陳嘉峰，劉財興，尹　令，曹　維

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州510642）

一種無線姿態(tài)傳感節(jié)點的能耗優(yōu)化研究*

陳嘉峰，劉財興*，尹令，曹維

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州510642）

降低姿態(tài)監(jiān)測傳感節(jié)點能耗，延長其服務(wù)期限是工程應(yīng)用中的關(guān)鍵點之一。設(shè)計緩沖采樣方式，以增大傳感節(jié)點處在休眠狀態(tài)的時間比重；針對通信中空閑監(jiān)聽帶來的能耗損失問題，采用低頻喚醒芯片實現(xiàn)間接監(jiān)聽方式以減低連續(xù)監(jiān)聽的能耗。采用“緩沖采樣+間接監(jiān)聽”的解決方案，本文設(shè)計了一種用于監(jiān)測姿態(tài)信息的超低能耗無線傳感節(jié)點。理論分析證明連續(xù)采樣的能耗是緩沖采樣的115.62倍。實驗表明，參照三種采樣方式和兩種監(jiān)聽方式的六組對照組合，傳感節(jié)點在最優(yōu)組合下的能耗僅是最劣組合下的0.42%，節(jié)省99.58%的能量，延長238倍的預(yù)計工作壽命。一個配有一節(jié)2/3AA型1.65 Ah容量鋰原電池的傳感節(jié)點預(yù)測能夠提供3.58年的連續(xù)監(jiān)測服務(wù)，為畜牧業(yè)信息化提供應(yīng)用實踐借鑒。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；能耗優(yōu)化；間接監(jiān)聽；緩沖采樣；低頻喚醒芯片

EEACC：7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.017

加速度傳感器作為行為識別監(jiān)測技術(shù)之一已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于人和動物健康管理。利用加速度傳感器的姿態(tài)識別技術(shù)，可以及早發(fā)現(xiàn)和處理跌倒這類稀疏突發(fā)事件［1］。在戰(zhàn)場中，士兵動作識別對指揮人員戰(zhàn)斗部署和士兵救護(hù)具有十分重要的意義［2］。在集約化養(yǎng)殖業(yè)中，通過傳感節(jié)點收集奶牛的行為數(shù)據(jù)，有利于識別奶牛的發(fā)情和病情等稀疏異常行為，提高養(yǎng)殖業(yè)的收益［3-5］。

目前行為識別是學(xué)者研究熱點之一，主要通過新技術(shù)云計算［6］、改進(jìn)算法隨機(jī)森林［7］、或者新算法自適應(yīng)殘差補(bǔ)償［8］的方法來提高識別率。然而行為識別基于大時間跨度的采樣監(jiān)測數(shù)據(jù)，這使得延長無線傳感節(jié)點的服務(wù)壽命成為實際應(yīng)用的關(guān)鍵點。而在實際工程應(yīng)用，尤其在畜牧業(yè)生產(chǎn)中，難以實現(xiàn)電池的再次充電和更換［9-10］，因此降低能量消耗是延長服務(wù)壽命至關(guān)重要的路徑［11］。當(dāng)前流行用占空比的方式，即通過調(diào)節(jié)不同睡眠周期參數(shù)，降低功耗［12］。但這并沒有改變其主動監(jiān)聽的性質(zhì)，仍不可避免地需要直接使用高功率的射頻通信芯片。本論文主要研究內(nèi)容是傳感節(jié)點在正常工作的約束下，減少額外的能量泄漏，提高能量效率，從而延長其乃至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作生命周期。

1　應(yīng)用場景描述

姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用場景［5］由三部分組成，分別是傳感節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點和監(jiān)測服務(wù)器。傳感節(jié)點由能量有限的電池供電，被佩戴或綁定在監(jiān)測目標(biāo)上，被動地在活動空間內(nèi)移動。網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點由有線電纜供電，部署在監(jiān)測目標(biāo)的必經(jīng)路線中，其周圍覆蓋特定低頻段射頻信號。監(jiān)測服務(wù)器由有線電纜供電，部署在監(jiān)控室內(nèi)。應(yīng)用場景內(nèi)使用有線鏈路連接監(jiān)測服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點，同時網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點和傳感節(jié)點通過無線鏈路連接。應(yīng)用場景描述如圖1所示。

