低功耗技術在無線傳感器網絡中的研究與設計

柴 韜

（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

低功耗技術在無線傳感器網絡中的研究與設計

柴 韜

（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

無線傳感器能對各種環境下的對象進行實時監測，還能對對象進行感知和采集信息。無線傳感器的設計目的是通過低功耗技術對WSN的體系結構、節點和網絡各個層次的通信協議等多個角度進行設計，使其能夠解決無線傳感器網絡設計中目前需要解決的一些問題。

低功耗；無線傳感器；網絡；研究與設計

最近幾年來，隨著我國科技技術的不斷蓬勃發展，微機電系統以及低功耗技術高集成手段制成的數字化設備也得到了深入的鉆研和發展，市面上也隨之出現了一些成本低，功耗小的小體積類型的傳感器節點。并且傳感器和微電子及通信方面技術的不斷研發深入，使得無線傳感器網絡（W ireless Sensor Network，WSN）技術也誕生了，并且得到了廣泛的應用，國家也對其技術的研發日益重視起來。

1 低功耗技術對無線傳感器網絡系統功耗的重要作用

WSN與其他傳統網絡有所不同的是，WSN的網絡節點是以自組織方式進行大規模密集部署的，所以，對網絡的要求就需要具備很強的自適應性、自組織性等，而WSN節點所組成的網絡之間的協議和算法受到制約而且分布范圍較大，使其自身的計算和存儲能力都特別低下，所以，節點處的電源如果耗盡了，就會對整個網絡功能造成最直接的影響效果。還有由于網絡節點通常只能進行一次使用，還受到很多的因素限制，使WSN節點的電源供給不能得到及時更換，有時需要被使用許多年，所以低功耗技術的應用有利于網絡設計能量效率的提高。

2 無線傳感器網絡節點的構成和工作方式以及網絡體系結構的分析

2.1 無線傳感器中對于網絡體系結構的相關分析

無線傳感器中的網絡結構形式既復雜又多樣，不過都能夠將其歸納為兩種類型，使其在國際中具有代表性，第一種是呈現分簇狀類型的層次結構，第二種是節點呈現水平形式的結構體系，分簇狀類型的層次結構能使WSN的負載得到有效的分配和均衡，有效解決了泛洪問題。分簇層次結構模型的網絡中遍布著許多的無線節點，這些無線節點能夠對信息進行感知，并將其傳送給負責監控的部門，WSN節點由于具有密集化的分布形式，使其呈現出簇狀結構，通過簇狀節構之間的轉發信息節點，實現了簇狀類型層次結構的信息轉發形式，并將簇狀結構轉發信息節點所感應到的信息，通過網絡形式將其傳遞給監控部門。分簇狀的層次結構采用了

TMDA/FDMA組合的方式來對MAC協議進行設計，使其對能量進行更好的控制，因此，能量消耗會很低.

2.2 無線傳感器節點構成和工作方式

WSN節點構成分為3個主要單元，分別為處理單元、通信單元和傳感單元，其中處理單元包括CPU嵌入式操作系統、存儲器等。通信單元包括無線通信模式，傳感單元包括模數轉換功能模塊、傳感器。除了這3個主要單元，還有掌管別的功能的單元系統形式。

無線傳感器的節點所形成的網絡是由節點通過人的布置或飛機布撒等形式，使其在感知對象的附近或內部進行大量的部署，這些節點由于具備自組織性，互相進行協作感知，將對象周圍及內部的特定信息進行收集和處理，對特定信息采取分析的方法，節點之間通過互相協作和組織對網絡形成了構建，而節點之間的工作方式也采取了多跳中繼方式，并將所得到的特定數據傳給接收發送器，最后通過接收發送器的鏈路使節點覆蓋區域內的數據傳遞給控制中心進行處理。

3 低功耗技術在無線傳感器節點的設計策略

3.1 低功耗技術在通信模塊中的應用設計

因為在WSN節點的能耗中，無線通信模塊占據了主要部分，所以，對無線通信模塊的通耗管理至關重要。為達到通信模塊能耗的能量損耗減少，對其可以采取以下幾種應用設計方式，第一是對模塊中通信功能的流量進行適當減少，使模塊中的通信所產生的發送和接收所產生的比特數進行合理降低，減少通信模式的能量損耗，可以采取的方法有：對WSN節點所收集到的數據進行整理，并對有用的信息進行發送，無用的信息過濾出去，減少通信量；減少兩幀之間的沖突，避免能量浪費；對錯誤檢測和校正進行增加，避免數據包重傳，降低能耗；對控制包數量進行有效減少，縮減包頭長度，降低能量損耗；其二是增加通信模塊的休眠時間，使其減少不必要的能量消耗。其三是采用多跳短距離的無線通信方式，減少遠距離傳送引起的能量消耗。

