張 昱,曹 偉,邵世祥

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.上海無線通信研究中心，上海 201210)

低功耗無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的混合監(jiān)聽休眠方法

張 昱1,曹 偉2,邵世祥1

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.上海無線通信研究中心，上海 201210)

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的演化發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。例如現(xiàn)有的公共事業(yè)抄表系統(tǒng)、建設(shè)中的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)以及未來將實(shí)現(xiàn)的工業(yè)4.0中智能工廠監(jiān)控系統(tǒng)，都會利用大量的無線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集。這些數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)通常需要支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集兩種模式。通過采用這兩種模式的不同特點(diǎn)，即：喚醒時(shí)延的不同需求以及所能夠支持的不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，提出采用混合監(jiān)聽周期這一方法。該方法能夠支持實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集，與單一監(jiān)聽周期相比明顯降低了監(jiān)聽功耗，延長了傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，完全符合移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性需求。

混合監(jiān)聽周期；實(shí)時(shí)性；低功耗；無線傳感器

0 引 言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]的演化發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。如現(xiàn)有的公共事業(yè)抄表系統(tǒng)、建設(shè)中的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及未來將實(shí)現(xiàn)的工業(yè)4.0中智能工廠監(jiān)控系統(tǒng)，都會利用大量的無線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集。這些數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)[2]通常需要支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集兩種模式。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是功耗[3]，因?yàn)榇罅康闹悄苡?jì)量表中傳感器節(jié)點(diǎn)[4]都是采用電池供電，不可能經(jīng)常性地充電或者更換電池。因此這些傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用監(jiān)聽加休眠的工作模式以節(jié)省電力消耗。

為了降低傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗，同時(shí)保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性[5]，有必要對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間異步的監(jiān)聽休眠方法進(jìn)行研究。對于低功耗休眠機(jī)制的設(shè)計(jì)，已有文獻(xiàn)與技術(shù)中一般采用將額外的信息或者手段引入休眠機(jī)制的方法，用以減少節(jié)點(diǎn)功耗。例如，文獻(xiàn)[6]通過節(jié)點(diǎn)當(dāng)前不同工作狀態(tài)將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組，每組節(jié)點(diǎn)遵循時(shí)間同步的工作-休眠周期T，T被劃分為整體休眠時(shí)間Ts和整體工作時(shí)間Tw，提升了節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間的靈活性，實(shí)現(xiàn)簡單。文獻(xiàn)[7]提出了一種融合動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)的傳感器休眠機(jī)制，此方法相當(dāng)于引入了一種準(zhǔn)休眠狀態(tài)，其實(shí)施前提是傳感器節(jié)點(diǎn)能夠支持在低電壓下正常工作，因此對節(jié)點(diǎn)硬件有一定的要求。文獻(xiàn)[8-10]中分別針對不同的場景提出了不同的優(yōu)化方式，文獻(xiàn)[8]通過改進(jìn)元胞節(jié)點(diǎn)休眠轉(zhuǎn)換機(jī)制和信息素更新規(guī)則，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)路徑；文獻(xiàn)[9]提出了基于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的跨層通信協(xié)議棧設(shè)計(jì)方案，并將其應(yīng)用于奶牛場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，驗(yàn)證了該方案的可靠性；文獻(xiàn)[10]通過將天氣條件(太陽能、風(fēng)能)、環(huán)境溫度和節(jié)點(diǎn)深度納入休眠機(jī)制的設(shè)計(jì)，使得節(jié)點(diǎn)喚醒/休眠時(shí)間得以動(dòng)態(tài)調(diào)整，有助于降低能耗。

經(jīng)過大量檢索查新，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有成果中均未涉及支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集兩種模式下的傳感器節(jié)點(diǎn)混合監(jiān)聽休眠周期設(shè)計(jì)方法。因此，文中提出了一種時(shí)間異步的混合監(jiān)聽休眠周期設(shè)計(jì)方法，無需傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，能夠支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集模式下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，且相比單一監(jiān)聽模式明顯降低了能耗。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)下數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的背景

