低功耗無線傳感器網絡節點的實現與壽命評估

王丙元，劉錫盟，呂忠義

（1.中國民航大學航空自動化學院，天津　300300；2.大連市政設計研究院有限責任公司，大連　116001）

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低功耗無線傳感器網絡節點的實現與壽命評估

王丙元1，劉錫盟1，呂忠義2

（1.中國民航大學航空自動化學院，天津300300；2.大連市政設計研究院有限責任公司，大連116001）

摘要：機場助航單燈監測無線傳感器網絡節點存在能量約束問題。為降低節點能耗、延長網絡壽命，從硬件能耗、軟件控制、路由算法3個方面討論了節點的節能設計。壽命評估可為傳感器網絡的可靠性設計及節點維護提供依據。通過差分采樣能耗測試方法測試了節點能耗，為系統整體壽命評估提供了初步依據。

關鍵詞：無線傳感器網絡；助航燈光；低功耗；能耗

為保障飛機的安全飛行，要求每天對助航燈光定時巡檢［1］。無線傳感器網絡由于其部署靈活、安裝方便、功耗低等優點，在國內外機場運營的諸多方面已有研究和應用［2-3］。針對機場助航燈具數量眾多、人工巡檢不便的情況，已有研究采用自動化巡檢的單燈狀態監測系統來代替傳統的人工巡檢方法［4］。將無線傳感器網絡技術應用到助航燈光自動監控應用中，不僅可以將維修人員從繁重的人工巡檢工作中解脫出來，還能及時發現故障，適時進行視情維修，以提高機場安全保障能力［5］。

《國際民用航空公約》附件14中規定：附加監測設備在發生故障時不能影響原燈光系統的工作狀態［6］。為保障燈光系統可靠性，無線傳感器網絡的監控節點采用電池供電，與助航燈光的供電回路隔離。同時，機場進近區助航燈光數量較大且分布范圍較廣，使得監控節點不便于維護。因此，助航燈光監控節點存在著能量約束問題。本文通過分析無線傳感器網絡技術的能耗特點，提出了無線傳感器網絡的節能措施，并以此為指導設計了低功耗的助航燈光監控節點。通過差分采樣的能耗測試方法測試了節點能耗，為系統的整體壽命評估提供了初步依據。

1　助航燈光監控節點能耗分析

1.1節點結構分析

助航燈光監控節點根據助航燈光的位置分布在監控區域內。監測節點是整個網絡的基礎，主要由處理器、無線通信、傳感器和電源4個模塊構成，基本結構如圖1所示。

助航燈光監控節點模塊各部分協調工作，實現傳感網絡節點基本功能。處理器模塊是核心，負責完成系統的任務調度、數據處理、實現通信協議；通信模塊接收上位機發送過來的指令，同時發送采集到的燈光狀態信息；數據采集部分收集助航燈光工作狀態數據并判斷相應助航燈光工作狀態；電源模塊為系統提供穩定的電壓，保障節點正常工作。

圖1　單燈監控節點模塊框圖Fig.1　Module diagrarn of single-lamp monitoring node

1.2節點能耗分析

由圖1可知節點的能耗來自3個硬件模塊。其中，處理器模塊的能耗主要來自CPU與存儲器。傳感器模塊能耗由單次采樣能量消耗和采樣頻率決定。由于電子集成工藝的快速發展，高度集成的處理器和傳感器的能耗已變得相當低。通訊模塊的能耗與其調制方式、發射功率和操作周期等因素密切相關。通信模塊存在發送、接收、空閑和睡眠4種狀態，發送狀態的消耗遠大于空閑狀態和接收狀態的消耗，而在休眠狀態下的能量消耗是最小的。

無線傳感器網絡借助路由算法引導各個節點通過協作完成傳感器數據的傳輸。就整個網絡而言，路由算法決定節點的收發活動，其算法優劣影響節點能耗的大小。就單個節點來講，節點軟件需要在實現數據路由功能的前提下對上述硬件資源的使用進行有效調度。

