陳維興 林家泉 孫毅剛

(中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院,天津 300300)

機(jī)場(chǎng)橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳維興 林家泉 孫毅剛

(中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院,天津 300300)

針對(duì)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,機(jī)場(chǎng)橋載設(shè)備運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)存在節(jié)點(diǎn)電池消耗過(guò)快及數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失等問(wèn)題,根據(jù)信道RSSI和電池間的關(guān)系特性,并結(jié)合系統(tǒng)工作環(huán)境,對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí),基于網(wǎng)絡(luò)超幀和GTS管理機(jī)制,提出了按數(shù)據(jù)分類管理的節(jié)點(diǎn)RF增益和休眠優(yōu)化方法。對(duì)優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)測(cè)試和OPNET仿真。結(jié)果表明,該方法能有效降低節(jié)點(diǎn)能耗,且對(duì)其他系統(tǒng)性能沒(méi)有產(chǎn)生負(fù)面影響。

物聯(lián)網(wǎng) GTS 機(jī)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)管 低能耗 RSSI OPNET

0 引言

2011年,民航局出臺(tái)《關(guān)于加快推進(jìn)節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》,根據(jù)工作部署并結(jié)合在首都、虹橋、白云等機(jī)場(chǎng)試點(diǎn)情況,2012年正式啟動(dòng)民航行業(yè)機(jī)場(chǎng)使用橋載設(shè)備替代飛機(jī)動(dòng)力輔助裝置(auxiliary power unit,APU)的推廣工作。由此可見(jiàn),在航班地面操作過(guò)程中使用橋載設(shè)備替代飛機(jī)APU是行業(yè)節(jié)能減排發(fā)展的必然方向。國(guó)內(nèi)曾發(fā)生過(guò)橋載電源燒毀飛機(jī)機(jī)載設(shè)備事件,造成巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。事故主要是由于橋載設(shè)備不能及時(shí)檢測(cè)隔離自身故障,或者對(duì)某些工況參數(shù)不能實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此,對(duì)橋載設(shè)備的健康情況數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)控是非常重要的。

本文研發(fā)的橋載設(shè)備運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)(bridge load-equipmentoperationsafetymonitoringsystem, BLOSMS)經(jīng)過(guò)華南某機(jī)場(chǎng)試用,可以滿足橋載設(shè)備健康數(shù)據(jù)采集處理、統(tǒng)計(jì)分析等要求,實(shí)現(xiàn)了橋載設(shè)備運(yùn)行的安全監(jiān)控[1]。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí),系統(tǒng)在試用過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題,主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)感知層節(jié)點(diǎn)的能耗方面。這是由于受使用環(huán)境的制約,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用電池供電,因此對(duì)電池電能的優(yōu)化管理具有非常重要的實(shí)際意義。本文分析了節(jié)點(diǎn)耗能加重的原因,并結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)提出了優(yōu)化節(jié)點(diǎn)能耗的方法。

1 BLOSMS節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題

BLOSMS在每個(gè)停機(jī)位(登機(jī)橋)的橋載設(shè)備上布設(shè)多個(gè)感知層節(jié)點(diǎn)(sensor node,SN),并在每個(gè)機(jī)位安裝1臺(tái)數(shù)據(jù)終端DE,構(gòu)成感知層;將全部機(jī)位DE連接到候機(jī)后內(nèi)服務(wù)器,構(gòu)成傳輸層;服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)和監(jiān)控管理軟件構(gòu)成應(yīng)用層。系統(tǒng)工作原理是:SN采集每個(gè)停機(jī)位橋載設(shè)備的健康數(shù)據(jù),SN輸出數(shù)據(jù)經(jīng)DE采集處理、本地存儲(chǔ),由停機(jī)位信息點(diǎn)(LAN接入點(diǎn))和候機(jī)樓內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器,再由服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋載設(shè)備運(yùn)行工況和故障的實(shí)時(shí)監(jiān)控,以及無(wú)紙化維護(hù)管理。

