節點間傳播方式;能耗
0 引 言
無線感測器網路由許多廉價的節點組成。這些網路節點具有資料採集、資料處理、資料傳輸的功能，而完成這些功能所需的能力由節點自帶的微機電系統提供。
無線感測器常工作在一些惡劣或危險的環境中，替換能源比較困難，即使節點的能源能替換，所花費的代價也比較大。所以，一般對無線感測器網路中節點的能源都不進行替換，而是採用有效的策略降低能耗，儘量延長網路的生命週期。採用適當的無線感測器網路節點管理方式會對網路效能有很大提高，有效地降低能耗，延長整個網路的壽命。
本文透過對無線感測器網路節點組成結構、能量消耗以及節點間傳播方式的研究，尋求一種為有效地達到節能目的所採用的節點管理方式。
1 無線感測器節點的組成結構
感測器通常是指能感受被測非電量並能按一定規律將其轉換成便於處理與傳輸的電量的器件或裝置。它一般由敏感元件、轉換元件、測量電路、電源電路組成。無線感測器節點除具有一般感測器的功能外，還包含有無線資料傳輸模組及資料管理模組，通常還將敏感元件、轉換元件、測量電路組成一個模組———資料採集模組。
無線感測器節點主要有兩類：匯聚節點和採集節點。它們在硬體配置上基本相同，但功能上有所區別。
採集節點負責採集資料並進行傳輸，匯聚節點則負責收集所有采集節點所採集的資料。無線感測器節點的組成框圖如圖1所示。
圖1 無線感測器節點的組成框圖資料採集模組與一般感測器一樣，可採集溫度、光強度、壓力、位移、流量、液位、加速度等非電量資訊，並將其轉換成適於傳輸和測量的訊號，再透過A/D轉換，轉換為數字訊號。
資料處理模組對採集所得資料進行處理，通常由於微處理器、記憶體等組成。同時，負責對節點進行控制管理，這其中包括資料處理操作、根據路由協議進行資料轉發控制、功耗管理、任務處理等。
資料傳輸模組負責與其他節點進行通訊，傳輸節點所採集的資料資訊，交換網路控制資訊。
電源電路模組為資料處理模組、資料傳輸模組及提供資料採集模組提供所需的能量，一般由電源、電壓轉換電路組成。目前，電源的提供通常使用固定電池或太陽能電池。
2 無線感測器節點主要的能量消耗及減耗分析無線感測器節點的能量消耗主要來自於資料採集模組的感測器調理電路[1]、資料處理模組的微控制器和記憶體、資料傳輸模組的射頻電路。
感測器調理電路所使用的能量較小，減少能量消耗的空間不大。
微處理器的功耗可分為兩個部分：動態功耗和靜態功耗[2]，其中降低動態功耗為減少能量消耗最主要的方面。根據文獻[3]，微處理器的動態功率與供電電壓、物理電容、時鐘頻率等有密切的關係，它們之間的關係式為：PD∝αCV2 f(1)式中：PD為動態功率;V為供電電壓;C為物理電容;f為時鐘頻率;α為活動因子。
因此，降低動態功耗可透過降低時鐘頻率和減少供電電壓來實現。文獻[3]中表明瞭減少供電電壓同時降低時鐘頻率，可降低動態功耗，處理器的工作狀態從200MHz和1.5V轉換到150MHz和1.2V，可以節省52%的功耗。
動態功耗的管理除了可透過降低各模組的本身動態功率來降低功耗，還可採用動態電壓調節技術(Dynamic Voltage supply，DVS)[3]。DVS技術可動態地改變微處理器的工作電壓和頻率時期隨節點的工作負荷而變化，從而減少較空閒期不必要的功率輸出。
射頻電路的能量消耗是節點組成部分中最大的。