綜上所述，通過合理的節點軟硬件設計及高效的無線傳感器網絡通信路由協議，可有效降低助航燈光系統監控節點的能耗。

2　低功耗設計

2.1硬件低功耗設計

1）選用超低功耗、高集成度、片內資源豐富的處理器芯片，充分利用處理器自身資源代替其他硬件電路來降低儀器功耗、簡化系統電路結構。

2）對系統進行動態電源管理，以系統正常穩定工作為前提，通過降低系統工作電壓、工作時鐘頻率或選擇進入休眠模式以降低系統能耗。

在助航燈光監控系統節點設計中，監控節點選擇超低功耗MSP430G2553為處理器，該型號單片機可在1.8～3.3 V電壓下穩定工作。該處理器有6種工作模式可供選擇，在低功耗模式3下工作電流僅為0.2 uA，使用內部集成的低功耗A/D轉換模塊作為數據采集單元。選定低功耗CC1101作為無線收發模塊，其系統電路如圖2所示。

圖2　單燈監控節點電路圖Fig.2　Circuit of single-lamp monitoring node

2.2軟件低功耗設計

低功耗軟件設計涉及兩個方面：①充分利用處理器的睡眠機制，利用中斷喚醒功能替代循環、查詢、動態掃描等工作方式。通過軟件設定工作模式，在低功耗模式下進行定時、A/D轉換等工作。②對電路中用電模塊進行電源管理，根據工作需要來接通相應模塊的電源，待事件處理完畢后切斷相應模塊的電源。

系統初始化完成之后處理器進入低功耗模式3。無線收發模塊保持在無線喚醒狀態，周期性地從睡眠狀態經中斷喚醒進入接收模式接收數據，以降低無線收發模塊功耗。助航燈光的電源系統為恒流系統，需要采集燈光兩端的工作電壓來判斷燈光的工作狀態。MSP430G2553單片機內部包含片內A/D轉換模塊，平常處于關閉狀態，在接收到監控節點的采樣指令后開啟A/D轉換，完成采集任務后關閉A/D模塊。

2.3低功耗通信路由協議設計

高效的無線路由協議可通過降低通信能耗、平衡負載、融合傳輸數據來降低系統的能耗，延長網絡的壽命。文獻5在LEACH協議基礎上提出面向機場進近區助航燈光單燈監控系統的路由協議（AL-CADE），協議中簇頭的選舉使用節點剩余能量和傳輸距離雙重約束。仿真表明：AL-CADE協議顯著降低了網絡能耗，延長了系統的工作周期。

3　節點能耗測試

3.1能耗測試方法

為評估系統的能耗、可靠性等參數和系統壽命之間的關系，需對節點進行能耗測試［7］。目前的能耗測量方案大致可分為2類：全系統軟件仿真與硬件模擬實驗。前者采用模擬仿真工具在給定參數下對節點運行時刻的能耗進行分析評估，與實際情況有著一定的差距。進行節點壽命評估時測試節點真實能耗數據更為合理，故采用外接硬件電路實驗。外接硬件主要有下面2種方法：電流探針法和采樣電阻法，其電路原理如圖3和圖4所示。

圖3　電流探針法Fig.3　Current probe approach

圖4　采樣電阻法Fig.4　Sample resistor approach

電流采樣的精度易受到電流探針的限制，無線傳感器網絡的電流消耗為mA級，對電流探針要求較高，而且在測量過程中受到外界環境的影響導致測試誤差較大。電阻采樣測量方式，測量電路簡單易行，采用高精度采樣電阻，測量精度可滿足要求，且不易受外界環境干擾［8］。參考圖4可計算系統工作電流。圖4中采樣電阻R被選為阻值為0.5 Ω的小阻值精密電阻，大大減少了采樣電阻的壓降對被測系統的影響。差分放大器的增益為K，將采樣電阻上的弱信號V1放大為V2。微控制器上集成的AD轉換器對信號V2進行采樣處理，并進行相應的功耗計算。

3.2實驗數據測試

傳輸距離是無線傳感器網絡參數設計的重要指標。在助航燈光系統中需根據燈光位置分布選擇合適的發射功率。以某機場北進近區為參考，將整個區域分為5個180 m×10 m的小區域，經過路由協議簇頭選舉與簇頭優化可得每個小區域內含有4個簇頭［5］。為驗證CC1101傳輸距離，在室外進行了一系列實驗。本次實驗環境為室外空曠地帶，天氣晴朗，溫度為攝氏0℃左右。測試結果如表1所示。

表1　不同發射功率下的節點傳輸距離Tab.1　Communication distance at different transmiting powers

傳輸距離是由發射功率來決定的。由測試結果可知，當發射功率為7 dBm時，傳輸距離達到100 m，能夠覆蓋簇內節點且丟包率不到2%，可滿足通信要求。因此文中設計發送功率采用7 dBm。

