傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方加娟++鹿艷晶++安鵬

摘 要： 為了有效延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)工作壽命，設(shè)計(jì)一種新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件主要由FPGA和控制板組成，所設(shè)計(jì)的軟件將針對(duì)二者的工作流程進(jìn)行控制。FPGA使用軟件給出的采集程序和節(jié)點(diǎn)能耗識(shí)別碼，進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)的持續(xù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換。被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)將被采集程序封裝并傳輸?shù)娇刂瓢濉？刂瓢甯鶕?jù)數(shù)據(jù)讀取流程對(duì)封裝數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，獲取完整的節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，給出節(jié)點(diǎn)能耗調(diào)節(jié)建議，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗的監(jiān)測(cè)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，所設(shè)計(jì)的軟件監(jiān)測(cè)距離較遠(yuǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)工作壽命延長(zhǎng)性能頗佳。

關(guān)鍵詞： 傳感器網(wǎng)絡(luò)； 節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)； 軟件設(shè)計(jì)； 數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TN931+.3?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）12?0053?03

Abstract： A new software for node energy consumption monitoring in sensor network was design for prolong the working life of the node. The hardware of the node energy consumption monitoring system for sensor network is mainly composed of FPGA and control board. The designed software controls the working process of both FPGA and control board. FPGA carries out continuous acquisition and analog?to?digital conversion of node energy consumption data in sensor network by means of the collection program and the node energy consumption identification code given by the software. The node energy consumption data converted into digital signal is packaged according to the collection procedures， and transferred to the control panel. The control panel is used to reconstruct the encapsulated data according to the data reading process to obtain and parse the complete node energy consumption data， and then give out some suggestions about node energy consumption adjustment to realize the monitoring of energy consumption of sensor network nodes. The experimental verification result shows that the designed software has remote monitoring distance， and can prolong the working life of sensor nodes.

Keywords： sensor network； node energy consumption monitoring； software design； data acquisition

0 引 言

近年來(lái)，隨著學(xué)術(shù)界對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的逐漸加深，傳感器網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于溫濕度、城市光污染、速度和壓力等方面的探測(cè)中，對(duì)改善居民生活方式、增強(qiáng)企業(yè)效益具有重要作用。在未來(lái)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛[1?3]。在國(guó)家大力提倡節(jié)能的當(dāng)今社會(huì)，學(xué)術(shù)界開始關(guān)注到傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題。在以往設(shè)計(jì)出的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件中，由于受到傳感器網(wǎng)絡(luò)中龐大的節(jié)點(diǎn)規(guī)模限制，軟件的監(jiān)測(cè)距離較短，并無(wú)法有效延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)工作壽命，高性能的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件仍待開發(fā)[4?6]。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

1.1 FPGA軟件設(shè)計(jì)

采集程序利用規(guī)格為50 MHz的看門狗計(jì)時(shí)器為FPGA的采集工作計(jì)時(shí)，這種計(jì)時(shí)器能夠?yàn)镕PGA提供0.02 μs的采集間隔。也就是說(shuō)，加入50 MHz看門狗計(jì)時(shí)器的采集程序能夠使FPGA每隔0.02 μs便采集到一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)。這種采集工作的效率非常高，為了避免效率過(guò)高造成的節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)丟失和亂碼情況，所設(shè)計(jì)的采集程序?qū)?duì)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，具體封裝格式于表1中給出。

由表1可知，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)的字節(jié)共有16位，所設(shè)計(jì)的采集程序?qū)⑦@16位字節(jié)分成4段。封裝時(shí)，在每段字節(jié)的前面放置2位特定字節(jié)、后面放置6位計(jì)算字節(jié)。當(dāng)需要提取被封裝后的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行逆向字節(jié)刪除，再重構(gòu)4段字節(jié)，即可獲取FPGA采集到的、完整的節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)。

節(jié)點(diǎn)能耗識(shí)別碼的作用是：保護(hù)FPGA采集到的節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)免受網(wǎng)絡(luò)入侵，維持?jǐn)?shù)據(jù)的自身完整性和傳輸穩(wěn)定性，圖1為節(jié)點(diǎn)能耗識(shí)別碼寫入原理圖。

