無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)

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1、無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)的小體積和低功耗要求，分別對(duì)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層、MAC層以及網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了分析和研究，總結(jié)了一套低功耗的設(shè)計(jì)理念，最后給出了未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的低能耗設(shè)計(jì)方法。？關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；低功耗設(shè)計(jì)；能耗分析？中圖分類(lèi)號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302(2011)10-0082-03??Low-powerDesignofWirelessSensorNetworkNode?ZHANGXiao-hui,GAOHao,WA

2、NGHai?(CollegeofInformationEngineeringofCDUT,KeyLabofEarthExploration&InformationTechnologyofMinistryofEducation,Chengdu610059,China)??Abstract：Forthesmallsizeandlowpowerofwirelesssensornetwork,thephysicallayer,MAClayerandnetworklayeroftheentirewirelesssenso

3、rnetworkareanalyzed.Simultaneously,asetoflow-powerdesignissummarized.Finally,howtoreducenodeenergyconsumptionofalargenumberofdatainwirelesssensornetworkinthefutureisproposed.?Keywords：wirelesssensornetwork;networknode;low-powerdesign;energyanalysis??0引言？無(wú)線傳感

4、器網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)信息技術(shù)研究的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，它融合了傳感器、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)與信息處理、通信等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，可通過(guò)無(wú)線通信方式形成一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注、涉及多學(xué)科、高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿研究領(lǐng)域。作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越受到國(guó)外學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注，其在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的技術(shù)之一。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低能耗、低成本、易于

5、實(shí)現(xiàn)、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。而且由于其本身的冗余性、無(wú)線性、網(wǎng)絡(luò)的自組織性，因而具有較強(qiáng)的抗破壞能力［1］。？1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介？通常情況下，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電。供電布設(shè)完畢后，電池一般難以充電或進(jìn)行更換。同時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求的工作時(shí)間較長(zhǎng)，通常是幾年甚至幾十年，因此，提高能量效率以延長(zhǎng)工作時(shí)間已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的設(shè)計(jì)原則之一。為了提高無(wú)線傳感器的能量效率，必須設(shè)計(jì)出一套從硬件到軟件的、完整的節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)方案。？圖1所示是一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。？由圖可見(jiàn)，一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由分布在監(jiān)

6、控區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)、匯集節(jié)點(diǎn)、Internet或通信衛(wèi)星、用戶(hù)監(jiān)控終端組成。傳感器節(jié)點(diǎn)散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以采集外界數(shù)據(jù)，并通過(guò)“多跳自組織”方式傳送匯集節(jié)點(diǎn)，匯集節(jié)點(diǎn)一方面通過(guò)自身的無(wú)線收發(fā)單元接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并上傳到Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信終端，另一方面，可接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星終端的命令并傳達(dá)給傳感器節(jié)點(diǎn)。用戶(hù)監(jiān)控終端可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星獲取傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的信息，從而達(dá)到對(duì)布網(wǎng)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控。？2WSN硬件及物理層的低功耗設(shè)計(jì)？無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、

7、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊和電源管理單元等等四部分［2］。其中數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換單元組成，傳感器將外界異動(dòng)信息（如溫度、濕度等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊則通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)作適當(dāng)?shù)奶幚砼c存儲(chǔ)，然后將信息通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送給其他傳感器節(jié)點(diǎn)或匯集節(jié)點(diǎn)。電源管理單元負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的電壓給其它各模塊。具體的節(jié)點(diǎn)組成如圖2所示。？數(shù)據(jù)采集模塊的能耗主要由傳感器的特性決定，傳感器的種類(lèi)很多，可以檢測(cè)溫/濕度、光照、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)、加速度等物理量，不同種類(lèi)

8、的傳感器及其不同性能要求會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)采集模塊能耗的較大差異。例如溫/濕度傳感器STHxx系列能支持低功耗模式，采集完數(shù)據(jù)后可自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，其電流小于1UA，加速度傳感器ADX210可以測(cè)量雙軸向加速度，能耗低于0.6mA，單電源供電范圍為3?5.25V，而圖像傳感器CIS-VF10則功率較高，通常可以達(dá)到100mW。？數(shù)據(jù)處理能耗主要來(lái)自于處理器和存儲(chǔ)器兩部分。以低端微控制器為代表的