基于TinyOS 2.x無線傳感器節點的節能策略研究

摘要:TinyOS是專門針對資源有限的無線傳感器網絡而設計的開源嵌入式操作系統。能耗問題一直是無線傳感器網絡研究的關鍵技術，該文分析了無線傳感器節點的能耗特點，并重點研究了基于TinyOS 2.x 傳感器節點的能量管理機制和節能策略。

關鍵詞:TinyOS;無線傳感器網絡;能量管理機制;節能策略

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)33-9382-03

The Research on Energy-saving Strategy of Wireless Sensor Nodes Based on TinyOS 2.x

HE Hong， LIU Feng

(College of Computer and Information Science， Southwest University， Chongqing 400715， China)

Abstract: TinyOS is an open-source embedded operating system，which is designed for resource-limited wireless sensor networks(WSN). Energy consumption is the key technology of the WSN， this paper analyzes the energy consumption of wireless sensor nodes ，and focus on TinyOS 2.x-based sensor node energy management mechanism and energy-saving strategy.

Key words: TinyOS; WSN; energy management mechanism; energy-saving strategy

無線傳感器網絡是集信息采集﹑信息傳輸﹑信息處理于一體的智能信息系統，綜合了微電機系統﹑傳感器技術﹑嵌入式技術及無線通信技術等，具有廣闊的運用前景[1]。大多數無線傳感器網絡應用中，傳感器節點由電池供電，能量有限，且傳感器節點數目眾多﹑受工作環境限制無法補充能量，因此能耗問題一直是無線傳感器網絡研究的熱點領域和關鍵技術。

無線傳感器網絡主要是面向低速、低功耗的無線應用，其單個節點是典型的資源受限制的嵌入式系統。到目前為止，已經開發出Mantis OS ，SOS， TinyOS等眾多的無線傳感操作系統(WSNOS)。TinyOS是美國加州大學伯克利分校專門針對無線傳感器網絡的小型操作系統而開發的，得到了廣泛的關注和應用。TinyOS設計的目標是代碼量小(核心代碼和數據大概400Bytes左右)，能耗低，并發性高，魯棒性好，可以適應不同的應用，采用輕量級線程技術、主動消息通信技術、事件驅動模式等。TinyOS使用NesC語言編程基于組件化(模塊組件和配置組件)編程思想實現。TinyOS 2.x是TinyOS 1.x的改進版本，改善了TinyOS 1.x存在的缺陷，如任務調度機制，能量管理機制等。本文就是基于TinyOS 2.x無線傳感器節點的能量管理機制和節能策略進行研究。

1 無線傳感器節點

無線傳感器節點是無線傳感器網絡硬件的核心組成部分，傳感器節點完成對周圍環境中的對象進行感知并作適當處理后，將測量值傳送到基站。

1.1 節點的基本特點

1) 微型化。應用中傳感器節點要高度集成化，保證對目標系統的特性不會造成影響。

2) 低功耗。無線傳感器網絡中的節點有嚴格的電源要求，因為網絡往往部署在無人值守的地方，節點使用電池供電，不宜更換電池，因此，如何節省能耗是應用的首要問題。

3) 低沉本。由于傳感器數量多，網絡節點密集，只有低成本，才能大量布置，體現出無線傳感器網絡的各種優點。

4) 計算和存儲能力有限。嵌入式微處理器的處理能力存儲器的存儲能量有限，因此計算能力十分有限。

5) 通信能力有限。無線傳感器網絡的通信帶寬窄，覆蓋范圍小，經常受到自然環境影響，導致通信失敗。

1.2 節點基本組成及能耗特點

無線傳感器節點主要有能量供應單元，微處理器單元，傳感器單元和無線通信單元四部分組成，如圖1所示。

能量供應單元:為整個傳感器節點提供能量供應，一般由電池供電。

微處理器(MCU)單元:微處理器負責控制傳感器、執行通信協議和處理傳感數據的算法. MCU的選擇對節點能耗影響較大，隨著集成電路的發展，出現了越來越多的低功耗MCU，如MSP430，AVR系列微處理器。

傳感器單元:對感知區域進行監測并將監測到的信息進行模數轉換，其能耗來自多個部分，包括信號采樣以及物理信號到電信號的轉換、信號調制和信號的模數轉換。假定數據源的產生速率為v，則節點單位時間傳感器單元耗能為Ps=k1v，k1為常數。

無線通信單元:該單元包含發送，接收，偵聽和休眠四種狀態。假設發送節點Na和接收節點Nb進行通信，發送數據的速率為v，兩個節點間的距離為d，其單位時間內通信能耗為Ec(Na，Nb)=Et(Na)+Er(Nb)，其中Et(Na)為節點Na發送能耗，Et(Na)=k2dnv，Er(Nb)為節點Nb接收能耗，Er(Nb)=k3v，n為路徑衰減指數，而k2，k3為無線通信常數。偵聽狀態時無線通信模塊一直監聽無線信道的使用狀況，檢查是否有數據發送給自己;當節點處于在休眠狀態時，則關閉通信單元。文獻[2]指出，無線電通信單元是最大的能量消耗模塊，近70%的能量消耗來自該模塊。同時文獻[3]也列出了節點各組成單元能耗情況，如圖2所示。因此，控制通信單元能量消耗能有效節約傳感器節點能耗。