由圖1可知，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件所提供的節(jié)點(diǎn)能耗識(shí)別碼包括復(fù)位碼、計(jì)時(shí)碼、A/D碼和輸出控制碼，這些節(jié)點(diǎn)能耗識(shí)別碼能夠幫助軟件獲取到更遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)距離。當(dāng)FPGA根據(jù)采集程序采集到傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)，并經(jīng)由輸出控制碼通過(guò)串口輸出后，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件將使用A/D碼對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)時(shí)碼在模/數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中提供計(jì)時(shí)服務(wù)。復(fù)位碼為FPGA串口提供初始化服務(wù)，通常與軟件的初始化共同進(jìn)行。

1.2 控制板軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件控制FPGA后，控制板所接收到的每個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)均為4段，這導(dǎo)致控制板在讀取節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)時(shí)，將不可避免地出現(xiàn)4段數(shù)據(jù)順序錯(cuò)亂的情況。為此，需要對(duì)控制板數(shù)據(jù)讀取流程進(jìn)行軟件控制，如圖2所示。

由圖2可知，在表1中，采集程序?yàn)楣?jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)中4段數(shù)據(jù)的前兩位均賦予了不同的前端字節(jié)，依次是03，05，13和15。在控制器讀取流程中，所設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件根據(jù)前端字節(jié)的不同，對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)中的4段數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，進(jìn)而延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)工作壽命。控制器讀取流程對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)運(yùn)行4次循環(huán)，以獲取完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)的軟件實(shí)現(xiàn)

當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)被完整獲取后，控制板將對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，給出節(jié)點(diǎn)能耗調(diào)節(jié)建議。所設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件將對(duì)控制板節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)工作的功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

由圖3可知，為了實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)，軟件給予控制板兩項(xiàng)功能，分別是能耗監(jiān)測(cè)對(duì)比功能和通信功能。通信功能使用傳感器網(wǎng)絡(luò)接口以及軟件、硬件連接接口，將節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)輸入到能耗監(jiān)測(cè)對(duì)比功能中的傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)該模型的不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比可獲取對(duì)比數(shù)據(jù)集合1，再將模型與軟件內(nèi)置的傳感器網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行相同位置同一節(jié)點(diǎn)的能耗對(duì)比，可獲取對(duì)比數(shù)據(jù)集合2。

將2個(gè)對(duì)比數(shù)據(jù)集合匯總，經(jīng)由功能軟件接口中的實(shí)現(xiàn)代碼進(jìn)行解析，可獲取最終的節(jié)點(diǎn)能耗調(diào)節(jié)建議，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗的有效監(jiān)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

將三種軟件分別安裝在如圖4所示的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上。實(shí)驗(yàn)采取圓形區(qū)域監(jiān)測(cè)方式，方便數(shù)據(jù)記錄。

3.2 監(jiān)測(cè)距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)距離包含監(jiān)控距離和探測(cè)距離。在本文實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)控距離是指能夠采集到傳感器網(wǎng)絡(luò)有效數(shù)據(jù)的軟件延伸半徑，而探測(cè)距離則是指能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效重構(gòu)的軟件延伸半徑。實(shí)驗(yàn)中，依次增加圓形監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑，三種軟件的監(jiān)控距離和探測(cè)距離曲線如圖5、圖6所示。

由圖5可知，本文軟件監(jiān)控距離曲線的橫縱坐標(biāo)數(shù)值幾乎一致，證明本文軟件能夠準(zhǔn)確采集到傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效數(shù)據(jù)，監(jiān)控距離較遠(yuǎn)。而TOSSIM軟件和DUTTA軟件的監(jiān)控距離均不如本文軟件。

由圖6可知，TOSSIM軟件和DUTTA軟件的探測(cè)距離曲線均存在較大的波動(dòng)，且數(shù)值較低，表明這兩種軟件的探測(cè)性能不強(qiáng)，因此檢測(cè)距離較近。本文軟件的探測(cè)距離曲線則僅存在微小波動(dòng)，與監(jiān)控距離相比并無(wú)較大的下降。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠驗(yàn)證，本文軟件具有較遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)距離。

4 結(jié) 論

在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)的持續(xù)采集，控制板對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，給出節(jié)點(diǎn)能耗調(diào)節(jié)建議。本文設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)測(cè)軟件可為FPGA和控制板的工作流程提供優(yōu)良的軟件控制。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了本文軟件、TOSSIM軟件和DUTTA軟件的監(jiān)測(cè)距離和節(jié)點(diǎn)工作壽命延長(zhǎng)性能。結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的軟件監(jiān)測(cè)距離較遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)工作壽命延長(zhǎng)性能頗佳。

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