嵌入式無線傳感器低功耗控制方法設計

曲鳴飛，王劉菲

北京電子科技職業學院 航空工程學院，北京 100176

0 引言

隨著科技的發展，無線傳感器網絡技術的應用在許多領域越來越廣泛[1]，各種各樣的無線傳感器也隨之產生。對嵌入式無線傳感器進行低功耗控制，不僅能延長傳感器節點壽命[2]，還能提高無線傳感器網絡的性能。在嵌入式無線傳感器系統中，內部功耗變化主要受傳感器節點的無線通信模塊和微處理器影響[3]。其中，無線通信模塊的功耗主要取決于傳輸速率、信號頻率和發射功率，而微處理器的功耗則取決于工作負載、時鐘頻率以及電流泄漏[4]。因此，為了降低整個傳感器的功耗，需要從以上這些方面入手，設計一種有效的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法。

事實上，硬件設計和配置是影響嵌入式無線傳感器功耗的重要因素之一。為了降低傳感器的功耗，需要選擇低功耗、低成本的元件和模塊，并進行優化設計。例如，選用具有低功耗特性的微處理器和無線通信模塊，采用適當的信號調理電路和傳感器接口，優化電路板布局和信號線設計等。不僅如此，信號調制和處理也是影響傳感器功耗的重要因素，可以采用低功耗的信號調制方式，如通過采用擴頻、跳頻、QPSK等調制方式來降低發射功耗。在信號處理方面，可以采用數字信號處理和嵌入式算法來降低處理功耗。例如，采用數字濾波和數據壓縮等技術來減少數據處理量和處理時間。相關研究人員針對無線傳感器低功耗控制特點設計了幾種常規的低功耗控制方法，包括星型拓撲結構無線傳感器的低功耗控制方法[5]、基于嵌入系統的無線傳感器低功耗控制方法[6]，以及考慮網絡周期性的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法[7]。但大多數控制方法易受鄰近節點遍歷作用影響，導致控制功耗較高。為了解決上述問題，本文設計了一種全新的無線傳感器低功耗控制方法。

1 嵌入式無線傳感器低功耗控制方法設計

1.1 分析嵌入式無線傳感器節點功耗

嵌入式無線傳感器工作過程中涉及較多網絡節點，不同節點的傳輸狀態不同，原始數據來源也不同。無線傳感器的具體數量及傳輸要求由相關的應用中心決定，因此，要想提高無線傳感器的控制效果，必須分析各個節點的傳輸功耗[8]。嵌入式無線傳感器的網絡節點主要由4 個部分組成，如圖1 所示。其中，微控制器模塊屬于中心模塊，與無線通信模塊和傳感器模塊相連，三者均需要電源模塊支持。

無線傳感器各個節點的控制能耗與選取的芯片有關[9]。無線通信模塊的控制能耗主要來自于睡眠、空閑、發送、接收4 個工作狀態，其中，發送狀態的控制能耗最高。

微控制器模塊的控制能耗與其內部的各個控制單元有關，其靜態CMOS 能耗計算式P如式（1）所示：

式中，f表示微控制器的時鐘頻率；v表示微控制器的電源電壓；c表示負載電容。根據上述能耗計算式可知[10]，降低微控制器的控制能耗需要利用自動調節法更新其工作狀態，降低功耗差。

傳感器模塊包含多個高精度模數轉換模塊，且不同應用的傳感器模塊控制功耗差距較大，因此，在低功耗控制的過程中，可以根據傳感器的數據讀取時間調整啟動電流，降低傳感器啟動功耗[11]。嵌入式無線傳感器的電源模塊主要采用電池供電，因此，電源轉換芯片的性能越好，其運行負載越小，啟動功耗越低。根據上述分析的嵌入式無線傳感器節點功耗產生來源及主要控制方向可以生成后續的低功耗控制通信協議。

1.2 生成嵌入式傳感器低功耗控制通信協議

在嵌入式傳感器工作過程中，各個節點具有較強的輪詢功能。輪詢也是無線傳感器網絡的重要運行過程，其主要通過節點匯聚或基站反饋進行綜合詢問，判斷不同傳感節點的運行狀態，接收各個傳感節點反饋的環境數據信息[12-13]。本文設計的無線傳感器低功耗控制方法根據節點的輪詢狀態生成了低功耗控制通信協議。首先，需要計算傳感器網絡的睡眠周期K，如式（2）所示：

式中，Hn表示無線傳感器的終端節點運行時間；Rn表示無線傳感器終端節點的睡眠時間。無線傳感器受睡眠周期變化影響存在隨機延長問題，此時的隨機延長時間Kmndom如式（3）所示：

