李 秘， 花仕海， 李貴柯， 趙柏秦， 吳南健

(1.中國科學院 半導體研究所，北京 100083；2.無錫中科智聯(lián)科技研發(fā)中心有限公司，江蘇 無錫 214135)

0 引 言

無線傳感器網絡(WSNs)[1,2]是物聯(lián)網實現數據信息采集的一種末端網絡，由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的傳感器節(jié)點(sensor node)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點主要是依靠能量十分有限的電池供電，有限的能量限制了傳感器節(jié)點的有效工作時間，進而影響到整個WSNs的實際應用。所以,解決傳感器節(jié)點的能源問題并降低傳感器節(jié)點功耗成為WSNs的重要研究方向。目前，在解決WSNs傳感器節(jié)點的耗能問題方面研究較多，可主要分為硬件和軟件2種方式。硬件方式是采用外界能量供給的方式，主要是采用太陽能供電，只要外界供給的能量大于負載的功耗需求，就可保證傳感器節(jié)點長期穩(wěn)定工作，但這種方式無疑會增加不少硬件成本。軟件方式主要是優(yōu)化通信機制和路由算法[3]，以避免網絡堵塞或擁擠造成的能量浪費。然而單純的軟件或硬件解決辦法是有限的，而且,WSNs節(jié)點無法僅依靠某種優(yōu)化降耗的方法來達到節(jié)點長期正常工作的要求。

因此，傳感器節(jié)點一方面必須采取外界能量供應途徑，獲得源源不斷的外界能量；另一方面還要通過軟件的方式降低傳感器節(jié)點的功耗。這樣既可以盡可能地降低成本，又能保證傳感器節(jié)點長期穩(wěn)定工作。本文提出的休眠方法將以上2種方式有效地結合在一起，針對WSNs節(jié)點的能量消耗問題，采用太陽能充電管理模塊和電量檢測機制，并結合有效的智能休眠方法，實現了WSNs低功耗運行，保證傳感器節(jié)點的長期穩(wěn)定工作。

1 系統(tǒng)總體設計思路

本文提出的這種智能休眠方法，主要應用于基于TinyOS平臺的WSNs系統(tǒng)，此系統(tǒng)是一種基于WSNs的應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由大量傳感器節(jié)點組成的WSNs，收發(fā)基站和用于數據顯示與監(jiān)控的上位機三部分組成。其中傳感器節(jié)點和基站依托TI的CC2530—SoC芯片作為硬件平臺，以TinyOS實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，而上位機監(jiān)控軟件則使用無錫中科智聯(lián)公司開發(fā)的CasiStudio。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點周期性采集各種環(huán)境信息(如溫度、濕度、光照等)和傳感器節(jié)點電池電量，以一跳或多跳的自組織方式，通過2.4GHz的無線通道上傳給基站，基站通過RS—232有線鏈路主動上傳給PC。上位機監(jiān)控軟件CasiStudio實現對串口上傳的數據的實時解析和顯示。

圖1 WSNs應用系統(tǒng)示意圖

傳感器節(jié)點是本系統(tǒng)最重要組成部分之一，是智能休眠方法研究的主要對象。傳感器節(jié)點結構[4]示意圖如圖2。一般情況下，WSNs布網完成以后，所有的傳感器節(jié)點休眠周期長短已由燒寫的程序決定，并在工作期間保持不變[5]。這種情況會存在一個不可避免的問題：一旦傳感器節(jié)點電池電量不斷降低時，休眠周期不變，功耗依然很大，此時還沒有外界能量(太陽能)的供給(例如：晚上的時候)，必然會產生電池電量過低致使傳感器節(jié)點不能正常工作的結果。本文的設計思路是實時地檢測傳感器節(jié)點電池電量[6]，檢測到電量低到一個界限，延長傳感節(jié)點休眠時間，如休眠周期加倍，功耗就會降低將近50 %，這樣傳感器節(jié)點就有更多的時間等待外界能量的供給；外界能量開始供給，電池電量積累到一個界限時，傳感器節(jié)點自動恢復原來的休眠周期，從而提高傳感器節(jié)點的供電穩(wěn)定性。

圖2 WSNs節(jié)點結構示意圖

2 系統(tǒng)軟件設計方案

本系統(tǒng)軟件設計是基于TinyOS實時操作系統(tǒng)[7]，是專門針對WSNs中的低功耗低速網絡節(jié)點設計的嵌入式操作系統(tǒng)。TinyOS是一種適用于網絡化嵌入式系統(tǒng)的編程框架，通過這個框架將用戶設計的一些組件和操作系統(tǒng)的必要組件連接起來，就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統(tǒng)，這對硬件資源和能量資源極為有限的系統(tǒng)來說非常重要。

軟件設計主要實現的功能是電量檢測和基于電量檢測的休眠周期的修改。傳感器節(jié)點實現的功能是電量檢測并傳遞給基站，同時監(jiān)聽并接收基站的休眠周期指令，按照休眠指令具體執(zhí)行休眠周期；基站實現的功能是接收電池電量數據，并對電量界限進行判斷和發(fā)送給節(jié)點修改休眠周期的指令。

2.1 傳感器節(jié)點的軟件設計

1)電量檢測功能

TinyOS采用了組件的架構方式，一個完整的應用系統(tǒng)通過組合不同的組件來實現應用。電量檢測部分用到的組件有App組件、Main組件、SensorCollection組件、RF收發(fā)組件、傳感器驅動組件和Adc組件等，各個組件形成一層一層的調用關系。其中最底層的組件是傳感器驅動組件和Adc組件，傳感器驅動組件是正確讀取傳感器數據的基礎，本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點采用數字溫度濕度傳感器，以I2C協(xié)議通信，所以,需按照I2C協(xié)議的標準編寫驅動程序；電池電量是模擬量，所以，需要使用Adc組件設置采集的參考電壓、分辨率、AD端口(即CC2530的AD輸入口)。