由于民航設(shè)備運(yùn)行環(huán)境大多較惡劣,安裝位置特殊且需多點(diǎn)監(jiān)控等,造成各類線纜的布設(shè)、改造和維護(hù)成本與難度較高,且相對(duì)于近機(jī)位,遠(yuǎn)機(jī)位甚至沒(méi)有登機(jī)橋而無(wú)法布設(shè)線纜,因此對(duì)BLOSMS采用了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。即SN通過(guò)2.4 GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至DE,DE再將這些數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器處理(GPRS可用于遠(yuǎn)機(jī)位和近機(jī)位)。BLOSMS結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,虛線箭頭表示電力連接,實(shí)線箭頭表示網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)線雙向箭頭表示無(wú)線連接。

圖1 BLOSMS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework of BLOSMS

物聯(lián)網(wǎng)尤其是感知層中的節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題是大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的難點(diǎn),本項(xiàng)目中這一問(wèn)題十分明顯。由于停機(jī)坪屬于高級(jí)管制區(qū)域,不允許過(guò)多地安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,且維護(hù)管理機(jī)坪大量節(jié)點(diǎn)也是不現(xiàn)實(shí)的,因此,有限的節(jié)點(diǎn)數(shù)量造成SN間以及SN和DE間的距離較遠(yuǎn),在此情況下節(jié)點(diǎn)硬件發(fā)射功率(PA)強(qiáng)度不足。SN或DE的接收信號(hào)衰減指數(shù)RSSI(可描述信道質(zhì)量LQI,從芯片寄存器讀取)可以反映PA和能耗的變化情況。維持高強(qiáng)度PA必然會(huì)加大能耗,使RSSI增大或者劇烈震蕩,信道質(zhì)量變差,從而引起數(shù)據(jù)誤碼率升高甚至丟失,引起網(wǎng)絡(luò)重傳,進(jìn)一步加重了電池負(fù)擔(dān)。即使在節(jié)點(diǎn)間正常通信情況下,隨著電池能量下降,也必然會(huì)導(dǎo)致SN的PA和LNA下降,進(jìn)一步影響節(jié)點(diǎn)LQI和RSSI。

利用Sniffer工具及分析軟件俘獲無(wú)線信號(hào)發(fā)現(xiàn):伴隨著系統(tǒng)使用,RSSI值出現(xiàn)0和255的頻次明顯增加(此處硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為當(dāng)節(jié)點(diǎn)判定LQI衰減程度很大或無(wú)法接收時(shí),將RSSI值隨機(jī)置為0或255)。而LQI和RSSI的衰減或不穩(wěn)定則反映到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)延遲和信道碰撞,從而導(dǎo)致吞吐量下降,數(shù)據(jù)丟失。由此可見(jiàn),當(dāng)電池能量衰減引起網(wǎng)絡(luò)延遲和碰撞時(shí),會(huì)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)的重傳機(jī)制,以保證重要數(shù)據(jù)的通信。這更加重了電池的負(fù)荷,從而開(kāi)啟了一個(gè)惡性循環(huán),導(dǎo)致此后電池能量急劇下降甚至失效。節(jié)點(diǎn)RSSI測(cè)試曲線如圖2所示,本文中將RSSI根據(jù)信道LQI轉(zhuǎn)換成0～255的數(shù)值,是一個(gè)無(wú)量綱值,信號(hào)測(cè)試距離保持7 m。

圖2 節(jié)點(diǎn)RSSI測(cè)試曲線Fig.2 RSSI test curve of the node

由上述分析可知,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能要解決的主要矛盾是如何獲取穩(wěn)定RSSI和LQI以完成網(wǎng)絡(luò)傳輸,而增大PA可以克服節(jié)點(diǎn)間距離帶來(lái)的影響,但是增大PA又意味著加大電池能耗的損失。因此,本文在優(yōu)化節(jié)點(diǎn)電池能耗的同時(shí)兼顧PA與電池功耗的平衡。

2 原節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和能耗關(guān)系

BLOSMS原有SN節(jié)點(diǎn)使用TI CC2430作為核心處理器,使用32 MHz晶振,將其RF差分引腳通過(guò)巴倫電路轉(zhuǎn)換為單端天線輸出。在SN節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程中, CC2430始終處于激活狀態(tài),正常工作電流為7 mA。除片內(nèi)RF模塊外,其他模塊如ADC、DMA等均未開(kāi)啟,故考慮RF模塊的耗電參數(shù)[2],即發(fā)送時(shí)24.7 mA,接收時(shí)27 mA,節(jié)點(diǎn)單次收發(fā)實(shí)時(shí)功耗值P按式(1)估計(jì)。