式中，Rn-1表示路由節點的睡眠時間。無線傳感器的通信功耗與發送能量和接收能量呈正相關，基于此，可以構建無線傳感器通信能耗發送函數E(N)，如式（4）所示：

式中，Pstart、Tstart分別表示傳感器起始功率和延時時間；N表示發送比特數；R表示數據比特率；Pbs表示傳感器發送功率；α、β分別表示功率放大器首、末端損耗系數；Prevd表示接收功率；Pm表示信號衰減；dn表示功率放大效率。此時的無線傳感器通信能耗接收函數E(J)如式（5）所示：

式中，Edecbit表示比特譯碼能量。對上述的能耗函數進行整合，此時生成的低功耗控制函數Ecommunication如式（6）所示。

根據上述生成的低功耗控制函數可以確定不同控制節點的同步狀態，根據終端節點的實際運行模式調整無線傳感器的運行狀態。若此時存在控制需求，可以快速進行判斷，開啟有效的控制周期，使無線傳感器的信道滿足大量通信數據的傳輸需求，避免信道堵塞造成的無線傳感器運行功耗增加問題。本文設計的方法根據分組節點的唯一編碼原則設置了各個傳感節點的條數，此時生成的嵌入式無線傳感器低功耗控制通信協議如圖2 所示。

由圖2 可知，使用上述的低功耗控制通信協議可以快速建立傳感周期流程，滿足無線傳感器網絡的運行要求，并可以規范傳感器節點之間的通信方式和數據傳輸頻率，從而減少通信功耗。為進一步提升低功耗控制效果，基于生成嵌入式傳感器低功耗控制通信協議，設計無線傳感器智能低功耗控制放大器，從而確保放大器和傳感器節點能夠協同工作，降低無線傳感器控制功耗，實現最佳的低功耗控制效果。

1.3 設計無線傳感器智能低功耗控制放大器

為了提高無線傳感器節點的運行效率，降低無線傳感器控制功耗，本文對無線傳感器智能低功耗控制放大器進行了優化設計，選取最佳的偏置條件、外圍電路，確定有效的設計指標。本文使用諧波控制技術，確定了無線傳感器運行MSK 包絡信號。晶體管是低功耗控制放大器的核心部件，直接影響低功耗控制放大器的綜合性能。對比多個晶體管的主要性能及優劣，本文選取ATF501P8 作為低功耗控制放大器晶體管，該晶體管屬于PHEMT 類晶體管，使用1 mm 厚度的環氧玻璃壓板作為介質基板。無線傳感器智能低功耗控制放大器端口外圍電路如圖3 所示。

由圖3 可知，上述端口外圍電路可以快速改變無線傳感器的開路、短路狀態，避免三次諧波對無線傳感器控制造成的影響。除此之外，該端口外圍電路使用了TL10 終端短路微帶線，起到了良好的偏置作用。在控制過程中，需要始終保證對基波的開路狀態，最大程度上降低基波阻抗，提高嵌入式無線傳感器的低功耗控制效果。綜上，利用無線傳感器智能低功耗控制放大器，可根據傳感器的需求和操作條件動態調整放大器的增益和偏置，以實現不同條件下無線傳感器的低功耗控制。

2 實驗

為了驗證設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法的控制效果，本文配置了基礎實驗平臺，將其與文獻[6]、文獻[7]兩種嵌入式無線傳感器低功耗控制方法進行了對比實驗。

2.1 實驗準備

根據嵌入式無線傳感器低功耗控制要求，本文選取LAR Syste LAR Embedded Workbench 作為實驗平臺。該實驗平臺屬于CC2430 無線傳感器網絡開發平臺，利用C++語言進行了實驗編程，通過調試器進行開發輔助。除此之外，該實驗平臺的兼容性較強，能精準模擬嵌入式無線傳感器的傳輸狀態，模擬中斷等問題。在實驗開始前，需要安裝Workbench V7.20H 程序，利用Chipcon 進行編程操作，部分實驗編程界面如圖4所示。

由圖4 可知，待實驗編程完畢后，需要下載標準實驗界面，進行Debug 調整，再利用寄存器存儲基礎實驗數據。在實驗過程中，無線傳感器的串口可能會發生并行改變，影響最終的實驗結果。針對該問題，本實驗利用了串口調試助手進行了調試處理，利用CC2430 仿真器連接IAR 開發實驗環境，在線調試實驗參數。在實驗過程中，為了更簡單地獲取低功耗控制結果，本文使用ComTools2.0 優化了實驗界面。

