無線傳感器裝置網絡節能的分析

王曉英 陳玉玲

（沈陽工學院，遼寧 撫順 113122）

0 引言

無線傳感器裝置組成的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSNs）屬于一類比較成熟的信息科技，已經在環境保護監測、醫療衛生保健以及工業控制等領域獲得了非常廣泛的實際應用[1]。WSNs一般由多個無線傳感器裝置的節點構成，通常該類節點共同監控同一個應用環境，數據信息經過無線通信的形式傳送到1臺或者多臺被稱作sink的遠距離主機。無線傳感器裝置的節點通常由處理器單元模塊、信息存儲單元、傳感裝置以及信號收發裝置等元器件構成。一般情況下，上述設備都是依靠電池提供電能，因此其使用壽命受到較大的限制，在這種情況下，電能的供應成了WSNs系統最大的制約要素之一，特別是在相關網絡工作需要進行幾個月甚至是幾年的狀態下，這種影響更為明顯。

1 無線傳感器裝置節點的能量損耗情況研究

無線傳感器裝置節點位置的電能損耗通常來源于數據收集單元的調整電路、數據采集單元的微處理器以及內存模塊、信號傳送單元的射頻電路系統。傳感裝置的調整電路所消耗的電能較低，因此節約電能消耗的余地較小。微處理模塊的電能損耗分成靜態消耗以及動態消耗2個部分，其中以減少動態消耗為降低電能消耗的主要目標。因為微處理模塊的動態消耗功率與電壓、電容以及時鐘頻率等指標有比較緊密的聯系，所以能夠通過減小時鐘頻率和電壓來減少動態消耗。假如在降低電壓的條件下減少時鐘頻率指標，那么就可以減少動態消耗，這時微處理器的工作頻率由210 MHz、1.6 V變成160 MHz、1.1 V，可以節約大概55%的能量消耗。

DVS相關技術能夠動態地調整微處理模塊的電壓和頻率，調整的周期伴隨節點的運行負荷而發生相應改變，進而降低空閑狀態下不必要的能量消耗。射頻電路部分的電能損耗是節點部分中占比最大的。根據無線傳感裝置相關節點的行業標準，射頻電路通常需要應用功耗較低、價格低廉且尺寸較小的成熟元器件。參考系統總體能耗，在選用該射頻電路時，需要降低功率并且必須具備節能模式，例如Nordic VLSI公司生產的單片模式射頻收發裝置nRF905，該產品的功耗較低且具有空閑和關閉模式，可以輕松地實現節能的目標，還可以借助微處理模塊的動態調節射頻模塊指標，使其工作時的能耗狀態可以在工作模式和空閑模式之間靈活調整，從而減低系統的能耗。

2 電能的聚集和管控工作

對于無線傳感器裝置節點處的能量收集問題，EHWSNs系統采用了一類全新的電能管控模式EM，該模式的主要功能是依據目前系統總體的能量保有量，并借助動態改變的吞吐量來調節相關網絡節點的各項性能指標，EM模式能夠與多種類型的MAC協議共同作用。將系統時間分隔成大小相等的時間長度間隔T，當前系統總體能量剩余值用eR來表示，系統的喚醒時間間隔用Twi來表示。

2.1 電能的預估計系統EBC的設計研究

能量EM管控模式主要用于控制系統產生能量及消耗能量的相關指標。然而如果想要準確把控相關的數值是一項非常困難的任務，而且還會伴隨較高的能量損耗。相關工程技術人員開發設計EBC系統的初衷就是為了讓該設備始終維持在ENO-MAX的運行狀態之下，因此，借助動態方式來調節電能的預計參數，可以使系統消耗的電能和系統長期捕獲到的電量達到平衡。

2.2 吞吐容量的計算TC模塊的開發

研發吞吐容量的統計計算TC模塊的目的是為了能夠捕捉網絡節點位置在特定時間過程的實際能量的吞吐量，并將其用來和EBC系統所明確的電能相互平衡。因為無線通信數據傳輸過程的電能消耗最大，所以指定的電能預估算的節點位置處的吞吐量和MAC系統相關協議的關聯性較強。MAC系統的相關協議會將1個數據包發送過來，一般來講，該環節可能需要多個步驟來實現，例如捕獲／發出信號標識幀、發出數據幀以及捕獲系統確認幀等步驟。用NS來代表相關網絡協議的通信節點位置有可能處在的狀態數值。所有的狀態都是各個不同模塊狀態下的綜合概念。狀態情況i∈｛1，…，Ns｝，單包的數據信息傳送進程使用τi來表示，節點位置可以使用相應的系統功耗Pi來表示。為此，完成測量以及傳輸單獨數據包的全部進程的所消耗電能，如公式（1）所示。