式中:RSSI_VAL為芯片本次收發(fā)實(shí)時(shí)RSSI值,為8位補(bǔ)碼;RSSI_OFFSET為經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償值,與CC2430的前端增益有關(guān),可編程設(shè)定。

根據(jù)式(1),可認(rèn)為節(jié)點(diǎn)RF模塊的功耗為:

式中:N為此時(shí)間前的RF模塊網(wǎng)絡(luò)收發(fā)次數(shù)。

由此可見(jiàn)RF節(jié)點(diǎn)頻繁地進(jìn)行收發(fā)必然會(huì)加速節(jié)點(diǎn)電池能量的下降。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距超過(guò)10～15 m時(shí)RSSI值不穩(wěn)定,且隨著距離的增加穩(wěn)定性變差,而當(dāng)BN收到RN的RSSI值中30%為0或者255,就會(huì)啟動(dòng)重傳流程。如式(2)所示,N的增大會(huì)直接導(dǎo)致W的增大。同時(shí),如對(duì)節(jié)點(diǎn)電池電量不加以控制,當(dāng)W增大到一定程度后,RSSI震蕩加劇導(dǎo)致重傳啟動(dòng)也會(huì)增大N,進(jìn)而引起W的加速增大,從而進(jìn)入一個(gè)惡性循環(huán),導(dǎo)致電池快速耗盡。

綜上所述,控制節(jié)點(diǎn)能耗的主要思路為:降低N、T和α(α表示芯片RF模塊功耗在整芯片功耗的所占比例),將RSSI_VAL維持在一個(gè)平穩(wěn)水平,并降低出現(xiàn)0或255的概率,以減少重傳次數(shù)。該方法在達(dá)到降低W目標(biāo)的同時(shí),可進(jìn)一步減少電池?fù)p耗重傳的次數(shù),最終實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電能的優(yōu)化。

3 優(yōu)化節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

考慮SN節(jié)點(diǎn)功耗主要來(lái)源于MCU,除RF模塊外,還有MCU其他模塊的影響因素:

因此,為盡可能降低功耗且考慮節(jié)點(diǎn)功能,其他耗電模塊如DMA、ADC基本處于禁止?fàn)顟B(tài),故節(jié)能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在RF模塊。

考慮解決節(jié)點(diǎn)RSSI不穩(wěn)定問(wèn)題,為CC2430增加了PA調(diào)節(jié)芯片,但這必將增大節(jié)點(diǎn)的功耗,因此繼而從分級(jí)控制RF增益和MCU休眠-工作切換角度降低節(jié)點(diǎn)電池功耗。

比較了兩種CC2430外圍擴(kuò)展PA的方案。開(kāi)發(fā)測(cè)試中發(fā)現(xiàn):UP2202屬通用PA器件,使用過(guò)多中間器件而不能與CC2430的無(wú)縫連接,會(huì)引進(jìn)雜波干擾、電流干擾等。同時(shí),在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)UP2202自身的附屬接地焊盤(pán)有時(shí)會(huì)有PA失效的情況發(fā)生。相比之下, CC2591集成了PA和LNA,擴(kuò)展了定位網(wǎng)絡(luò)范圍,此外還集成了開(kāi)關(guān)、RF匹配、電感器以及不平衡轉(zhuǎn)換器等,實(shí)現(xiàn)了與CC2430的無(wú)縫連接,提高了節(jié)點(diǎn)抗干擾能力,但成本較UP2202稍高。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖3所示,圖中引腳RF_N、RF_P、TXRX_SWITCH、RREG_OUT來(lái)自CC2430,無(wú)需任何中間器件。

由于CC2591集成了可調(diào)增益的LNA,因此可進(jìn)一步提高RSSI質(zhì)量,增大了節(jié)點(diǎn)間距,但需要對(duì)其功耗進(jìn)行進(jìn)一步控制。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimization of the hardware of network node