以現(xiàn)有的公共事業(yè)抄表系統(tǒng)為例，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集兩種模式的示意圖如圖1所示[11]。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能抄表系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集是指傳感器與采集器之間進(jìn)行通信，將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給采集器，然后通過集中器送至上位機(jī)。移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集是指智能計(jì)量表中的傳感器與手持機(jī)之間進(jìn)行通信，采集數(shù)據(jù)通過手持機(jī)發(fā)送給集中器，然后送至上位機(jī)。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)[12]通常采用監(jiān)聽加休眠的工作模式以節(jié)省電力消耗。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)被遠(yuǎn)程采集器或者近距離移動(dòng)端喚醒，常用的監(jiān)聽休眠方法包括時(shí)間同步[13]的監(jiān)聽休眠方法和時(shí)間異步[14]的監(jiān)聽休眠方法。時(shí)間同步的監(jiān)聽休眠方法利用了數(shù)據(jù)監(jiān)測采集任務(wù)的周期性特點(diǎn)，首先在所有傳感器節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程采集器/近距離移動(dòng)端之間進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間同步，然后在預(yù)設(shè)時(shí)段內(nèi)喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。此方法的主要缺點(diǎn)是采集時(shí)間上靈活性差，一旦失步即會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，且由于大批量數(shù)據(jù)的集中上報(bào)，容易產(chǎn)生干擾而引發(fā)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。時(shí)間異步的監(jiān)聽休眠方法則提供了更高的靈活性和可靠性，通過對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)喚醒以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后即時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)以得到系統(tǒng)實(shí)時(shí)確認(rèn)。此方法要求傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽休眠周期較短，能夠及時(shí)響應(yīng)遠(yuǎn)程采集器/近距離移動(dòng)端發(fā)出的喚醒消息。

為了降低傳感器節(jié)點(diǎn)能耗，同時(shí)保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，有必要對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間異步的監(jiān)聽休眠方法進(jìn)行研究。由于上位機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集兩種模式對傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)延和數(shù)據(jù)傳輸能力的需求有明顯差異，文中提出了一種混合監(jiān)聽休眠周期；對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和近距離移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集采用不同的數(shù)據(jù)傳輸速率：對于移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集采用較密集的喚醒周期，對于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集采用較稀疏的喚醒周期。一方面縮短傳感器無線收發(fā)時(shí)間以減少平均功耗，另一方面提高數(shù)據(jù)傳輸速率有助于增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的混合監(jiān)聽休眠方法

為了支持靈活可靠的數(shù)據(jù)采集，需要對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)喚醒，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集兩種模式對于傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)延和數(shù)據(jù)傳輸能力的需求有如下差異：

(1)時(shí)延需求：一般而言，通過采集器進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求相對較低，因?yàn)檫h(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集經(jīng)常是成批進(jìn)行的。而通過近距離移動(dòng)端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集則實(shí)時(shí)性要求很高，因?yàn)椴僮鲉T每次采集單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，需要得到及時(shí)反饋以提高人工效率。因此在這兩種模式下，對于傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒的時(shí)間要求是不一樣的，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的喚醒時(shí)延較大(分鐘級)，而移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集的喚醒時(shí)延較小(秒級)。因此對于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的喚醒監(jiān)聽可以較為稀疏，而對移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集的喚醒監(jiān)聽?wèi)?yīng)該更加密集。

民間非營利組織不屬于企業(yè)的范疇，也不屬于政府機(jī)構(gòu)，是一種公共服務(wù)組織，為公民提供服務(wù)，具有一定的公益性。民間非營利組織，從某些特定的角度來看，和國有非營利事業(yè)單位有一些相似之處，但是仍有許多不同之處。前者更具有民間性，同時(shí)非政府性也更加的突出。對于國有非營利事業(yè)單位來說，其資金來源與民間非營利組織是不同的，后者具備典型的民間性。第一，民間非營利組織不屬于政府部門，屬于一種社會組織，并且是獨(dú)立運(yùn)營管理的。第二，民間非營利組織在舉辦一系列活動(dòng)時(shí)，或在運(yùn)營發(fā)展過程中，都不依靠政府撥款，主要的經(jīng)濟(jì)來源是通過社會的捐贈，或者是提供服務(wù)來收取一些費(fèi)用等等。