式中：eT為完成測量以及傳輸單獨的數據包所消耗的電能；Ns為節點數量。

關鍵節點在一個時間間隔k上的能耗如公式（2）所示。

式中：eC[k]為關鍵節點在一個時間間隔k上的能耗；TWI[k]為時間系數；T為時間間隔；Ps為關鍵節點在休眠狀態時的功耗。

τT為發送信息數據包的總時間τT=能耗eC[k]等于能量預算eB[k]，喚醒時間間隔設定為：一般狀態下的系統MAC通信協議主要是根據偽異步模式來運行的，這就給τi數值的評估工作造成較大的難度。通常不同數據包的傳輸過程在空閑和接收數據包的狀態下，其時間長度具有較大的區別。因此如果該數值估計結果的準確性，那么網絡節點位置所使用的電能很可能和EBC系統計算得到的電能的預算數值存在較大的差距，這種情況將會引起電力系統的運行故障或者是造成不必要的電能浪費[2]。

3 喚醒接收器裝置的系統MAC網絡協議

目前，已經有大量的關于無線傳感器裝置網絡中的系統MAC網絡相關協議的規劃設計和實際運用的研究數據和結果。系統MAC能夠劃分為同步模式、偽異步模式以及異步模式。在同步模式狀態下，相鄰位置的節點將會同時被系統喚醒。然而在運行EH-WSNs系統的情況下，外部環境的電源裝置可以供應的電能將會隨著時間以及空間的變化而發生持續的不規則變化，這種特性使同步模式不適用于相關的應用狀態和場合。事實上，通過捕捉電能來供應電能的節點位置需要具備動態調節系統的占空比能力，偽異步模式以及異步模式的運行方案使所有節點都可以與其他節點的調節過程相互獨立，不受其他節點動作的影響，單獨進行調節。常規的偽異步模式的解決方案比較依賴于系統占空比的循環過程，其中網絡節點位置依據系統特殊的時間間隔周期性地斷開或者開啟系統的電源裝置。

偽異步模式能夠細化分成發出端發起或者接收端發起，在發出端發起的解決方案中，接收信號的網絡節點位置將在周期性的固定時間點被喚醒，隨后對相關的信道進行監控，假如系統察覺到該信道是處在空閑狀態，那么就會在短時間的喚醒之后重新進入休眠狀態。如果單一網絡節點位置存在1個數據包需要傳輸的時候，其就會將1個請求信號傳送到目標的網絡節點位置處，所有的網絡節點位置都存在1個監控的時間周期。當目標節點被喚醒的同時，就會獲得1個信號傳送請求，并且借助1條數據信息回應給傳送網絡節點，該信息數據包將被傳送出去。在接收端發起的解決方案中，接收端的網絡節點位置將會定時被喚醒并且傳送出1個數據包信號，同時對相關信道進行短期的監控，假如沒有監測到相關的數據信號，那么就會重新進入睡眠模式。假如網絡節點位置需要傳送數據信息，那么它將會通過監聽接收器裝置來清除相關的信號通道，并在接收信號之后發送信息數據包[3]。

4 試驗數據結果及相關研究

4.1 關鍵節點體系結構

之所以選取超級電容器作為存儲設備，是因為它擁有比電池更耐用的技術優勢，可以提供密度更高的功率。基于多能源轉換的WSNs關鍵節點硬件體系如圖1所示。基于MESC架構的PowWow平臺選用了CC1125無線電芯片，儲能裝置為0.95 F的超級電容，最大電壓為5.15 V，節點供電所需要的最小電壓為2.85 V。剩余能量eR的計算如公式（3）所示。

式中：C為超級電容；VC為電容器的電壓。

圖1 基于多能源轉換的WSNs關鍵節點硬件體系

根據公式（3）能夠測量DC-DC轉換裝置在不同電壓（2.85 V～5.15 V）下各τi的功耗Pi。表1提供了物理層PHY、MAC協議及能量預算EBC的相關試驗參數信息。

表1 相關試驗參數信息表

4.2 具有超低額定功率的喚醒接收裝置研究

ULP WuRx使用開關鍵調節OOK數值，該技術方法是最容易實現的鍵控ASK調節方案。當ULP WuRx監測出現載波時，就會迅速喚醒微控制裝置，此時微控制裝置讀出嵌入WuB中的物理地址并進行匹配。假如接收到無效的物理地址，那么微控制裝置就會重新調節至休眠狀態；如果物理地址是正確的，那么就應用中斷裝置喚醒節點MCU。

