基于小波的ＤＶＳ在無線傳感器網絡中的應用

摘要：為了最大限度節約能源的使用，使無線傳感器網絡使用壽命延長，針對無線傳感器網絡的節點在運行狀態提出了基于小波的動態電壓調度（DVS）算法。該方法首先通過使用小波、Kalman和AR三種算法相結合對下一任務量進行預測，并根據預測結果判斷處理器（使用SA1100處理器）進入何種操作頻率等級（處理器的工作電壓與操作頻率一一對應），使較小任務量進入較小操作頻率等級的狀態，從而減少了節點在周期內的能量消耗。仿真實驗結果表明，該方法是有效的。

關鍵詞：無線傳感器網絡；動態電壓調度；小波；卡爾曼；自回歸;SA1100處理器

中圖分類號：TP212．5文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)08－0262－02

無線傳感器網絡是計算機、通信和傳感器這三項技術相結合的產物，目前成為計算機科學領域中一個活躍的研究分支。無線傳感器網絡通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠程環境中，能源無法更換。通過有效設計來延長網絡的生命周期成為國內外研究的關鍵之一[1]。

針對延長無線傳感器網絡的生命周期及傳感器網絡的節能，主要采用動態功率管理方法進行研究[2，3]。A. Sinha等人[2]提到過可以使用動態電壓調度來解決無線傳感器網絡的節能，但是他沒有深入研究這個工作。T. Simunic等人[4]把動態電壓調度應用在小型系統（如手提電腦）上，但在傳感器上還沒有人真正研究過。在文獻[2，4]的基礎上，本文采用基于小波的動態電壓調度算法，對無線傳感器網絡節點進行節能。

1系統模型及原理

傳統的無線傳感器網絡節點DVS算法的原理模型如圖1所示[2]。節點上的嵌入式操作系統負責調度來自不同任務隊列的請求接受服務，并實時監測處理器的利用率和任務隊列的長度；依據這兩個參數的序列值計算負載的標稱值W；負載觀測器根據當前計算出的工作量W以及在以前所計算出的工作量來設定處理器的處理速度r，進而根據這個處理速度設定處理器的操作頻率，DC/DC變換器根據處理速度來設定工作電壓。

2系統處理器模型

在無線傳感器網絡中，不同的應用程序，傳感器的節點也不盡相同，但它們的基本結構是一樣的。主要包括數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電池四大部分[5]，如圖2所示。在圖2中，傳感器節點中的CPU一般使用的是StrongARM1100處理器。這個處理器把頻率分成了十個不同的等級，每個頻率等級都對應一個最小供給電壓來給CPU提供電壓，并使處理器消耗的能量最少。表1是StrongARM1100處理器的十個等級頻率和對應的電壓[4]。

5結束語

本文通過建立無線傳感器網絡節點的模型，使用小波、Kalman、AR預測算法對任務量進行預測；然后根據預測后的

任務量設定處理器的操作頻率，并結合SA1100處理器的性質，使用動態電壓調度算法，對無線傳感器節點進行節能，取得了較好的效果。

實驗結果表明，這種方法可以在任務量較小的情況下，使用較小的操作頻率，使消耗的能量也較低，從而極大地減少能量的使用，延長無線傳感器設備的使用壽命。

參考文獻：

［1］GHARAVI H， KUMAR S P.Special issues on sensor networks and applications[J].Proceeding of the IEEE，2003，91(8):11511153.

［2］SINHA A，CHANDRAKASAN A.Dynamic power management in wireless sensor networks[J].IEEE Design Test of Computers，2001，18（2）:62－74.

［3］田豐民，陳向東，張傳武.無線傳感器網絡動態功率管理方法[J].傳感器技術，2005，24(11):33－35.

［4］SIMUNIC T，BENINI l，ACQUAVIVA A，et al.Dynamic voltage scaling and power management for portable systems[C]//IEEE Design Automation Conference.[S.l.]:IEEE，2001:524－529.

［5］溫小東，李雄偉.無線傳感器網絡技術初探[J].無線電通信技術，2005，31(5):61－64.

［6］蒯宇靜，李仁發，魏葉華.操作系統級低功耗動態電壓縮放算法分析[J].微電子學與計算機，2005，22(7):178183.

［7］張志涌. 精通MATLAB 6.5版[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社， 2003.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”