圖1　姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用場景描述圖

傳感節(jié)點根據(jù)應(yīng)用場景的需求，周期性采集監(jiān)測目標(biāo)的姿態(tài)信息。在事件稀疏的應(yīng)用場景中，傳感節(jié)點允許本地緩沖并計算壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)而降低數(shù)據(jù)通信頻率和時長［13-14］。節(jié)點依附在奶牛身上，隨其自主移動，帶來強(qiáng)烈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，所以節(jié)點分布是稀疏的。另外奶牛大部分時間是正常健康狀態(tài)，而需要監(jiān)測的發(fā)情和發(fā)病則屬于突發(fā)事件，所以監(jiān)測事件是稀疏的［5］。傳感節(jié)點到達(dá)網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點的無線通信范圍內(nèi)，判斷自身的數(shù)據(jù)容量，發(fā)起數(shù)據(jù)通信請求。收到應(yīng)答請求后，傳感節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上傳本地緩沖的數(shù)據(jù)并接收服務(wù)器端的配置指令。網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點通過有線網(wǎng)絡(luò)將收到的傳感節(jié)點姿態(tài)數(shù)據(jù)匯聚到監(jiān)測服務(wù)器并轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測服務(wù)器對傳感節(jié)點的配置指令。監(jiān)測服務(wù)器在收到網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點發(fā)送的匯聚數(shù)據(jù)后，保存數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和生成報表。

如上所述只有傳感節(jié)點使用能量有限的電池供電，其必定成為優(yōu)化能量消耗的研究對象。傳感節(jié)點進(jìn)行兩項工作：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信。傳感節(jié)點完成采樣、融合和壓縮數(shù)據(jù)任務(wù)后，在等待下一個采樣周期到來前保持CPU空轉(zhuǎn)，這里稱之為空閑等待?？臻e等待是數(shù)據(jù)采集工作中不必要的能量消耗環(huán)節(jié)。傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)處理頻率越高，或者采樣頻率越低，那么空閑等待占據(jù)采樣周期的比例將越大，從而消耗更大的能量。

傳感節(jié)點必須在網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點的數(shù)據(jù)通信范圍內(nèi)才能交互信息。即傳感節(jié)點需要持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信號判斷自身是否在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，避免盲目發(fā)起連接請求所造成的無線信號串音和能量浪費。直接監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信號需要17.3 mA電流［15］，而數(shù)據(jù)通信需要21.2 mA電流［15］，它們都需要消耗巨大的能量［16］。本論文將傳感節(jié)點中沒有引導(dǎo)產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信的大量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽工作稱為無效監(jiān)聽?？梢?，無效監(jiān)聽是數(shù)據(jù)通信工作中需要優(yōu)化改良的能量消耗環(huán)節(jié)。

2　理論分析

本論文優(yōu)化數(shù)據(jù)采集流程和通信監(jiān)聽流程，提高傳感節(jié)點的能量效率。采集數(shù)據(jù)流程中，將連續(xù)采樣的工作方式改進(jìn)成緩沖采樣的工作方式，減少空閑等待。無線通信監(jiān)聽流程中，則用間接監(jiān)聽工作方式代替直接監(jiān)聽工作方式，減少無效監(jiān)聽。

2.1優(yōu)化數(shù)據(jù)采集流程

不同應(yīng)用場景依據(jù)其特點和需求設(shè)置合適的采樣周期，每個采樣周期內(nèi)傳感節(jié)點進(jìn)行一次采樣、融合和壓縮數(shù)據(jù)工作，等待下次采樣周期的到來，如此重復(fù)。連續(xù)采樣方式是指等待下次采樣周期的期間，傳感節(jié)點微控制器的CPU在活躍狀態(tài)中保持空轉(zhuǎn)。而在間歇采樣方式中，兩次處理數(shù)據(jù)之間，CPU進(jìn)入休眠狀態(tài)，可以減少不必要的能量消耗。因此，間歇采樣比連續(xù)采樣高能效。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，傳感節(jié)點的微控制器（MSP430FR5739［17］）擁有兩種狀態(tài)：活躍狀態(tài)和休眠狀態(tài)，并且能夠安全快速地切換兩種狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，微控制器停止CPU工作，能量消耗是微安級別。在活躍狀態(tài)下，微控制器能夠進(jìn)行采樣和計算工作，能量消耗為毫安級別，是休眠狀態(tài)下的300倍［17］。微控制器在活躍狀態(tài)下進(jìn)行空閑等待，而休眠等待則處在休眠狀態(tài)中進(jìn)行。

