基于電量檢測(cè)的WSNs智能休眠方法

李 秘， 花仕海， 李貴柯， 趙柏秦， 吳南健

(1.中國(guó)科學(xué)院 半導(dǎo)體研究所，北京 100083；2.無(wú)錫中科智聯(lián)科技研發(fā)中心有限公司，江蘇 無(wú)錫 214135)

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)[1,2]是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集的一種末端網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。

傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)主要是依靠能量十分有限的電池供電，有限的能量限制了傳感器節(jié)點(diǎn)的有效工作時(shí)間，進(jìn)而影響到整個(gè)WSNs的實(shí)際應(yīng)用。所以,解決傳感器節(jié)點(diǎn)的能源問(wèn)題并降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗成為WSNs的重要研究方向。目前，在解決WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)的耗能問(wèn)題方面研究較多，可主要分為硬件和軟件2種方式。硬件方式是采用外界能量供給的方式，主要是采用太陽(yáng)能供電，只要外界供給的能量大于負(fù)載的功耗需求，就可保證傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，但這種方式無(wú)疑會(huì)增加不少硬件成本。軟件方式主要是優(yōu)化通信機(jī)制和路由算法[3]，以避免網(wǎng)絡(luò)堵塞或擁擠造成的能量浪費(fèi)。然而單純的軟件或硬件解決辦法是有限的，而且,WSNs節(jié)點(diǎn)無(wú)法僅依靠某種優(yōu)化降耗的方法來(lái)達(dá)到節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期正常工作的要求。

因此，傳感器節(jié)點(diǎn)一方面必須采取外界能量供應(yīng)途徑，獲得源源不斷的外界能量；另一方面還要通過(guò)軟件的方式降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗。這樣既可以盡可能地降低成本，又能保證傳感器節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。本文提出的休眠方法將以上2種方式有效地結(jié)合在一起，針對(duì)WSNs節(jié)點(diǎn)的能量消耗問(wèn)題，采用太陽(yáng)能充電管理模塊和電量檢測(cè)機(jī)制，并結(jié)合有效的智能休眠方法，實(shí)現(xiàn)了WSNs低功耗運(yùn)行，保證傳感器節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

本文提出的這種智能休眠方法，主要應(yīng)用于基于TinyOS平臺(tái)的WSNs系統(tǒng)，此系統(tǒng)是一種基于WSNs的應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的WSNs，收發(fā)基站和用于數(shù)據(jù)顯示與監(jiān)控的上位機(jī)三部分組成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)和基站依托TI的CC2530—SoC芯片作為硬件平臺(tái)，以TinyOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，而上位機(jī)監(jiān)控軟件則使用無(wú)錫中科智聯(lián)公司開(kāi)發(fā)的CasiStudio。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)周期性采集各種環(huán)境信息(如溫度、濕度、光照等)和傳感器節(jié)點(diǎn)電池電量，以一跳或多跳的自組織方式，通過(guò)2.4GHz的無(wú)線通道上傳給基站，基站通過(guò)RS—232有線鏈路主動(dòng)上傳給PC。上位機(jī)監(jiān)控軟件CasiStudio實(shí)現(xiàn)對(duì)串口上傳的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解析和顯示。

圖1 WSNs應(yīng)用系統(tǒng)示意圖

傳感器節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)最重要組成部分之一，是智能休眠方法研究的主要對(duì)象。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)[4]示意圖如圖2。一般情況下，WSNs布網(wǎng)完成以后，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)休眠周期長(zhǎng)短已由燒寫的程序決定，并在工作期間保持不變[5]。這種情況會(huì)存在一個(gè)不可避免的問(wèn)題：一旦傳感器節(jié)點(diǎn)電池電量不斷降低時(shí)，休眠周期不變，功耗依然很大，此時(shí)還沒(méi)有外界能量(太陽(yáng)能)的供給(例如：晚上的時(shí)候)，必然會(huì)產(chǎn)生電池電量過(guò)低致使傳感器節(jié)點(diǎn)不能正常工作的結(jié)果。本文的設(shè)計(jì)思路是實(shí)時(shí)地檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)電池電量[6]，檢測(cè)到電量低到一個(gè)界限，延長(zhǎng)傳感節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間，如休眠周期加倍，功耗就會(huì)降低將近50 %，這樣傳感器節(jié)點(diǎn)就有更多的時(shí)間等待外界能量的供給；外界能量開(kāi)始供給，電池電量積累到一個(gè)界限時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的休眠周期，從而提高傳感器節(jié)點(diǎn)的供電穩(wěn)定性。