根據無線感測器節點的要求，射頻電路一般採用低功耗、低價格、尺寸小的成熟器件。選用這類射頻電路因考慮到能耗，輸出功率應低並具有節能模式。例如，挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器nRF905，其功耗很低，以-10dBm的輸出功率發射時電流只有11mA，工作在接收模式時的電流為12.5mA，並具有空閒模式和關閉模式，便於實現節能。
可透過微處理器動態地控制射頻模組的工作模式，使其隨工作負荷情況的變化在工作模式、空閒模式間轉換，以減少功耗。
3 無線感測器節點間傳播方式的節能管理減少無線感測器節點的能耗除可透過動態功耗管理來實現外，還可透過節點間傳播方式的節能管理減少節點工作負荷來實現。
無線感測器網路是由許多采集節點、若干匯聚節點及中轉器、控制中心(上位機)組成。其中，採集節點負責資料採集、資料處理並和其他節點進行通訊;匯聚節點負責其他節點所上傳資料的收集，並下發有中轉器傳來的命令;中轉器負責上傳匯聚節點收集來的資料，並將控制中心的命令轉發給匯聚節點;控制中心負責整個網路的廣利控制，並將處理後的資料轉達給使用者。
無線感測器網路的節點分佈方式具有以下幾個特點：(1)無線感測器網路中節點位置是隨機分佈的，需其網路協議具有自組織性。在實際工作環境中，感測器節點通常不能精確定位，節點間的關係無法預先得知，這就需要感測器節點具有自組織能力，能夠自行建立和組織網路。
(2)無線感測器網路節點數量眾多，分佈範圍廣。
無線感測器網路為了保證獲取精確資訊，在其監測區域內需部署大量的感測器節點。
(3)節點間通訊距離不長。無線感測器網路節點間點到點通訊距離通常只有幾十到幾百米。
從以上網路組成和節點分佈方式來看，要減少節點的工作負荷，需減少節點間的通訊時間及通訊距離。不同的傳播方式對無線感測器節點間通訊時間及通訊距離有著重要的影響。在節點間的傳播方式中，良好的網路協議和資源管理策略能有效地降低節點工作負荷，延長無線感測器網路的生命週期。為此，無線感測器網路的傳播方式應以資料為中心，採用自組織、多跳路由，其網路結構採用動態拓撲[4]。此外，還可採用快速的資料融合技術，進行快速的資訊融合和分離，將提高網路執行效率和隨機選擇最佳路徑的能力。
無線感測器網路協議由於感測節點的計算能力、儲存能力、自身攜帶的能量十分有限而且拓撲結構不斷變化而有其特殊性。無線感測器網路協議因其特殊性，其中的路由協議和MAC協議是與傳統的無線網路協議有很大的不同。無線感測網路的MAC協議決定無線通道的使用方式。MAC層協議在設計時需要考慮能源有效性，從而根據無線感測器網路的特點設計簡單高效的協議。無線感測網路的路由協議可分為能量感知路由、基於查詢的路由、地理位置路由、可靠路由協議幾類[5-7]。根據無線感測器網路的特點和應用需求，宜採用自組織、多跳路由的路由協議。
傳統的網路體系結構中節點只具有傳輸功能，以傳輸為目的，為各應用程式提供網路傳輸上的支援，不對資料進行處理。而無線感測器網路以資料為中心，其目的是獲取被感知物件的長期、準確的特徵資訊。採用快速的資料融合技術可實現無線感測器網路節點感測資料的快速、合理分組[8-9]，減少資料冗餘度，獲得到更合理的資料，從而提高網路執行效率。
無線感測器網路節點數量眾多且分佈密集，網路結構應採用動態拓撲結構。在滿足網路覆蓋度和連通度的前提下，採用動態拓撲結構，透過功率控制和骨幹網節點選擇，去除節點間不必要的通訊鏈路，從而形成最佳化的.通訊網路結構。因此，良好的無線感測器網路拓撲結構應採用節點功率控制和層次型拓撲組織結構[10]。