(2)數(shù)據(jù)傳輸速率：在自由空間中，10倍的距離差對應(yīng)理論路損差為20dB，而在實(shí)際通信環(huán)境中，此路損差更大。超過20dB的路損差意味著可以支持的通信速率也有很大差別。一般而言，遠(yuǎn)程采集器和傳感器節(jié)點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)(幾十米)，只能采用相對較低的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。而采用移動(dòng)端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，離傳感器節(jié)點(diǎn)距離很近(約1～2米)，可以支持更高的速率進(jìn)行通信，以節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，使其盡早完成數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入休眠，從而降低功耗。

基于以上特點(diǎn)，文中提出了一種基于混合監(jiān)聽周期的傳感器節(jié)點(diǎn)休眠喚醒方法，在保證喚醒時(shí)延要求的前提下，明顯降低了傳感器節(jié)點(diǎn)功耗，有助于延長傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽休眠周期為：

T=Tw+Ts

(1)

其中，Tw為傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽的時(shí)長；Ts為傳感器節(jié)點(diǎn)休眠的時(shí)長。

為了喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)，采集器或近距離移動(dòng)端采用循環(huán)發(fā)送喚醒數(shù)據(jù)包-等待數(shù)據(jù)的方式，配合超時(shí)定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。收發(fā)端消息交互的時(shí)間關(guān)系如圖2所示。圖中描述了兩種情況，即傳感器節(jié)點(diǎn)收到喚醒和未收到喚醒。一般而言，監(jiān)聽時(shí)長Tw小于喚醒數(shù)據(jù)包時(shí)長，正確接收到喚醒數(shù)據(jù)包后可以繼續(xù)休眠到剩余喚醒數(shù)據(jù)包結(jié)束，然后發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 收發(fā)端消息交互時(shí)間關(guān)系

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)能夠支持的數(shù)據(jù)傳輸速率為{Ra,Rb}，其中，Ra為傳感器節(jié)點(diǎn)跟采集器之間的通信速率，Rb為傳感器節(jié)點(diǎn)跟近距離移動(dòng)端之間的通信速率，且有Rb>Ra。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒過程中交互數(shù)據(jù)量為M，則傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽采集器喚醒消息所需的監(jiān)聽時(shí)間為：

Tw,a=M/Ra

(2)

而傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽近距離移動(dòng)端喚醒消息所需的監(jiān)聽時(shí)間為：

Tw,b=M/Rb

(3)

考慮到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和近距離移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集的喚醒時(shí)延需求差異較大，提出一種混合監(jiān)聽周期，如圖3所示。

圖3 混合監(jiān)聽周期示意圖

在N個(gè)時(shí)長為T的監(jiān)聽休眠周期中提供一個(gè)時(shí)長為Tw,a的監(jiān)聽窗口，其余的均為時(shí)長為Tw,b的監(jiān)聽窗口。此時(shí)監(jiān)聽時(shí)長的占比為：

(4)

因此能夠有效地降低監(jiān)聽能耗。注意，在時(shí)長為Tw,a的監(jiān)聽窗口中，傳感器節(jié)點(diǎn)也能夠響應(yīng)來自于近距離移動(dòng)端的喚醒需求，從而完全保證了近距離移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性需求。

傳感器節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間與其平均功耗呈反比，而其平均功耗跟其平均工作電流呈正比。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)下電流為Is，在監(jiān)聽狀態(tài)下電流為Iw。在采用監(jiān)聽時(shí)長為Tw,a的單一監(jiān)聽周期設(shè)置下，傳感器節(jié)點(diǎn)在一個(gè)監(jiān)聽休眠周期T內(nèi)平均電流為：

(5)

而在文中所提出的混合監(jiān)聽周期設(shè)置下，傳感器節(jié)點(diǎn)在一個(gè)監(jiān)聽休眠周期T內(nèi)的平均電流為：

I2=

(6)

易知，I1>I2，即采用混合監(jiān)聽周期有助于降低傳感器節(jié)點(diǎn)的平均功耗，延長其電池工作時(shí)間。

3 性能仿真

由于si4464芯片能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，且具備超低電流省電模式，因此被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，其具體工作參數(shù)如表1所示。

