無線傳感器網絡的節能研究

摘要：無線傳感器網絡是由大量能量有限的傳感器節點組成的一種多跳自組織網絡。隨著它的應用前景的發展，如何合理高效地使用能源，最大限度的延長網絡的生命周期，已經成為人們研究的熱點。本文從硬件與軟件兩個方面介紹了無線傳感器網絡的節能策略及其發展與特點。

關鍵詞：無線傳感器網絡；節能策略；硬件結構；軟件節能

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)15-21044-02

Research on Energy-conserving Strategy for Wireless Sensor Network

ZHAO Qiao-mei1，2

(1.Computer Department，Hunan Institute of Humanities，Science and Technology，Loudi 417000，China;2.Hunan University，Changsha 410082，China)

Abstract:Wireless sensor networks are usually consisted of a large number of sensor nodes with limited energy by a multiple self-organization net.With the development of its application in the field，currently，it is a point how to enhance the life of net using energy in efficient.The chapter introduces the useful development and characterization of economized energy technology.

Key words:Wireless Sensor Network;Energy saving strategy;hardware structure;energy saving by software way

1 引言

無線傳感器網絡是由大量的具有數據采集功能的傳感器節點通過在一定監測區域內隨機部署而形成的一種多跳自組織網絡。近幾年來，隨著無線通信技術、微電子技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟，無線傳感器網絡的應用前景越來越廣闊，如：軍事領域、城市交通管理、環境監測和預報、空間探索、智能家居等，但是傳感器節點通常是通過自身攜帶能量非常有限的電池供電，而它們工作的環境通常是非常復雜甚至于人類是不可及的，通過更換電池的方式補給能量幾乎是不可能的，因此，如何合理高效的使用有限的能量，最大限度的延長網絡的生命周期，成為了人們研究的熱點。

2 硬件結構

在硬件設計方面，人們一方面要求傳感器節點的價格低廉，另一方面希望它的工作時間要盡可能的長，還必須能同時擔任終端節點和路由器節點的雙重功能。

傳感器節點體系結構：傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成[1]，如圖1所示。

隨著集成電路工藝的進步，傳感器節點的絕大部分能量消耗在計算和通信上。因此節約能量應該從無線通信模塊和處理器模塊著手。

2.1 無線通信模塊

無線通信模塊具有四種狀態：發送、接收、空閑以及睡眠，它們的能量消耗是不一樣的，如圖2所示。

由圖2可知，無線通信模塊的能量消耗主要集中于數據的收發以及空閑狀態下對信道的偵聽，因此無線通信模塊的節能主要可以通過以下幾個方面來完成。

①減少通信過程中的數據流量。通過本地計算及數據融合技術，可以有效的去除冗余信息，從而直接減少了通信模塊發送和接收的比特數，降低它的能耗。另外減少控制信息的比特數，減少數據包的重發率等，也可以達到減少通信流量，降低能耗的目的。

②增加睡眠狀態的時間比例。由于接收、發送和空閑狀態的能耗都遠遠大于睡眠是的能耗，所以盡可能的使節點處于睡眠狀態，對于節約能量將起到至關重要的作用。傳感器模塊也可以由主動式的感應轉為被動式的響應。

③使用多跳、短距離的無線通信方式。無線通信的能量消耗與通信距離的關系為：E=kdn(2

在傳感器網絡中，由于發送端和接收端都貼近于地面，障礙物較多，受到的干擾比較大，而且接收天線的性能不好，通信能耗通常與距離的四次方成正比。隨著通信距離的增加，能耗急劇增加。因此，應盡量減少單跳通信距離。一般而言，傳感器節點的無線通信半徑在100米以內為宜。

④選擇合適的調制機制。在傳感器網絡中，由于傳感器節點的制作成本很低，一般最高選用4進制QAM調制[2]。

2.2 處理器模塊

雖然相對于通信模塊的能量消耗而言，處理器模塊的能耗要少得多，但是當節點的數目很多時，它也是不容忽視的。隨著低功耗電路和系統設計技術的提高，目前已經開發出很多超低功耗的微處理器，如：ATMEL公司的AVR系列單片機等。傳感器節點的操作系統設計了動態能量管理DPM[3]和動態電壓調節DVS[3]以更加有效地利用節點的各種資源，從而達到降低處理器的能耗，延長網絡生命周期的目的。

動態能量管理DPM的工作原理是:當節點周圍沒有感興趣的事件發生時，部分模塊將處于空閑狀態，把這些組件關掉或者調到更低能耗的睡眠狀態（即休眠狀態），這種事件驅動能量管理對于提高傳感器節點的生存期非常重要。

動態電壓調節DVS的工作原理是:當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率從而使處理能力被降低，以達到節約微處理器的能耗的目的。很多處理器如StrongARM和Crusoe都支持電壓頻率調節。

3 軟件方面的節能策略

從軟件方面考慮無線傳感器網絡的節能問題，主要是針對無線傳感器網絡節點數目眾多、數據相關的冗余性及分布式操作的特點設計一些更為有效的節能路由協議、管理軟件及關鍵技術的處理。