節點功率控制根據節點通訊距離及時間變化調節網路中各個節點的發射功率，從而減少各節點不必要的發射功率。層次型拓撲控制利用分簇機制，來減少單跳通訊距離，由此降低能耗。
4 無線感測器節點節能管理方案從以上節點各部分能量消耗和節點間傳播方式的特點來看，為有效地達到節能目的，無線感測器節點的節能管理可透過動態功耗管理和減少節點工作負荷的方法來降低無線感測器節點的能耗。
無線感測器節點管理方式的節能措施可從以下幾點來考慮：透過動態功耗管理和降低節點工作負荷來減少射頻模組的工作時間，即減少節點之間的通訊量;減少射頻模組發射功率;減少微處理器的工作時間。要實現這幾點，不僅要從硬體設計來解決還要從軟體管理層來考慮。
無線感測器節點的管理軟體包括感測器網資料採集控制、無線資料傳輸控制、電池狀態監測、充電控制程式等部分。減少微處理器的功耗可透過微處理器的動態功耗管理來實現，而能耗最大的射頻電路的收發則由無線資料傳輸部分軟體來控制。
無線資料傳輸部分軟體包括射頻和基帶兩部分，射頻部分提供資料通訊的空中介面，基帶部分提供鏈路的物理通道和資料分組。微處理器負責鏈路管理與控制，執行基帶通訊協議和相關的處理過程，包括建立連結、頻率選擇、鏈路型別支援、媒體接入控制、功率模式和安全演算法等[11]。因此，在基帶部分採用自組織、多跳路由、層次式、動態拓撲組織結構的網路協議，以減少通訊量並均衡各節點能量，降低節點能耗，從而延長節點壽命。
為避免資訊重疊而造成重複通訊、浪費資源，自組織、多跳路由的協議採用層次式設計，使得節點間的通訊時間及通訊距離縮短。由於層次式設計中作為簇頭節點能量消耗最大，有可能提前消耗完而使部分網路癱瘓，所以，為均衡各節點能量，路由協議要採用動態地隨機選擇簇頭節點及路徑的辦法。當某一簇頭節點的能量消耗過大時，感測器網路能根據簇頭節點的能量消耗狀況，動態地選擇能量消耗少的節點，平衡節點的能量消耗，延長整個網路的生命週期。
網路拓撲結構能夠提高網路協議的效率，有利於節省能量來延長網路壽命。採用動態拓撲結構在滿足網路覆蓋度和連通度的前提下，透過功率控制和骨幹網節點選擇，去除節點之間不必要的通訊鏈路，進行高效的資料轉發。
同時，在基帶部分功率模式管理中，採用動態管理的方式對功率模式進行控制，減少不必要的功率輸出。
與傳統的功率控制不同，動態管理的方式使用啟發式的節點喚醒和休眠機制，使節點狀態在睡眠狀態和活動狀態之間轉換。這種方式能儘量節省空閒時間的能量消耗，在效能和能耗之間取得平衡。
資料採集控制部分軟體除控制感測器進行資料採集外，基於節能考慮，可增加資料處理部分。資料處理部分採用快速的資料融合技術在感測器節點對資訊進行快速的融合和分離。由於無線感測器網路節點不必將資料以端到端的形式傳送給匯聚節點，只要有效資料最終彙集到匯聚節點就達到目的了。所以，為了減少流量和能耗，傳輸過程中的轉發節點經常將不同的入口報文融合成數目更少的出口報文轉發給下一跳。經過這樣的處理，整個網路內的資料冗餘度降低、通訊量減少，節省了儲存資源和網路頻寬。
5 結 論
透過對無線感測器節點的組成、各部分能量消耗和節點間傳播方式的分析，提出一種無線感測器節點節能管理方案，該方案在動態選擇簇頭節點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協議下，採用快速的資料融合技術，並在實現硬體的低功耗設計的條件下進行動態功耗管理。