表1 si4464芯片參數(shù)

以該芯片為例，分析文中提出的混合監(jiān)聽休眠方法的性能優(yōu)勢。

假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)喚醒過程中交互數(shù)據(jù)量M=200bits，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率為0.123kbps,移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps，混合周期中N=60。由式(2)、(3)得知，Tw,a=1.59s，Tw,b=1.91e-4s。

在不同的監(jiān)聽休眠周期下，采用單一監(jiān)聽周期和混合監(jiān)聽周期所需的平均電流對比如圖4所示。

圖4 不同監(jiān)聽休眠周期下平均電流對比圖

由圖4可見，混合監(jiān)聽周期所需的平均電流遠(yuǎn)低于單一監(jiān)聽周期。

從圖4中選出幾組不同周期下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表2所示。其中，I1,I2可由式(5)、(6)得到。

表2 不同監(jiān)聽休眠周期下平均電流對比表

顯然在監(jiān)聽休眠周期較小的時(shí)候，所提出的混合監(jiān)聽周期有更加明顯的低功耗優(yōu)勢。在典型取值2s的監(jiān)聽休眠周期下，單一監(jiān)聽周期和混合監(jiān)聽周期所對應(yīng)的平均電流差異達(dá)到59.03倍。可見文中所提出的方法更適用于移動(dòng)端要求數(shù)據(jù)采集響應(yīng)時(shí)間較短的情況，這與移動(dòng)端近距離數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場景需求完全契合。

文中以si4464芯片的使用為例，描述了該方法的原理和實(shí)施方式。但是在具體的無線傳感器系統(tǒng)應(yīng)用中，所提出的混合監(jiān)聽休眠方法的具體實(shí)施可以進(jìn)行相應(yīng)的變化，適用于所有含有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和近距離移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集兩種模式的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

文中混合監(jiān)聽方法通過采用混合監(jiān)聽周期，對于喚醒時(shí)延的需求差異和在不同路損下的數(shù)據(jù)傳輸速率差異，利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和近距離移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集兩種模式，有效地降低了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的監(jiān)聽功耗。在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)監(jiān)測采集系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛(例如工業(yè)4.0中智能工廠監(jiān)控、公共事業(yè)抄表和環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域)，能夠支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和近距離移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集兩種模式下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

該方法無需傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間同步，能夠支持采集器和近距離移動(dòng)端兩種模式對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，相比單一監(jiān)聽周期模式明顯降低了監(jiān)聽功耗，在近距離移動(dòng)端實(shí)時(shí)性要求較高的場景下功耗節(jié)省優(yōu)勢更加明顯。

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A Hybrid Monitor Sleep Method of Low-power Wireless Sensor Network Nodes

ZHANG Yu1,CAO Wei2,SHAO Shi-xiang1

(1.College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China; 2.Wireless Communication Research Center in Shanghai，Shanghai 201210,China)

With the evolution of the development of wireless sensor networks,its applications are increasingly widespread.For example，existing public utilities meter reading system,the construction of real-time monitoring systems and environmental future 4.0 intelligent industrial plant monitoring system will use a lot of wireless sensor for monitoring and data collection.These data acquisition systems often require monitoring to support remote data collection and mobile data collection.By using different characteristics of these two modes,which are waking the different needs of delays and supporting different data transfer rates,the hybrid method of listening period is proposed.This approach can support real-time data monitoring collection,and significantly reduce power consumption compared with a single listening period and extend the operating time of sensor nodes,in full compliance with the real-time requirements of data collection in close distance for the mobile terminal.

mixed SNIFF period;real-time;low-power;wireless sensor

2015-12-22

2016-04-13

時(shí)間：2016-09-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61171093)

張 昱(1991-)，女，碩士，研究方向?yàn)闊o線通信;曹 偉，博士，高級工程師，研究方向?yàn)镺FDM系統(tǒng)、物理層算法、無線傳感網(wǎng)等；邵世祥，碩士，教授，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與無線技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0839.012.html

TP393

A

1673-629X(2016)10-0196-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.043