為評估節點的壽命，將差分放大器增益K設為20，采用阻值0.5 Ω的精密電阻作為采樣電阻對系統的功耗進行了一系列測試。7 dBm發送功率下采樣電阻的電壓波形圖，如圖5所示。

圖5　7 dbm發射功率下采樣電阻上的電壓波形圖Fig.5　Voltage on sample resistor at 7 dbm transmiting power

經過多輪測量，求得在7 dBm發射功率下平均電流消耗，如表2所示。

以同樣的測量方法對系統在休眠狀態、接收狀態、空閑狀態以及片內A/D采樣的功耗進行了測試，結果如表3所示。

表2　7 dbm發射功率下電流值Tab.2　Current at 7 dbm transmiting power

表3　各狀態下系統工作電流Tab.3　Current consumption at different modes

從表3可得出如下結論：系統在休眠狀態下能量消耗最低。故當巡檢任務完成后，節點應進入休眠模式以降低功耗。

3.3節點壽命評估

由于采集、發送和接收數據時間極短，數分鐘內即可完成對所有燈光的巡檢。設定每個節點每天發射工作1 min，由于CC1101無線喚醒的存在，則每天接收時間約為10 min，其余時間處于睡眠狀態。在燈光兩端電壓采集過程中需進行A/D轉換，其中采用頻率為32.78 kHz，每次巡檢采樣16次。根據能耗公式可得每天消耗Cd為

其中：It為發射狀態電流大小，tt為發射時間；Is、ts分別為睡眠狀態的電流大小與睡眠時間；Ir、tr分別為接收狀態的電流大小與接收時間；Ia/d、ta/d分別為采樣電流與采樣時間。

經計算可得Cd= 4.91 mAh，而3節干電池的容量C為6 000 mAh，經過計算可得節點壽命Ln為

經測試計算可得出節點能夠正常工作1 223天的結論，但由于每次巡檢時都要進行簇頭選舉，任何一個節點都有成為簇頭的可能性。作為簇頭節點，需要管理簇內節點，融合簇內節點數據，此時能量消耗多，系統的工作壽命相應縮短。節點的實際運行壽命要比1 223天少，此數據可作為傳感器網絡監控系統可靠性設計的初步依據。

4　結語

本文從系統硬件、軟件編程以及通信機制3方面進行了助航燈光低功耗監控節點設計。對發射功率的傳輸距離進行了室外測試，實驗測試7 dBm發射功率可滿足機場助航燈光系統數據傳輸距離的需求。采用電阻采樣方法測量了網絡節點能耗。根據所測的能耗數據初步估算了助航燈光監控節點的平均壽命，為進一步的系統設計提供了依據。

參考文獻:

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［4］李麗，陳汝義. iFIX在機場助航燈監控系統中的應用［J］.工業控制計算機，2009，22（12）：12-13.

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［7］MILENKOVIC A，MILENKOVIC M，JOVANOV E，et al. An Environment for Runtime Power Monitoring of Wireless Sensor Network Platforms［C］//In System Theory，2005 SSST’05. Proceedings of the Thirty Seventh Southeastern Symposium，IEEE. 406-410.

［8］牛星，李捷，周新運，等.無線傳感器網絡節點能耗測量及分析［J］.計算機科學，2012，39（2）：84-87.

（責任編輯：黃月）

Implementation and lifetime appraisal of low power wireless sensor network nodes

WANG Bingyuan1，LIU Ximeng1，LYU Zhongyi2
（1. College Aeronautical Automation，CAUC，Tianjin 300300，China；2. DaLian Municipal Design＆Research Institute Co.，LTD，Dalian 116001，China）

Abstract:Energy constraint is a crucial factor limiting the performance of single-lamp monitoring WSN（wireless sensor network）for airfield navigation lights. To reduce energy consumption of nodes and thus prolong lifetime of WSN，nodes are designed from three aspects appr including hardware energy consumption，software controlling structure and routing algorithm. Lifetime appraisal of nodes facilitates reliability design of WSN and maintenance of nodes. By accomplishment of differential-sample-based node energy consumption measurement，the appraisal of lifetime is fundamentally made valid.

Key words:wireless sensor networks；navigation lighting；low power；energy consumption

中圖分類號：V351.32；TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1674－5590（2016）02－0032－04

收稿日期：2015-07-02；修回日期：2015-09-23基金項目：國家自然科學基金項目（U1333102）

作者簡介：王丙元（1968—），男，遼寧朝陽人，教授，博士，研究方向為測控自動化.