4 節(jié)點(diǎn)硬件能耗控制策略

CC2430的RF模塊是節(jié)點(diǎn)主要耗能硬件部分,因此合理優(yōu)化RF模塊工作時(shí)間和PA強(qiáng)度是降低節(jié)點(diǎn)能耗的最佳途徑。多次重發(fā)和RF模塊長(zhǎng)期工作都會(huì)引起電池能量快速下降,本文基于GTS管理思路設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)硬件能耗控制策略NECS。

4.1 節(jié)點(diǎn)MAC層GTS管理機(jī)制

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用IEEE 802.15.4協(xié)議,支持超幀結(jié)構(gòu)和GTS[3]。其中,BI為信標(biāo)間間隔;BO為信標(biāo)序數(shù);SD為超幀持續(xù)時(shí)間;SO為超幀序數(shù);CAP為競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)階段;GTS為保證時(shí)隙,構(gòu)成無(wú)競(jìng)爭(zhēng)階段CFP,一個(gè)GTS由多個(gè)slot組成;aBaseUint為超幀持續(xù)時(shí)間基本單位。

超幀將網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)時(shí)間分為活動(dòng)(ACT)時(shí)段和非活動(dòng)(INA)時(shí)段。在ACT時(shí)段,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù),而在INA時(shí)段,處于低功耗的睡眠模式[3]。以CC2430為例,芯片在發(fā)送狀態(tài)下?lián)p耗24.7 mA的電流,而休眠狀態(tài)下僅為296 μA[2]。利用INA特點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)休眠控制可有效降低節(jié)點(diǎn)能耗。

根據(jù)IEEE 802.15.4,對(duì)需要可靠、快速或大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn),且不能確保該節(jié)點(diǎn)在CAP內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,則該節(jié)點(diǎn)可向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器申請(qǐng)GTS時(shí)段的信道使用權(quán)限進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸(免競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制)。協(xié)調(diào)器會(huì)根據(jù)GTS申請(qǐng)數(shù)目、剩余時(shí)槽數(shù)目等網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前條件,向申請(qǐng)節(jié)點(diǎn)分配一定的GTS[3,5]信道資源?？衫肎TS的特點(diǎn)進(jìn)行重傳次數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整無(wú)CFP接入信道權(quán)節(jié)點(diǎn)的RF模塊增益,從而達(dá)到控制節(jié)點(diǎn)能耗的目的。

4.2 NECS策略設(shè)計(jì)

近年來(lái),一些文獻(xiàn)[5-7]對(duì)GTS管理做了理論研究,但結(jié)合節(jié)點(diǎn)硬件控制的方法并不多見(jiàn)。本文針對(duì)感知層節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)了NECS策略,按照節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)和重傳次數(shù)進(jìn)行GTS授權(quán)。BLOSMS各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)分為三類,如表1所示。

表1 BLOSMS采集的三類數(shù)據(jù)Tab.1 Three categories of data collected by BLOSMS

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大,容易發(fā)生碰撞時(shí),應(yīng)確保Ⅰ類數(shù)據(jù)具有最高的優(yōu)先級(jí)且盡量減少重傳。為了節(jié)省電能,Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)應(yīng)盡量避免多次重傳,可考慮暫時(shí)緩存,待網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷緩解后再傳輸。

IEEE 802.15.4中的GTS分配算法使用先來(lái)先服務(wù)(first come first service,FCFS)[7]。當(dāng)有多個(gè)設(shè)備請(qǐng)求GTS時(shí),因協(xié)調(diào)器在同一超幀內(nèi)最多分配7個(gè)GTS,部分節(jié)點(diǎn)將無(wú)法獲得GTS,因此NECS采用了優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的方法管理GTS分配。在當(dāng)前超幀CAP中沒(méi)有成功發(fā)送的或因碰撞需重傳的I類數(shù)據(jù)會(huì)被節(jié)點(diǎn)標(biāo)記,此外已多次重傳的Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)也被節(jié)點(diǎn)標(biāo)記,協(xié)調(diào)器根據(jù)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)GTS所附帶的信息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排隊(duì)。優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式如下。