傳感器節(jié)點的流程圖如圖3，具體電量采集過程如下：首先系統(tǒng)初始化各個組件，調用并使能傳感器驅動組件和Adc組件，周期地采集環(huán)境信息，溫度、濕度和電池電量，分別作為3組傳感器的數據，單一傳感器數據的長度為2 byte，經過RF組件送到2.4 GHz的發(fā)射天線，以電磁波的方式發(fā)給基站，整個過程完成了數據的采集與傳輸。

圖3 WSNs節(jié)點的流程圖

2)基于電量檢測的休眠周期的修改

節(jié)點執(zhí)行休眠周期修改的流程，具體過程如下：節(jié)點通過RF收發(fā)組件，監(jiān)聽并接收基站發(fā)送的廣播信息。此時節(jié)點會遇到2種情況:第一種情況是節(jié)點沒有收到廣播信息，則保持此時的休眠周期不變地運行。第二種情況是節(jié)點收到廣播信息，廣播的指令是加倍休眠周期，則休眠組件就會將休眠周期信息告訴給系統(tǒng)中的各個組件，以加倍的休眠周期運行；廣播的指令是恢復原來的休眠周期，則休眠組件同樣會通知系統(tǒng)中的各個組件，恢復原來的休眠周期。

2.2 基站的軟件設計

基站的軟件流程圖如圖4，軟件程序中每個傳感器節(jié)點分別設有自己的節(jié)點號和對應節(jié)點的標志位，使用節(jié)點號目的是區(qū)分不同的節(jié)點，對應節(jié)點的標志位可以表示該節(jié)點的休眠周期是否已被修改。工作流程如下：基站接收節(jié)點發(fā)送的數據包，首先通過節(jié)點的標志位來判斷節(jié)點的休眠周期是否被修改過，沒有修改過(即對應的節(jié)點標志位等于0)，則尋找傳感器數據包中表示電量的數據，判斷電量的大小，一旦電量小于50 %，則對該單一節(jié)點以廣播的形式發(fā)送加倍休眠周期的指令，同時將該節(jié)點的標志位置1，否則,直接進入下一周期的循環(huán)；如果休眠周期已被修改過(即對應的節(jié)點標志位等于1)，同樣判斷電量的大小，電池積累的電量大于50%時，就以廣播的形式對該節(jié)點發(fā)送恢復原來休眠周期的指令，否則,進入下一周期的循環(huán)?；究偸茄h(huán)反復的執(zhí)行著上面的過程。

圖4 基站的軟件流程圖

傳感節(jié)點和基站有效的“配合”，可實現傳感器節(jié)點“以需求為導向”地調整休眠周期，達到智能休眠的效果。

3 測試過程與結果分析

1)測試設備：2個傳感器節(jié)點，1個基站和接收數據的上位機。

2)測試條件：2014年1月7日，江蘇無錫，陰雨天。

3)測試過程：本實驗將基站的節(jié)點號定義為1#，2個節(jié)點的節(jié)點號分別定義為2#和3#。2個傳感器節(jié)點初始(默認)休眠周期為1 h，電池電量的界限設在50 %，加倍的休眠周期為2 h。

4)測試內容：觀察傳感器節(jié)點的休眠周期是否會隨著電池電量的改變而有規(guī)律的調整：當電池電量低于50 %，休眠周期是否會加倍；當電池電量高于50 %,是否會恢復原來的休眠周期。還需驗證是否只針對電量低于50 %的節(jié)點修改休眠周期和節(jié)點之間的休眠周期是否會產生相互影響。

5)測試結果：基于CasiStudio上位機接收的實驗數據，可得2#節(jié)點和3#節(jié)點的數據(包括溫度、濕度和電池電量)變化曲線，如圖5所示。具體分析如下：2個節(jié)點在04∶48∶16之前的4組數據的時間間隔是1 h，即休眠周期都是1 h，此時是夜晚，無太陽能供電，2個節(jié)點的電池電量逐漸降低。04∶48∶16時，3#節(jié)點的電量下降到47 %，低于50 %，從圖5(b)可知,3#節(jié)點的休眠周期自動置為2 h，期間2#節(jié)點的電量一直在50 %之上，所以,休眠周期修仍為1 h；白天，太陽能供電給節(jié)點，12∶42∶04時，3#節(jié)點的電量積累到53 %，高于50 %，3#節(jié)點恢復原來的休眠周期1 h。測試結果顯示：傳感器節(jié)點的休眠周期會隨著其電池電量的改變而有規(guī)律的變化，傳感器節(jié)點基于電量檢測的自動調整休眠周期的功能也基本實現。

圖5 2#和3#節(jié)點的數據變化曲線

4 結 論

本文設計了一種基于傳感器節(jié)點電量檢測的WSNs智能休眠方法，成功地應用在CC2530的硬件平臺和TinyOS實時操作系統(tǒng)的軟件平臺。整個系統(tǒng)實現了傳感器節(jié)點基于電池電量自動調整傳感器節(jié)點休眠周期的功能，達到了“智能”地降低傳感器節(jié)點的功耗，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此休眠方法可廣泛的應用于基于TinyOS平臺的WSNs，達到系統(tǒng)功耗與外界能量(太陽能和鋰電池)供給的較好匹配，基本實現智能化管理WSNs傳感器節(jié)點電池電量的目的。

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