2 微處理器單元能量管理

2.1 基于電源敏感的任務調度機制

TinyOS采用任務和事件驅動相結合的兩級并發模型的調度機制[4]，事件驅動機制是指由事件直接或者間接由硬件產生，TinyOS接收到產生事件后立即處理該事件，可以搶占任務或者低優先級的事件執行，具有很好的實時性。任務用于對實時性要求不高的場合，實際上是一些延遲執行的函數，任務存放于任務隊列中，按先進先出(FIFO)原則進行調度，任務間不能搶占。在TinyOS 2.x中，任務調度器是由配置組件TinySchedulerC及其相關模塊組建構成，如圖3所示。配置組件TinySchedulerC封裝了模塊組件SchedulerBasicP，調度程序由TinySchedulerC組件描述， 由SchedulerBasicP組件實現。

采用事件驅動的TinyOS，當任務隊列為空時，SchedulerBaiscP組件使用McuSleepC組件提供的McuSleep接口，控制處理器進入相應的休眠狀態，直到有事件去喚醒才處理事件及事件相關的任務。這種基于電源敏感的調度機制，保證了節點大多數時間都處于極低功耗的睡眠狀態，有效的節省了能耗，延長了傳感器網絡的生存周期。

2.2 精細的低功耗狀態控制

目前，一般的低功耗芯片都有多種低功耗狀態，且不同低功耗狀態消耗的能量差異極大。如MSP430F54XX系列微處理器包含了一個活動狀態和6種低功耗狀態，分別從LPM0到LPM5。在電源為3V條件下，LPM0狀態下的電流約為80uA，LPM5為0.2uA，相差了400倍[5]。所以根據實際的應用需求，讓處理器處于合適的低功耗狀態對于降低能耗有著重要意義。TinyOS 2.x使用了一個Dirty位，一個芯片相關的能量狀態計算函數和一個能量狀態重載函數來管理和控制微處理器的能量狀態。Dirty位用來標志TinyOS 2.x是否需要重新計算處理器狀態;當Dirty位置1時使用能量狀態計算函數計算出處理器應處于的低功耗狀態;最后使用能量狀態函數來判斷處理器狀態是否應當被重置。這三種機制通過組件McuSleepC提供的相應接口命令函數來實現。

3 外圍設備能量管理

本文把傳感器節點除了微處理器以外的設備統稱為外圍設備，與微處理器不同，外圍設備只有開和關兩種邏輯狀態。TinyOS 2.x對外圍設備能量管理，是當需要使用某一資源時開啟該設備，其余時間處于關閉狀態，以節約能耗。TinyOS 2.x同時將外圍設備抽象成了獨占資源(Dedicated)和共享資源(Shared)設備，分別采用不同能量管理模型進行管理。顯示管理模型用于獨占資源如計數器等資源，即當一個組件使用該計數器資源時不能被其他組件共享直至該組件使用結束。顯示管理模型使用以下3種接口提供的start和stop命令函數直接控制設備的開與關:StdControl用于一個設備開啟或者關閉的時間是可以忽略的情況;SplitControl用于一個設備的開啟或者關閉的時間是不可以忽略的;AsyncStdControl用于異步接口，即想在異步代碼中實現能量控制。隱式管理模型用于共享資源如在Telos平臺上SPI總線，同時被多個外圍設備共享(如無線收發器和存儲器)。隱式管理由設備驅動程序進行能量狀態控制，它通過一些內部機制決定設備能量狀態何時被改變，目前TinyOS 2.x提供了兩種默認能量管理策略，由PowerManagerC和DeferredPowerManagerC組件實現。

4 節點通信節能策略

從傳感器節點能耗特點看出通信時造成傳感器節點能耗的主要方面，因此如何減少通信能耗對于延長傳感器網絡壽命顯得至關重要。無線收發器采用的調制模式、數據速率、發射功率和操作周期等都是影響通信節點能量消耗的關鍵因素，涉及物理層，MAC層，網絡層等各層協議。在物理層，傳感器節點一般工作在2.4GHZ的ISM頻段，在該頻段天線和能量效率匹配較好。本文主要分析了提供的TinyOS 2.x的低功耗偵聽策略和多跳路徑通信機制。