式中:K根據(jù)上述節(jié)點(diǎn)標(biāo)記位取值,需重傳I類數(shù)據(jù)的K取值最大,需在CFP中傳輸?shù)腎類數(shù)據(jù)的K值次之,已多次重傳Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)的K值最小,已獲得過(guò)GTS服務(wù)的節(jié)點(diǎn)的K值為負(fù)數(shù);Q為節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的GTS寬度;α和β為相應(yīng)權(quán)值,若出現(xiàn)相同K值且GTS資源不夠時(shí),可進(jìn)行優(yōu)先級(jí)細(xì)分;P值越大的節(jié)點(diǎn)會(huì)得到GTS使用授權(quán),其可進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序,最終在協(xié)調(diào)器廣播Beacon中會(huì)發(fā)布獲得GTS的節(jié)點(diǎn)分布地址列表。

采取GTS優(yōu)先級(jí)隊(duì)列時(shí),協(xié)調(diào)器優(yōu)先給優(yōu)先級(jí)高即優(yōu)先級(jí)為1～7的節(jié)點(diǎn)分配GTS,而FCFS只可以按照節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求時(shí)序進(jìn)行GTS授權(quán)。這一過(guò)程可利用OPNET軟件[8]進(jìn)行仿真。

取得GTS授權(quán)的節(jié)點(diǎn)可以在下一個(gè)超幀的CFP傳輸數(shù)據(jù),避免了碰撞重傳的能耗,而沒(méi)有取得GTS授權(quán)的節(jié)點(diǎn)會(huì)降低自身RF模塊的增益以減少功耗。這可通過(guò)設(shè)置CC2591和CC2430芯片的相關(guān)寄存器的GAIN模式[9]來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)協(xié)調(diào)器廣播的超幀Beacon中的占空比分配[10-12],即BO和SO值,節(jié)點(diǎn)在CAP和CFP過(guò)后進(jìn)入INA階段,此時(shí)可利用CC2430的電源管理模式[2]進(jìn)入PM1或PM2,切換節(jié)點(diǎn)MCU晶振,從而有效減少電池能耗。具體方法是:在CC2430系統(tǒng)中建立兩個(gè)反向計(jì)數(shù)器,根據(jù)SO和BO-SO的值進(jìn)行計(jì)數(shù),從而控制MCU在工作模式和省電模式(晶振)間切換。

4.3 NECS的RSSI測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)仿真

利用Sniffer工具及分析軟件對(duì)利用NECS優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)探測(cè)和分析,節(jié)點(diǎn)RSSI的實(shí)測(cè)值如圖4所示。

圖4 NECS優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)RSSI測(cè)試曲線Fig.4 RSSI test curves of node after NECS optimization

對(duì)比圖2可見(jiàn),信道質(zhì)量明顯提高,說(shuō)明電池電能并沒(méi)有因?yàn)楣?jié)點(diǎn)添加CC2591芯片而嚴(yán)重下降(電能下降必會(huì)引起RSSI曲線發(fā)生震蕩)。

為了從網(wǎng)絡(luò)整體角度驗(yàn)證NECS的節(jié)點(diǎn)能耗優(yōu)化能力,本文利用OPNET對(duì)BLOSMS進(jìn)行了場(chǎng)景建立和NECS仿真。其中,節(jié)點(diǎn)層建模的屬性根據(jù)CC2430的芯片手冊(cè)[2]設(shè)置,場(chǎng)景層建模參數(shù)設(shè)置為:仿真起止時(shí)間2.0～1 500.0 s;10節(jié)點(diǎn)星型拓?fù)?分布半徑3～5 m;傳輸速率250 kbit/s;(SO,BO)=(2,8);以Exponent(1.0)分布產(chǎn)生數(shù)據(jù)包;MSDU容量為100 bits。

本文采用了OPNET14.5統(tǒng)計(jì)模型[8],分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)的能耗接入和退避時(shí)延/吞吐量等性能參數(shù)進(jìn)行NECS仿真,結(jié)果如圖5所示。

圖5 NECS的OPNET仿真結(jié)果Fig.5 OPNET Simulation Results of NECS

由圖5可以看出,針對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)特性O(shè)RG,網(wǎng)絡(luò)能耗得到較明顯的優(yōu)化,這和圖4所示實(shí)際測(cè)試結(jié)果是吻合的。能耗曲線并不是線性的,其微觀放大如圖6所示,這是由于OPNET離散采樣和統(tǒng)計(jì)模型的原因。

