無線傳感器網絡低功耗技術研究

秦立朋，劉偉民，鄭愛云

(華北理工大學，河北 唐山 063000)

0 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)由大量體積小、采用電池供電且具有通信功能的傳感器節點和功能強大的基站構成，被廣泛應用于國防軍事、環境監測、工業生產、生活娛樂和智慧農業等領域。由于無線傳感器網絡能量有限，當節點能量耗盡時可能會造成整個網絡癱瘓。為了最大化網絡的生命周期，必須高效地使用節點能量、降低網絡的能耗。本文針對網絡的能耗問題從節點的硬件設計和數據傳輸優化算法兩方面對其進行了討論。

1 無線傳感器網絡的組成架構

無線傳感器網絡體系架構如圖1所示，主要由數據采集、數據傳輸、云端數據存儲和分析及顯示端4部分組成。

圖1 無線傳感器網絡體系架構

傳感器節點作為系統數據的來源，是無線傳感器網絡中不可或缺的部分，它主要由傳感器模塊、數據處理與控制模塊、無線通信模塊和能量供應模塊4部分組成[1]，如圖2所示。傳感器模塊中的傳感器主要用于搜索、感知以及獲取信息，A/D模數轉換能夠將傳感器捕捉到的物理信息轉化為數字信息；數據處理與控制模塊對整個傳感器節點傳送過來的信息進行分析處理；無線通信模塊能夠實現與其傳感器節點的數據交互；能量供應模塊主要負責傳感器正常工作所需的電能。

2 WSN的低功耗技術

針對無線傳感器網絡低功耗技術，人們從低功耗電路設計和能耗優化算法入手，對節點能耗進行了針對性的研究。

2.1 硬件低能耗

從圖2中可以看出，節點的主要能耗來自對數據的分析處理和傳輸，所以節點硬件設計主要是針對微處理器模塊和通信模塊的設計選擇。馮進通等[2]設計了基于低功耗STC12LE5A60S2微控制芯片和低功耗通信模塊MC13213的二氧化碳濃度監測節點。王志秦[3]設計的低功耗無線傳感器網絡環境監測系統選用了超低功耗微控制器MSP430F5418A和低接收功耗的SX1212無線射頻模塊。曾閔等[4]針對無線傳感器網絡電池供電受限問題構建了基于ARM低功耗微處理器STM32F103芯片和SI4421射頻芯片的終端節點設計。這些設計中不僅采用了低功耗硬件而且還具有低功耗模式的轉換，進一步降低了節點的能耗。朱軍等[5]設計的基于SX1278的節點，利用基于LoRa的調制技術達到了遠距離通信、低功耗和抗干擾性強的目的。張力塬等[6]設計了NB-IOT自供電監測系統，該系統中傳感器節點以低功耗的CC2541為核心，搭配DC-DC穩壓技術穩定輸出電壓，從而達到降低能耗的目的。

通過對無線傳感器終端節點架構研究分析，可以將節點架構分為以下兩類:①微處理器模塊和射頻模塊各自獨立的架構；②采用了集成處理器和射頻模塊的SoC架構，適用于對體積要求小的場合。

2.2 軟件能耗

在低功耗硬件設計的基礎上，針對數據通信提出了各種各樣的低功耗算法，例如睡眠調度算法、分簇路由算法等。李哲等[7]的節點自適應休眠調度算法、ZhangJing等[8]的冗余性劃分構造算法以及盧為黨等[9]提出的時隙切換睡眠調度算法都是將傳感器節點分為睡眠和工作兩種狀態。分簇算法對數據的路由進行了優化，韓廣輝等[10]提出的LEACH-E算法優化了簇頭選取階段；魯道剛等[11]提出的非均勻分簇路由算法優化簇頭選取的同時解決了分簇不均的問題。Alami等[12]提出的MS-ROUTING-GI算法，在分簇的基礎上加入了移動節點以降低能耗。

通過對無線傳感器網絡分簇聚類算法的歸納，可以將聚類算法概述為分布式、集中式和混合式3類。分布式集群中不存在中央控制，但是所有的節點都參與到分簇過程中執行分布式算法，并合作選擇簇頭和形成簇；集中式算法中，基站負責構建集群和選擇相應的信道，因此它有完整的網絡信息，包括節點的位置、電池電量等；混合式算法是前兩種方法的結合，一般在一些節點資源豐富的情況下使用，由基站指定形成簇頭，而簇頭之間以分布式的方式形成集群協作工作。總的來說傳感器節點分簇使得傳感器網絡允許簇頭對數據進行處理，丟棄不必要的數據以及保留了通信帶寬，避免了冗余消息的交換。但是不論哪種方式，分簇聚類算法都降低了數據傳輸過程中的能耗。

3 展望

伴隨著無線傳感器網絡的發展，其逐漸變成了人們生活中不可或缺的一部分，被廣泛應用于生活中的各種場景。雖然無線傳感器網絡在不斷發展完善，但是在實際的使用過程中仍存在著各種各樣的問題，其中能耗問題最為嚴重。從整個網絡構成及其運行過程來看,節點的能耗主要有兩個研究方向:①傳感器節點的硬件結構設計，在選取低功耗模塊的同時要考慮其所需的處理能力；②低功耗優化算法的研究，睡眠調度算法的成本較大且數據傳輸具有一定的時延，而分簇算法是目前應用最廣泛且最有效的低功耗優化算法。分簇過程中實現的合適簇頭數量、最優的簇頭位置以及簇的創建，避免了網絡中出現能量消耗不均衡的現象，進而達到了延長網絡壽命的目的。

4 總結

在無線傳感器網絡中,傳感器節點的工作環境復雜且部署規模較大，節點能量有限且不易更換。因此,如何高效地利用節點能量,降低網絡能耗成為傳感器節點設計的重中之重。針對無線傳感器網絡中的能耗優化問題,本文從低功耗硬件設計和低功耗優化算法兩方面闡述了網絡的低功耗設計方法。系統硬件設計方面，分析介紹了傳感器節點的組成模塊以及各模塊的能耗占比，發現大部分傳感器節點主要針對高能耗占比的處理器模塊和無線通信模塊來設計。低功耗算法方面圍繞著如何降低節點能耗、延長網絡使用壽命展開，從節點睡眠調度和網絡分簇兩方面提出了不同的解決方法。總的來說，雖然目前關于節點能耗在硬件和軟件方面都有一定的研究成果，但是隨著技術和時代的發展，對無線傳感器網絡的能耗要求也越來越高，所以不論是低功耗硬件的設計還是低功耗算法的研究都需要更進一步的完善。