周 堯, 韓江洪,2, 衛(wèi) 星,2, 魏振春,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安全關(guān)鍵工業(yè)測控技術(shù)教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

0 引 言

沙漠、森林、峽谷等大規(guī)模監(jiān)測場景下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點往往采用便攜式電源供電；當(dāng)電能耗盡時，如果不及時更換電源或給電池充電，傳感器節(jié)點就會失效。節(jié)點能耗是影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵因素之一，其評估方法具有重要的研究意義[1]。

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)上主要由供電單元、傳感器單元、微控制器單元和射頻單元組成[2]。國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列無線傳感器節(jié)點能量評估方法：文獻[3]提出了一種WBSN節(jié)點能耗模型，涵蓋了構(gòu)成節(jié)點的一般模塊，但參數(shù)較多且實際操作中難以確定；文獻[4]將Petri網(wǎng)引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量模型中，并與馬爾科夫模型進行了對比，最后在iMote2節(jié)點上進行了模型驗證，但該模型并未考慮到由模型生成的節(jié)點生存模式對能耗的影響。

在功耗狀態(tài)模型的基礎(chǔ)上,本文提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生存模式評估方法，并以典型的節(jié)點生存模式作為案例進行評估，最后在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點物理實驗平臺上進行了測試與驗證。

1 節(jié)點能耗與工作模式分析

1.1 節(jié)點能耗分析

如圖1所示的典型節(jié)點，其能耗分析如下：

1)傳感器單元：將用于感知各類物理信號的傳感器及其變送、調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路統(tǒng)一定義為傳感器單元，一般為低功耗數(shù)字傳感器，具有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信接口，其能耗由以下三部分組成

Esensor=Eact+Eslp+Esamp.

(1)

其中,Eact,Eslp和Esamp分別為傳感器處于工作狀態(tài)、休眠以及采樣產(chǎn)生的能耗，為方便測量式(1)可以寫為

(2)

圖1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

2)微控制器單元：通常具有活動狀態(tài)和低功耗狀態(tài)(實際中低功耗也存在多個等級，此處簡化)，則其能耗為

EμC=Erun+Elp+Etrans.

(3)

其中,Erun為活動狀態(tài)功耗，Elp為低功耗狀態(tài)功耗，Etrans為狀態(tài)切換能耗，可進一步寫為

(4)

3)射頻單元：射頻單元是無線傳感器節(jié)點無線通信接口，其能耗由以下4個部分組成

ERF=Est+Etx+Erx+Esd.

(5)

其中,Est,Etx,Erx和Esd分別為射頻單元處于啟動狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)以及關(guān)閉狀態(tài)時能耗。射頻單元處于發(fā)送和接收狀態(tài)時能耗與無線傳輸數(shù)據(jù)量(m字節(jié))有如下關(guān)系

Etx=[PLO+PPA]×ttx(m)=[PLO+PPA]×

8(OMAC+m)/r,

(6)

Erx=[PLO+PRX}×trx(m)=[PLO+PRX]×

8(OMAC+m)/r.

(7)

其中,PLO為無線單元中頻率合成器、壓控振蕩器等部件的功耗。PPA為功率放大器的功耗，PRX為在接收的過程中由低噪聲放大器、混合器和解調(diào)器等器件功耗。ttx(m),trx(m)分別為發(fā)送、接收m字節(jié)所需要的時間，OMAC為無線傳輸數(shù)據(jù)幀中前導(dǎo)碼、幀控制信息等開銷，r為無線波特率。

1.2 節(jié)點工作模式分析

在滿足系統(tǒng)功能需求的前提下，如圖2所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作過程一般由3個階段組成：空閑階段(sⅠ)、數(shù)據(jù)處理階段(sⅡ)、無線通信階段(sⅢ)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通用工作過程節(jié)點在沒有數(shù)據(jù)采集或者無線通信任務(wù)處于空閑階段，當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)采集任務(wù)時，節(jié)點進入數(shù)據(jù)處理階段，微控制器單元通過傳感器單元進行數(shù)據(jù)采集并處理，進而判斷是否需要無線發(fā)送，如果需要,則進入無線通信階段(sⅢ);否則,返回空閑階段(sⅠ)。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作過程

2 節(jié)點生存模式評估模型

根據(jù)前述分析可知，構(gòu)成節(jié)點的傳感器單元、微控制器單元以及射頻單元通常具有多種狀態(tài)，根據(jù)節(jié)點的工作過程，在滿足采集需求情況下盡量切換到低耗能狀態(tài)，從而降低節(jié)點的平均功耗。

設(shè)節(jié)點由K個功能單元(包括上述三大類)組成，其中功能單元l有Mi個狀態(tài)，那么,節(jié)點的功耗狀態(tài)數(shù)為

(8)

在實際中，很大部分功能單元狀態(tài)組合是不存在的，例如:當(dāng)微控制單元進入低功耗狀態(tài)時射頻單元不會處于發(fā)送(或接收)狀態(tài)[5]。由于受到嵌入式系統(tǒng)在計算資源、體積和電池容量的限制，K,Mi值較小。

設(shè)節(jié)點在ts時刻進入Si狀態(tài)，那么,其在Si狀態(tài)下能耗可以計算為

(9)

設(shè)節(jié)點在ttr時刻離開Si狀態(tài)，那么,其從狀態(tài)Si轉(zhuǎn)換到Sj狀態(tài)的能耗可以計算為

(10)

在一段時間內(nèi)節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的有向序列為[S1→S2→…→Sm]，那么，這段時間內(nèi)的能量消耗可表示為

(11)