本實驗主要使用短數據包通信機制進行通信，調整不同方法的工作模式，生成符合實驗要求的時隙表。在實驗數據傳輸階段，不同的實驗節點會統一進行調度，按照數據發送時序關系判斷無線傳感器各個節點的數據發送與節點休眠關系。若此時各個節點的狀態滿足實驗網絡更新要求，則可以生成有效的時隙調度表，反之需要報告當前的狀態，重新對實驗環境進行調整，實驗時隙表建立流程如圖5 所示。

由圖5 可知，按照上述的實驗時隙表建立流程可以預設8種不同的實驗條件，根據無線傳感器的常規傳輸狀態規劃實驗條件中的傳輸距離、傳輸速率、信號頻率、發射功率、數據格式等參數，作為后續實驗的基礎。

為了滿足不同實驗節點的均衡性關系，在實驗過程中，還需要額外設置SINK 節點進行實驗調節，按照控制功耗采集準確的實驗數據。除此之外，本實驗使用TDMA 技術作為實驗支持，利用時槽保障機制確定不同間隙無線傳感器的數據傳輸狀態，模擬時分復用。實驗過程中產生的時隙大小可以忽略，按照實驗預設的固定時槽進行分配即可。待上述的實驗準備完畢后，即可輸出后續的嵌入式無線傳感器低功耗控制實驗結果。

2.2 實驗結果與討論

根據上述實驗準備，即可進行嵌入式無線傳感器低功耗控制實驗。分別使用本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法、文獻[6]的基于嵌入系統的無線傳感器低功耗控制方法，以及文獻[7]的考慮網絡周期性的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法進行控制，記錄不同條件下3 種方法的控制功耗，實驗結果如表1 所示。

表1 實驗結果

由表1 可知，本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法在不同實驗條件下（傳輸距離、傳輸速率、信號頻率、發射功率、數據格式）的控制功耗較低，文獻[6]的基于嵌入系統的無線傳感器低功耗控制方法以及文獻[7]的考慮網絡周期性的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法在不同實驗條件下的控制功耗相對較高。上述實驗結果證明，本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法的控制效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

為進一步驗證本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法的效果，分別選擇能耗穩定性和自適應性為指標來分別對本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法、文獻[6]的基于嵌入系統的無線傳感器低功耗控制方法以及文獻[7]的考慮網絡周期性的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法進行測試。

針對能耗穩定性指標，通過用完成特定任務時所消耗的能量來衡量，將測試結果與設定標準消耗能量進行比對，來說明采用上述3 種方法進行無線傳感器低功耗控制時其能耗的穩定性。3 種方法的測試結果如圖6 所示。

由圖6 可知，本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法在完成特定任務時所消耗的能量基本符合設定標準消耗能量，其上下波動較小。而文獻[6]的基于嵌入系統的無線傳感器低功耗控制方法以及文獻[7]的考慮網絡周期性的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法在完成特定任務時所消耗的能量與設定標準消耗能量具有較大的差距，波動較大。對比上述3 種方法所得測試結果可知，本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法具有較好的能耗穩定性，控制效果較佳。

針對自適應性指標，用熵值來評估低功耗控制方法在不同數據收集頻率下自動調整能耗策略的能力。比較不同條件下熵值大小，較大的熵值表示更高的自適應性，說明方法在不同條件下具有更大的靈活性和適應能力。3 種方法的測試結果如圖7 所示。

由圖7 可知，本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法在不同數據收集頻率下均具有較高的熵值，其熵值結果在0.9 以上。而文獻[6]的基于嵌入系統的無線傳感器低功耗控制方法以及文獻[7]的考慮網絡周期性的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法在不同數據收集頻率下，其熵值變化較大，可維持在0.6 以上，但與本文設計的方法相比，其熵值仍較低。由此說明，本文設計的嵌入式無線傳感器低功耗控制方法自適應性更高，具有更高的靈活性和適應能力。

3 結束語

綜上所述，隨著科技的不斷進步，無線傳感器網絡越來越普及，被廣泛應用于環境監測、智能家居、智能城市、醫療健康等領域。無線傳感器網絡是由一組低功耗、微型、集成了無線通信模塊和傳感器節點組成的網絡，通過自組織的方式進行組網，以無線的方式將環境中的各種信息進行采集、傳輸和處理。嵌入式無線傳感器低功耗控制是無線傳感器網絡的重要研究方向之一。常規的無線傳感器低功耗控制方法無法實現精細化控制，易受外部因素影響，出現較高的控制干擾。因此，本文設計了一種全新的嵌入式傳感器低功耗控制方法。實驗結果表明，本文設計方法的控制效果較好，控制功耗較低，可滿足不同控制條件下的要求，具有可靠性，有一定的應用價值，為解決復雜條件下的無線網絡傳感問題作出了一定的貢獻。