4.1 低功耗偵聽(Lower Power Listening，LPL)機制

傳感器網絡通信通常由源節點產生數據經中間節點轉發至sink節點，中間節點需要監聽發送到目的節點的數據，看是否有數據要經過該節點進行轉發。從圖2可以看出，空閑監聽消耗能量與接收狀態消耗能量相當，所以在通信過程中應盡量減少監聽的時間。傳統的偵聽方式采用的是周期性多跳監聽機制，當節點在沒有數據進行傳送(空閑)時，進入周期性的監聽狀態，這種方式可以取得很好的效果當空閑的時間相對于傳送消息的時間很長時，如窗口傳輸數據的時間為10秒但空閑的時間可以達到90秒，但這種方式限制了帶寬。在傳感器網絡中，任何一個節點都有可能成為路由節點或者進行數據處理，需要完全的使用有限的無線帶寬資源，為此TinyOS 2.x平臺上在MAC協議中引入了LPL機制，節點在發送數據前附加了一個前導載波Preamble，其主要作用是:通知接收節點將有數據發送過來，使其調整電路準備接收數據. 如果接收節點在工作狀態檢測到Preamble，它就會一直偵聽信道，直到數據被正確地接收;如果節點沒有檢測到Preamble，節點的無線裝置將被置于“休眠”狀態，直到下一個Preamble檢測周期到來，如圖4所示。這種機制雖然增加了發送Preamble的能量，但大幅度減少了接收器空閑偵聽所消耗的能量，使接收器可以有較多的時間處于休眠狀態。TinyOS 2.x通過使用LowPowerListening接口的命令函數SetLocalDutyCycle來設置接收器占空因數 (Duty Cycle)。用戶可以根據實際需求合理設置Preamble長度和Duty Cycle，文獻[6]指出當Duty Cycle設置為10%假設需要5個bit的Preamble時，不僅減少了90%的偵聽能量消耗，而且減少了33%的處理器能量開銷，另一方面，由于Preamble引起的開銷在發送30個字節的數據包只增加了1%。

4.2 多跳路徑通信機制

在無線傳感網絡中，根據前文數據發送能耗公式，Et=kdnv，n的取值與通信距離，地理環境，天線質量等諸多因數相關，一般為 ，當n和 取值一定時，通信能耗與dn成正比，隨著通信距離的增加，通信能耗急劇增加。如果源節點與sink節點直接通信，由于通信距離過長，將會加速源節點能量消耗，導致節點過早消亡。同時根據發送和接收數據的能耗公式，有Er=Etk4d-n且無線電發送能耗 無線電接收能耗﹥MCU能耗，因此可以通過合理設置每跳間距，使多跳通信比直接通信更省能量。

TinyOS 2.x系統的應用程序由若干個模塊組件和配置組件構成，組件使用接口進行功能描述。圖5給出了基于TinyOS 2.x的多跳路徑通信組件結構圖。該模型由MainC組件，用戶自定義組件(應用組件ApplicationC)，定時器組件TimerC和多跳路徑通信組件MultiHopC組成，目前在TinyOS 2.x平臺上除了官方提供的CTP協議外，國內外學者已經在該平臺上實現諸如AODV，LEACH等經典的多跳路由協議，用戶可以根據實際網絡需求選擇或者編寫符合應用需求的節能多路徑通信協議。

4.3 其他節能策略

除了上面提到的兩種節省能耗的機制外，在MAC協議中，還應當考慮怎樣減少消息碰撞和控制包開銷等。網絡路由層通信協議是無線傳感網絡通信能耗考慮的另一個重要因素，主要有以下幾方面:

1) 選擇節能路徑。一方面要使選擇的路徑的跳數最優和每跳的節點間通信距離合理，另一方面同時也要考慮選擇路徑通信鏈路的質量，提高數據傳輸效率，減少數據發生碰撞或丟包概率，避免數據重傳消耗能量。

2) 能耗均衡。傳感器網絡中，路由協議應避免多條路徑同時經過某一節點，這樣該節點將會多次的進行數據的收發等造成該節點通信負擔過重，成為網絡的瓶頸，造成網絡能耗不均影響網絡生存周期。

3) 數據融合。傳感器網絡是以數據為中心的網絡，往往同一區域內的節點協同完成該區域的數據采集監測等，這樣各節點采集的數據常具有很多的相似部分，為降低數據的冗余，節點轉發數據前，將數據進行融合打包，有效的減少數據通信量，節省能耗。在分簇網絡拓撲結構中常常由簇頭結點完成對本簇成員節點所發送數據進行數據融合。

5 結束語

TinyOS 是現今無線傳感器網絡領域應用最多的操作系統。本文分析了傳感器節點的能耗特點，并著重研究了基于TinyOS 2.x的傳感器節點的能量的管理機制和節能策略。通過本文的探討，期望對進一步研究基于TinyOS 2.x傳感器網絡節能策略有著積極的作用。

參考文獻:

[1] 李善倉，張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京:機械工業出版社，2008.

[2] 汪益民，吳建國.淺談無線傳感器網絡節能策略[J].電腦知識與技術，2008，4(4):867-868.

[3] Deborah E.Wireless Sensor Networks Tutorial Part IV: Sensor Network Protocols[R].Atlanta， Georgia， USA: Westin Peachtree Plaza，2002:23-28.

[4] Philip Levis，David Gay，David Culler.Software design patterns for TinyOS， ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS).New York， NY， USA: ACM Press， 2007.

[5] Texas Instrument.MSP430F541x-543x Datasheet [EB/OL].http://www.ti.com，2008.

[6] Jason Hill，David Culler.A wireless embedded sensor architecture for system-level optimization[R].Technical report，U.C.Berkeley，2001.