圖2 WSNs節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于TinyOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[7]，是專門針對(duì)WSNs中的低功耗低速網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的嵌入式操作系統(tǒng)。TinyOS是一種適用于網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)的編程框架，通過(guò)這個(gè)框架將用戶設(shè)計(jì)的一些組件和操作系統(tǒng)的必要組件連接起來(lái)，就能方便地編譯出面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)，這對(duì)硬件資源和能量資源極為有限的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。

軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能是電量檢測(cè)和基于電量檢測(cè)的休眠周期的修改。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能是電量檢測(cè)并傳遞給基站，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)并接收基站的休眠周期指令，按照休眠指令具體執(zhí)行休眠周期；基站實(shí)現(xiàn)的功能是接收電池電量數(shù)據(jù)，并對(duì)電量界限進(jìn)行判斷和發(fā)送給節(jié)點(diǎn)修改休眠周期的指令。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

1)電量檢測(cè)功能

TinyOS采用了組件的架構(gòu)方式，一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)組合不同的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。電量檢測(cè)部分用到的組件有App組件、Main組件、SensorCollection組件、RF收發(fā)組件、傳感器驅(qū)動(dòng)組件和Adc組件等，各個(gè)組件形成一層一層的調(diào)用關(guān)系。其中最底層的組件是傳感器驅(qū)動(dòng)組件和Adc組件，傳感器驅(qū)動(dòng)組件是正確讀取傳感器數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)采用數(shù)字溫度濕度傳感器，以I2C協(xié)議通信，所以,需按照I2C協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)編寫驅(qū)動(dòng)程序；電池電量是模擬量，所以，需要使用Adc組件設(shè)置采集的參考電壓、分辨率、AD端口(即CC2530的AD輸入口)。

傳感器節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖3，具體電量采集過(guò)程如下：首先系統(tǒng)初始化各個(gè)組件，調(diào)用并使能傳感器驅(qū)動(dòng)組件和Adc組件，周期地采集環(huán)境信息，溫度、濕度和電池電量，分別作為3組傳感器的數(shù)據(jù)，單一傳感器數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為2 byte，經(jīng)過(guò)RF組件送到2.4 GHz的發(fā)射天線，以電磁波的方式發(fā)給基站，整個(gè)過(guò)程完成了數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

圖3 WSNs節(jié)點(diǎn)的流程圖

2)基于電量檢測(cè)的休眠周期的修改

節(jié)點(diǎn)執(zhí)行休眠周期修改的流程，具體過(guò)程如下：節(jié)點(diǎn)通過(guò)RF收發(fā)組件，監(jiān)聽(tīng)并接收基站發(fā)送的廣播信息。此時(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)遇到2種情況:第一種情況是節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到廣播信息，則保持此時(shí)的休眠周期不變地運(yùn)行。第二種情況是節(jié)點(diǎn)收到廣播信息，廣播的指令是加倍休眠周期，則休眠組件就會(huì)將休眠周期信息告訴給系統(tǒng)中的各個(gè)組件，以加倍的休眠周期運(yùn)行；廣播的指令是恢復(fù)原來(lái)的休眠周期，則休眠組件同樣會(huì)通知系統(tǒng)中的各個(gè)組件，恢復(fù)原來(lái)的休眠周期。

2.2 基站的軟件設(shè)計(jì)