4.3 與MAC網絡技術協議對比研究

將標準版無線通信電源管理構造PW-MAC與UPMAX-MAC進行對比得出，關鍵節點借助持續發送信息數據包開啟通信過程，直至收到接收裝置的ACK幀數。假如接收裝置檢測到信息數據包并將其全部接收，那么就由sink關鍵節點發出ACK幀數，UPMA-X-MAC與PW-MAC網絡技術協議如圖2所示。其中Node指的是網絡節點，sink指的是下沉，DATA指的是數據包，ACK指的是字符，Listening指的是數據接受，sink wake-up指的是下降喚醒，a UPMA-XMAC協議指的是一類開源的X-MAC協議，Packet ready to be sent指的是準備發送的數據包，Wake-up at the predicted time指的是在預先設定的時間進行喚醒，BCN指的是寬頻通信網絡。

PW-MAC網絡技術協議指的是一類由接收端發出的相關網絡技術協議，通常注重發出端及接收端的能源消耗效率。應用PW-MAC網絡技術協議的信息數據包傳輸速度較快。相關網絡數據信息接收裝置在接收端呈現周期性喚醒狀態并且可以輸送信號幀數。任何一個關鍵節點在發出端都能夠精準地判斷接收裝置將在什么時間醒來。假如需要發送相關的信息數據包，那么關鍵節點就會在接收，發送下一類信號之前醒來。如果獲取重要信號，那么關鍵節點就會發出信息數據包并且延遲等待，直到ACK幀數到達特定數量。在任何一個信息數據包傳輸相關參數的過程中，都會計算該預測發生的誤差值，關鍵節點根據該誤差對節點預測周期進行更新。相關工程技術人員為了判斷MAC網絡技術協議的能量消耗效率，需要對每個信息數據包傳送及接收的能耗進行檢測。在10.15 Ω 電阻及3.15 V電源并聯的情況下，檢測出這3種網絡技術協議的能耗運行軌跡。該文除了針對能耗進行了研究以外，還校核出與EUC度量有關的ξ∞值（能量極限值）及H值。

由有關試驗的檢測數值結果可知，PC數值是主要節點的功率損耗。相關結果也表明與其他網絡技術協議進行對比，應用PW-MAC網絡技術協議輸送參數數據包的功率損耗值處于最低曲線位置，該協議只需要輸送數據幀數（B）。假如相關參數數據關鍵載荷的扭矩固定不變，那么輸送參數數據包的能耗就是恒定不變的。試驗中的sink參數能夠得出參數數據包接收的3個頻段，發出WuB（A）隨后接收參數數據幀數（B）。因為與非WuB幀數進行對比得出輸送WuB協議的比特頻率數值比較小且額定功率數值較高，所以輪詢技術框架相關節點比接收裝置的能量消耗多一些。該試驗結果能夠觸發信息數據包中任何一個時間節點的喚醒間隔，且只允許接收裝置在合理的輪詢節點進行工作。

在MAC網絡技術協議的試驗過程中，體現了信息數據包整個參數的傳輸過程，在該試驗中分別驗證了應用PWMAC網絡技術協議實施分組傳送及接收的能量損耗狀況。應用該網絡技術協議輸送相關信息數據包要求接收數字信標號（A）及跳動幀數ACK（C），該操作導致輸送相關信息數據包的能耗大于應用SNW-MAC網絡技術協議的能量消耗。除此以外，參數信息發送端將會在信號接收裝置發出信號前的較短周期內被喚醒，從而避免預測斷出現錯誤信息。該時間間隔在每一次數據信息傳輸過程中都是不一樣的，造成每個數據信息包的傳輸能耗都是處于不恒定的狀態。因為時鐘存在漂移狀況，所以導致預測會產生比較大的誤差，當相關網絡技術協議超出某個固定的閾數值時，相關裝置就會激活預測狀態并對其進行升級與更新，這就會產生非常高的能量損耗。應用SNW-MAC網絡技術協議不用傳送ACK幀參數，與應用PW-MAC網絡技術協議對比，其能夠在一定程度上抵消WuB傳輸造成的能量損耗。

圖2 UPMA-X-MAC與PW-MAC網絡技術協議

5 結語

綜上所述，對無線傳感裝置網絡系統能量進行回收及管控是解決能量消耗問題的關鍵技術方法。經過對能量回收及管控技術方法的分析探索，把異步MAC網絡技術協議及超級低級別功耗喚通接收裝置相結合，在行星拓撲構造參數信息收集傳感裝置網絡中的相關試驗數據證明，與PW-MAC網絡協議進行對比，SNW-MAC網絡技術協議能夠獲取更加顯著的吞吐性增益結果，大幅提升了無線傳感裝置在網絡工作過程中的能源節約效率。