3.1 路由協議的節能機制

路由協議負責將數據從源節點通過網絡采用多跳、短距離的方式發關到目標節點。由于數據在傳輸的過程中要經過多個節點才能到達目的節點，如何選擇下一跳的中繼節點才能達到延長網絡生命周期的目的成為人們研究的重點。一般將網絡生命期定義為直到死亡節點的百分比低于某個閾值時的持續時間[4]，所以在設計路由協議的時候要能夠兼顧節點之間的傳輸距離及它們的剩余能量值這兩個因素，找到一個較好的平衡點。

按照網絡結構和工作方式來劃分，目前所提出的傳感器網絡路由協議主要分為兩大類: 平面路由協議（Flat routing）和層次路由協議（Hierarchical routing）。平面路由協議一般不要求維護網絡的拓撲結構和進行路由計算，接收到消息的節點以廣播的形式轉發分組，典型的平面路由有SAR(Sequential Assignment Routing)，SPIN(Sensor Protocol for Information Negotiation)和定向傳播路由DD(Directed Diffusion)等。層次路由協議主要是通過劃分簇來實現，將傳感器節點劃分到一個個的簇，監測到數據首先傳到簇頭，簇頭主要負責自己簇內的路由和對采樣的數據進行數據融合，然后再轉發到sink節點。典型的層次路由協議包括LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)，TEEN(Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol)和PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)等。采用基于分簇的路由算法相對平面路由算法具有更好的適應性和節能性[5]。

在網絡的拓撲控制方面主要考慮的是功率控制與睡眠調度機制。功率控制就是要在保證網絡連通的前提下，節點按照一定的規則自動的增大或減小它的發射功率，達到使網絡的發射功率(各節點的發射功率的總和)最小的目的，以延長網絡的生命周期。典型的代表路由有COMPOW、LMA、LMN、DRNG、DLMST等。由圖2可知只有當節點處于睡眠狀態的時候它的能量消耗才是最小的，因此只有使節點進入睡眠狀態，才能大幅度地降低網絡的能量消耗。典型的代表路由有ASCENT、PECAS、SPAN等。

3.2 管理軟件—操作系統

由于傳感器網絡的特殊性，需要操作系統能夠合理高效地使用傳感器節點的有限的能量。傳感器節點一方面存在較大的并發性，同一時段可能存在多個邏輯控制需要執行，另一方面它的模塊化程度很高，要求操作系統在不影響整體開銷的情況下，能夠讓應用程序中的各個部分比較方便地進行重新組合。操作系統的核心是任務調度器，并在任務調度中利用動態電源管理和動態電壓調整技術考慮節能問題，使系統生存時間得到明顯的延長。加州大學伯克利分校的研究人員通過比較、分析與實踐，設計了符合無線傳感器網絡特點的TinyOS操作系。

3.3 其它節能技術

其它的節能技術我們可以歸納為數據融合技術[6]、能量收集技術、減小通信干擾及提高MAC(media access control)協議的效率等。

由于在無線傳感器網絡中節點的覆蓋密度大，所以鄰近節點所采集的數據具有較大的相關性和冗余性。數據融合技術使得在節點收集數據的過程中，利用節點本地計算和存儲能力處理數據，去掉冗余的信息，盡量減少傳輸量，達到節能的目的。

能量收集技術主要是指把從監測環境中收集的能量轉換后進行儲存，隨后分配到無線傳感器網絡中的各個模塊，保證傳感器的電源需求，實現長期有效的供電。

減小通信干擾能夠有效的阻止數據包的沖突及錯誤的發生，實質上也就實現了減小通信流量的目的，從而達到節能的目標。

MAC協議負責無線信道的使用控制，減少鄰居節點廣播引起的沖突。在傳感器網絡中，MAC協議更關心能量高效而不是服務質量。因此設計更適用的MAC協議，有助于合理高效的使用能量，從而達到延長網絡生命周期的目的。

4 結束語

隨著無線傳感器網絡的商用價值進一步增加，無線傳感器網絡的節能問題已經引起了人們的高度關注，而且在某些方面也取得了一些成就，但這是遠遠不夠的，讓傳感器節點成為擁有無限能量的節點，才是我們最理想化的追求。隨著各方面技術的進一步發展和成熟，能源問題一定不會再成為人們關注的焦點，無線傳感器網絡的應用前景也將更加廣闊。

參考文獻：

[1] 孫利民，李建中，陳渝，朱紅松.無線傳感器網絡.清華大學出版社，2005，5:1.

[2] 耿軍濤，周小佳.無線傳感器網絡中的能量優化技術研究[碩士論文].成都：電子科技大學，2007.

[3] SINBA，A.CHANDRAKASAN.energy-aware Software[J].Proc.Thirteenth International Conference on VLSI Design，Jan.2000:50-55.

[4] Deng J，Han YS，Heinzelman WB，Varshney PK.Scheduling sleeping nodes in high density cluster-based sensor networks.ACM/Kluwer Mobile Networks and Applications(MONET)，2005，10(6):825-835.

[5] 梁英，曾鵬，于海斌.無線傳感器網絡中一種能量自適應的簇首選擇機制.信息與控制，2006，2(35):141-146.

[6] 王娟，王汝傳，孫力娟.數據融合在傳感器網絡協議中的節能性分析.計算機技術與發展，2006，11(6):4-6.