基站的軟件流程圖如圖4，軟件程序中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分別設(shè)有自己的節(jié)點(diǎn)號(hào)和對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位，使用節(jié)點(diǎn)號(hào)目的是區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位可以表示該節(jié)點(diǎn)的休眠周期是否已被修改。工作流程如下：基站接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，首先通過(guò)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)的休眠周期是否被修改過(guò)，沒(méi)有修改過(guò)(即對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)志位等于0)，則尋找傳感器數(shù)據(jù)包中表示電量的數(shù)據(jù)，判斷電量的大小，一旦電量小于50 %，則對(duì)該單一節(jié)點(diǎn)以廣播的形式發(fā)送加倍休眠周期的指令，同時(shí)將該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志位置1，否則,直接進(jìn)入下一周期的循環(huán)；如果休眠周期已被修改過(guò)(即對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)志位等于1)，同樣判斷電量的大小，電池積累的電量大于50%時(shí)，就以廣播的形式對(duì)該節(jié)點(diǎn)發(fā)送恢復(fù)原來(lái)休眠周期的指令，否則,進(jìn)入下一周期的循環(huán)。基站總是循環(huán)反復(fù)的執(zhí)行著上面的過(guò)程。

圖4 基站的軟件流程圖

傳感節(jié)點(diǎn)和基站有效的“配合”，可實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)“以需求為導(dǎo)向”地調(diào)整休眠周期，達(dá)到智能休眠的效果。

3 測(cè)試過(guò)程與結(jié)果分析

1)測(cè)試設(shè)備：2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，1個(gè)基站和接收數(shù)據(jù)的上位機(jī)。

2)測(cè)試條件：2014年1月7日，江蘇無(wú)錫，陰雨天。

3)測(cè)試過(guò)程：本實(shí)驗(yàn)將基站的節(jié)點(diǎn)號(hào)定義為1#，2個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)分別定義為2#和3#。2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)初始(默認(rèn))休眠周期為1 h，電池電量的界限設(shè)在50 %，加倍的休眠周期為2 h。

4)測(cè)試內(nèi)容：觀察傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠周期是否會(huì)隨著電池電量的改變而有規(guī)律的調(diào)整：當(dāng)電池電量低于50 %，休眠周期是否會(huì)加倍；當(dāng)電池電量高于50 %,是否會(huì)恢復(fù)原來(lái)的休眠周期。還需驗(yàn)證是否只針對(duì)電量低于50 %的節(jié)點(diǎn)修改休眠周期和節(jié)點(diǎn)之間的休眠周期是否會(huì)產(chǎn)生相互影響。

5)測(cè)試結(jié)果：基于CasiStudio上位機(jī)接收的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得2#節(jié)點(diǎn)和3#節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(包括溫度、濕度和電池電量)變化曲線，如圖5所示。具體分析如下：2個(gè)節(jié)點(diǎn)在04∶48∶16之前的4組數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔是1 h，即休眠周期都是1 h，此時(shí)是夜晚，無(wú)太陽(yáng)能供電，2個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池電量逐漸降低。04∶48∶16時(shí)，3#節(jié)點(diǎn)的電量下降到47 %，低于50 %，從圖5(b)可知,3#節(jié)點(diǎn)的休眠周期自動(dòng)置為2 h，期間2#節(jié)點(diǎn)的電量一直在50 %之上，所以,休眠周期修仍為1 h；白天，太陽(yáng)能供電給節(jié)點(diǎn)，12∶42∶04時(shí)，3#節(jié)點(diǎn)的電量積累到53 %，高于50 %，3#節(jié)點(diǎn)恢復(fù)原來(lái)的休眠周期1 h。測(cè)試結(jié)果顯示：傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠周期會(huì)隨著其電池電量的改變而有規(guī)律的變化，傳感器節(jié)點(diǎn)基于電量檢測(cè)的自動(dòng)調(diào)整休眠周期的功能也基本實(shí)現(xiàn)。

圖5 2#和3#節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化曲線

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于傳感器節(jié)點(diǎn)電量檢測(cè)的WSNs智能休眠方法，成功地應(yīng)用在CC2530的硬件平臺(tái)和TinyOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)基于電池電量自動(dòng)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)休眠周期的功能，達(dá)到了“智能”地降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此休眠方法可廣泛的應(yīng)用于基于TinyOS平臺(tái)的WSNs，達(dá)到系統(tǒng)功耗與外界能量(太陽(yáng)能和鋰電池)供給的較好匹配，基本實(shí)現(xiàn)智能化管理WSNs傳感器節(jié)點(diǎn)電池電量的目的。

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