圖3 基于功耗狀態(tài)機的節(jié)點功耗模型

將上述過程中產(chǎn)生的節(jié)點工作狀態(tài)有向序列定義為節(jié)點生存期間的工作模式，簡稱為生存模式。生存模式確定后可建立此生存模式下的節(jié)點功耗狀態(tài)模型，從而對節(jié)點能耗進行評估。至此，可以得到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生存模式評估方法：

1) 劃分節(jié)點的三類功能(傳感器、微控制器和射頻)單元，依據(jù)功能確定各單元的狀態(tài)集合；

2) 測量出各單元在不同狀態(tài)下的功耗和不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移時間與轉(zhuǎn)移功耗；

3) 將功能單元的狀態(tài)組合成節(jié)點的工作狀態(tài)集合S，依據(jù)式(1)～式(7)計算出節(jié)點功耗集合P與轉(zhuǎn)移時間集合T；

4) 建立節(jié)點功耗狀態(tài)模型公式,結(jié)合式(9)～式(11)計算出節(jié)點的狀態(tài)能耗、狀態(tài)轉(zhuǎn)移能耗以及整體能耗情況通過分析得到影響總能耗的重要因素，該因素需要在生存模式設(shè)計和節(jié)能優(yōu)化時重點考慮。

3 模型驗證

本節(jié)以實際廣泛使用的節(jié)點生存模式——基于查詢—休眠模式，建立功耗狀態(tài)機模型，然后借助振動檢測物理實驗平臺研究模型的有效性和正確性。

3.1 節(jié)點生存模式用例

基于查詢—休眠的生存模式中微控制器單元向傳感器單元發(fā)送啟動或者采樣后直接進入休眠，下一次喚醒周期到時進入下一操作。圖4建立了生存模式下的功耗狀態(tài)模型，圖中所示的節(jié)點工作狀態(tài)(S1～S10)定義如表1所示。

3.2 實驗環(huán)境與參數(shù)設(shè)定

本文使用振動檢測實驗平臺進行模型驗證與分析，節(jié)點使用CC2430芯片作為微控制器和射頻單元，傳感器單元則采用Freescale公司MMA8451Q三軸加速度傳感器芯片。

圖4 節(jié)點生存模式功耗狀態(tài)模型

表1 節(jié)點工作狀態(tài)

將數(shù)字電源調(diào)節(jié)至合適的供電電壓，通過測量采樣電阻器(10 Ω)兩端電壓即可得到實驗節(jié)點消耗的電流值，在已知供電電壓的情況下,可進一步計算出節(jié)點在一定時間內(nèi)的能耗。

分別對實驗節(jié)點中傳感器單元、微控制器單元以及射頻單元相關(guān)參數(shù)進行測量，參數(shù)表如表2所示。

表2 節(jié)點測量參數(shù)

將表2中相關(guān)參數(shù)分別帶入節(jié)點功耗模型中，可計算出基于查詢—休眠的生存模式下功耗集合P與轉(zhuǎn)移時間集合T(表中未列舉的狀態(tài)功耗與時間均為0)，如表3所示。

表3 節(jié)點功耗模型計算參數(shù)表

3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

根據(jù)文獻[4]提出的Petri網(wǎng)絡(luò)建模理論建立本實驗節(jié)點開放系統(tǒng)模型，假設(shè)任務(wù)間隔為0.1次/s，分別統(tǒng)計30 min內(nèi)在不同的低功耗閾值下Petri網(wǎng)模型能耗、功耗狀態(tài)模型能耗以及實測能耗，如圖5所示。從圖中可以看出：與Petri網(wǎng)模型相比，本文提出的功耗狀態(tài)模型與真實能耗更為接近。

根據(jù)表3計算出節(jié)點在各個時間內(nèi)能耗情況，并將其與節(jié)點實測能耗值進行統(tǒng)計對比，如圖6所示。由于受節(jié)點電路元件參數(shù)分布性和測量工具精度的影響，計算能耗與實測能耗存在一定誤差，誤差率基本維持在6 %以下。

將傳感器單元、微控制器單元以及射頻單元在各個時間內(nèi)能耗值進行統(tǒng)計，如圖7所示。由圖7得出結(jié)論：各個單元能耗同時取決于功耗與持續(xù)時間2個因素，功耗較大同時持續(xù)時間較長的狀態(tài)是此生存模式下較為耗能的狀態(tài)(如S5狀態(tài)，功耗15 mW，持續(xù)時間500 ms，能耗7 500 μJ，占總體能耗58 %)。

圖5 本文模型與Petri網(wǎng)模型計算能耗與實測能耗對比

圖6 節(jié)點在不同時間的能耗

圖7 各單元在不同時間的能耗

4 結(jié) 論

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗評估問題，本文提出一種節(jié)點生存模式評估方法，并在振動檢測實驗平臺上進行實驗分析驗證，本方法評估效果優(yōu)于Petri網(wǎng)絡(luò)模型，在各個狀態(tài)下與實際測量比較均能維持較低的誤差率，因此,該方法更適用于一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗評估,同時也為生存模式選擇與設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

參考文獻:

[1] Patel M,Wang J.Applications,challenges,and prospective in emerging body area networking technologies[J].Wireless Communications,IEEE,2010,17(1):80-88.

[2] Vicaire P,He T,Cao Q,et al.Achieving long-term surveillance in vigilnet[J].ACM Transactions on Sensor Networks(TOSN),2009,5(1): 9.

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[5] 劉 偉,羅 嶸,楊華中.一種新的無線傳感器節(jié)點的連續(xù)參數(shù)功耗模型[J].電子與信息學(xué)報,2010,32(8): 1968-1974.