圖6 能耗曲線(微觀)Fig.6 Energy consumption curve(micro)

網(wǎng)絡(luò)在CAP的退時(shí)延避和在CSMA/CA的接入時(shí)延都比原有網(wǎng)絡(luò)ORG小,但差別并不是很大,原因是NECS對(duì)GTS管理計(jì)算需要一定的時(shí)間。本文采用CC2430的MAC定時(shí)器T2,單位slot長(zhǎng)約20 μs[2],調(diào)整slot可進(jìn)一步減小時(shí)延性能降低程度。

在吞吐量方面,NECS比ORG性能降低了約10%～13%,這是因?yàn)镹ECS為了節(jié)省能耗,部分節(jié)點(diǎn)將需重傳的Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)緩存在本地,沒(méi)有進(jìn)行GTS授權(quán)傳送,但由于這部分?jǐn)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性不高,因此并不影響B(tài)LOSMS的運(yùn)行效果。

綜上,NECS在利用CC2591確保信道質(zhì)量的基礎(chǔ)上,根據(jù)數(shù)據(jù)類型通過(guò)合理選擇進(jìn)行CFP傳送,從而對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類控制RF增益以及INA休眠,達(dá)到降低功耗的目的。可見(jiàn),NECS以部分吞吐量為代價(jià),實(shí)現(xiàn)了在提高能耗性能的同時(shí)不損失時(shí)延性能,數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和重要性決定該方案是可行的。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)橋載設(shè)備運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)(BLOSMS)在試用過(guò)程中出現(xiàn)的感知層節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題,提出了節(jié)點(diǎn)硬件能耗控制策略(NECS)。其主要思想是:利用PA芯片增強(qiáng)信道LQI,減少距離和重傳引發(fā)電池消耗惡性循環(huán)的發(fā)生;再進(jìn)一步利用GTS實(shí)現(xiàn)避免重傳和節(jié)點(diǎn)分類增益控制,同時(shí)通過(guò)休眠機(jī)制切換MCU晶振,最終降低MCU和PA芯片的節(jié)點(diǎn)硬件功耗。通過(guò)測(cè)試和OPNET仿真發(fā)現(xiàn),雖然看似增加PA會(huì)加大節(jié)點(diǎn)功耗,但由于重傳次數(shù)的減少、節(jié)點(diǎn)增益和休眠的控制、部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?一定程度降低吞吐量),節(jié)點(diǎn)能耗反而降低。

從信息論角度以及參考文獻(xiàn)[13]～[14]和仿真過(guò)程分析,能耗、吞吐量和時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化不能兼顧。因此,合理地選擇網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化角度和方法是十分重要的。經(jīng)驗(yàn)證,NECS可以有效降低節(jié)點(diǎn)能耗,尤其適用于節(jié)點(diǎn)間距離有一定要求的場(chǎng)合,同時(shí)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層的MAC優(yōu)化有一定參考價(jià)值。

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Optimal Design of the Monitoring Network Node of Airport Bridge and Ground-borne Equipment for Reducing Energy Consumption

Focusing on the problems of excessive node battery consumption which causes data loss or errors in the field tests of safety monitoring system for airport bridge and ground-borne equipment,the node hardware is designed optimally based on operation environment of the system and in accordance with the characteristic relationship between channel RSSI and battery.In addition,based on network superframe and GTS management mechanism;the optimal method for controlling RF gain and sleep policy of the node is proposed according to the data classification management.The optimized node is tested and OPNET simulation is conducted,the results show that this method effectively reduces energy consumption of the node,and the other performance of the system is not adversely affected.

Internet of things GTS Airport equipment supervisory Low power consumption RSSI OPNET

TP393

A

中國(guó)民航總局科技基金資助項(xiàng)目(編號(hào):MHRD0609);

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)中國(guó)民航大學(xué)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào): 3122013C015);

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)民航節(jié)能減排專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào): ZXH2012G005)。

修改稿收到日期:2014-01-26。

陳維興(1981-),男,2007年畢業(yè)于東北大學(xué)自動(dòng)化儀表專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要從事智能儀表技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。