3.2 低功耗技術在模塊中的處理核心的應用設計

WSN中的處理器模塊是整個無線傳感器的運行核心，直接影響到無線傳感器的通信和傳遞，以及功能協調等所有功能都是在處理器模塊的支持下來完成的。所以，低功耗技術在處理器模塊中的應用是重中之重。低功耗技術應滿足處理器模塊的能量損耗低，并且具備休息模式的轉換，近些年來已經研發出超低功耗的微型處理器，通過采用這些超低功耗的微處理器，能夠降低整個節點的能源消耗。另外，它還支持對模塊進行供電以及對模塊進行動態的頻率調節功能，有效節約了能耗。

4 低功耗技術在WSN各層次中的應用

4.1 低功耗技術在物理層中的應用

物理層決定著節點的體積、成本高低以及能量損耗，是整個WSN設計的關鍵所在，物理層具備相關的數據調制和收發功能，也是低功耗技術在物理層中運用的重點研究對象之一。物理層的終極設計目標是為了最大限度地減少能耗并獲得大量的鏈路容量，用以保證網絡的性能的平滑。由于物理層的相關問題需要從多個方面技術層面進行分析，例如編碼調制技術、通信頻段和通信速率等，所以比較復雜。而目前我國對于WSN中物理層面的相關協議研究成果還處于初級階段，其主要是從兩個方面進行深入研究，其一是硬件層面，現在WSN的節點存在體積難以做到壓縮，并且其成本投入巨大，功耗節約方面不突出等問題，而納米級組裝技術為WSN的研究提供了新的方向。其二是軟件方面，WSN的物理層特點和要求需要得到進一步滿足。

4.2 低功耗技術在數據鏈路層中的應用

數據鏈路層是將WSN節點與多媒體的方式進行可靠連接的通信鏈路，數據鏈路層是由MAC構成的。而MAC協議是整個傳感器網絡協議的基礎部分，對網絡性能影響較大。傳統的M AC協議競爭機制已不能滿足WSN的需求，由于MAC協議在WSN中產生沖突概率大、能量浪費高等缺點，所以WSN的MAC協議一般都是按預先規劃的機制對節點能量進行保護。而射頻模塊是節點當中耗能最大的，也是低功耗技術的主要優化目標，低功耗技術通過對MAC協議進行控制，從而達到對射頻模塊進行控制，使節點功耗大幅度降低。目前，在控制M AC協議降低射頻模塊能耗的主要方法有減少MAC數據流量、通過對MAC控制使射頻模塊的休息時間進行增長，并且避免M AC在WSN中引起的沖突。減少模塊中產生的數據流量是最根本的解決方式。從最近幾年看，低功耗技術目前是對數據鏈接層中所產生的數據進行融合來減少能耗，不過對于MAC層中的數據的相關融合方案還沒有較多研究，其技術還沒有成熟。最近幾年，低功耗技術主要是對射頻模塊中工作模式和休息模式的轉換進行深入研究，并力求解決數據鏈路層對于數據突然產生和中止的適應問題等方面。

4.3 低功耗技術在網絡層中的應用

網絡層的主要功能是發現路由并且維護路由的功能，它的主要設計目的是在于能源的有效利用，使網絡的使用壽命得到最長化體現。低功耗技術在網絡層中的應用可以從幾種角度著手，對網絡中產生的冗余的數據流進行充分壓縮，并利用多跳傳輸的方式實現數據包路由的轉發。

路由設計是以降低節點能量消耗為目標的，進而提升網絡的使用壽命。由于WSN路由協議的設計與傳統的Ad hoc網絡有所不同，Ad hoc協議已不能應用于WSN中，進而促使了WSN路由協議產生了許多新的適用方法，對WSN路由協議進行設計也已成為了研究熱點。WSN路由協議在某些情況下，節點可能需要進行移動，而新的路由算法不僅滿足了對移動節點的提供支持，也滿足了能源的有效性。

5 結語

目前，無線傳感器網絡越來越受到國際的重視，它是多種學科進行高度交叉的新興領域，無線傳感器網絡通過對周邊環境進行實時監測、感知和采集相關對象信息，并進行處理和傳輸到用戶終端，真正實現了計算無處不在的目標。而低功耗技術作為一種非常有潛力的技術，對WSN設計節能中起到了至關重要的作用，低功耗技術也將隨著WSN的發展而不斷完善。

[1]張大蹤，楊濤，魏東梅.一種低功耗無線傳感器網絡節點的設計[J].儀表技術與傳感器，2006（10）：23-27.

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[3]李坤明，楊光友，李軍.低功耗無線傳感器網絡終端節點的硬件設計與實現[J].湖北工業大學學報，2015（4）：18-22.

Research and design of low power technology in wireless sensor networks

Chai Tao
（Honeywell（China）Co., Ltd., Shanghai 201203, China）

W ireless sensor can monitor the object under a variety of circumstances, sense and gather information on the object.The goal of designing the w ireless sensor is through a low power technology to design the communication protocol of WSN system structure, network nodes and the various levels from multiple angles, so that it can solve some problems that currently needed to be solved in the design of w ireless sensor network .

low power; w ireless sensor; network; research and design

柴韜（1983— ），男，江蘇徐州，本科；研究方向：低功耗技術在無線傳感器網絡中的研究與設計。