以微控制器CPU主頻Fcpu=24 MHz，采樣頻率Fsample=10 Hz的應(yīng)用場景為例分析。微控制器處理單條采樣數(shù)據(jù)的時長需等效執(zhí)行Nsingle=12 000條CPU指令，微控制器與加速度傳感器做片間總線準(zhǔn)備工作的時長則需等效執(zhí)行Nprepare=24 000條CPU指令。那么微控制器在間歇采樣下處理N=30條數(shù)據(jù)的活躍狀態(tài)用時為：

即

而在緩沖Nbuffer=N=30條采樣數(shù)據(jù)情況下，微控制器的活躍狀態(tài)用時：

即

微控制器活躍狀態(tài)下消耗的電流Iactive是休眠狀態(tài)Isleep下的300［17］倍，即

在同一供電電壓U=3.6 V下，微控制器消耗的能量為：

即

連續(xù)采樣下消耗的能量：

間歇采樣下消耗的能量：

緩沖采樣下消耗的能量：

故連續(xù)采樣、間歇采樣和緩沖采樣的消耗能量之比是：

即

可見，連續(xù)采樣方式比其他兩種方式消耗更多能量是由不必要的空閑等待造成的。

本論文提出緩沖采樣方式優(yōu)化采集數(shù)據(jù)流程，減少空閑等待的時間，進(jìn)而節(jié)省能量。傳感節(jié)點內(nèi)部嵌入的加速度傳感器（LIS3DH［18］）可以獨立采樣并緩沖數(shù)據(jù)，避免微控制器頻繁切換狀態(tài)。緩沖采樣指，加速度傳感器獨立采樣并緩沖數(shù)據(jù)，微控制器在緩沖數(shù)據(jù)飽和后喚醒CPU，通過片間總線SPI讀取緩沖數(shù)據(jù)，計算并壓縮數(shù)據(jù)，而其他時間處在休眠狀態(tài)。所以，緩沖采樣在間歇采樣的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，降低處理器切換狀態(tài)的頻率，減少平均片間總線準(zhǔn)備時間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，適用于高頻采樣數(shù)據(jù)。連續(xù)、間歇和緩沖采樣方式的時序?qū)Ρ热鐖D2所示。

圖2　連續(xù)、間歇和緩沖采樣的時序?qū)Ρ葓D

2.2優(yōu)化通信監(jiān)聽流程

傳感節(jié)點中無線通信流程是：監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信號，按需申請加入網(wǎng)絡(luò)，展開數(shù)據(jù)通信，通信結(jié)束后繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信號。監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信號通常采用傳感節(jié)點的無線射頻芯片直接監(jiān)聽方式［19］。傳感節(jié)點內(nèi)的無線射頻芯片擁有四種狀態(tài)：發(fā)送狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)和休眠狀態(tài)。無線射頻芯片直接監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)時處于接收狀態(tài)，消耗電流達(dá)到17.3 mA［15］。在休眠狀態(tài)下不能接收或發(fā)送無線數(shù)據(jù)，也無法直接監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，但此時消耗電流400 nA，比接收狀態(tài)小5個數(shù)量級［15，20］。

前文所述，應(yīng)用場景具備事件稀疏的特點［5］，傳感節(jié)點在本地融合和緩沖數(shù)據(jù)后再通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。低頻喚醒芯片可以通過電感耦合方式從耦合線圈的輻射近場中被動地獲得信號。數(shù)據(jù)通信范圍內(nèi)覆蓋典型的125 kHz特定低頻信號，故當(dāng)監(jiān)聽到特定低頻信號后，即說明傳感節(jié)點已經(jīng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍。傳感節(jié)點內(nèi)置低頻喚醒芯片（AS3933［21］），監(jiān)聽信號所需電流是5.7 μA，其能量消耗只占無線射頻芯片監(jiān)聽狀態(tài)下的0.04%［15，21］。但低頻喚醒芯片只能監(jiān)聽信號卻不能發(fā)送數(shù)據(jù)。采用下面間接監(jiān)聽方式避免過多的無效監(jiān)聽以節(jié)省能量消耗。

因此本設(shè)計采用間接方式監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)信號。傳感節(jié)點通過低頻喚醒芯片監(jiān)聽特定低頻信號；按需喚醒無線射頻芯片，申請加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；結(jié)束數(shù)據(jù)通信后，傳感節(jié)點使無線射頻芯片返回休眠狀態(tài)，繼續(xù)通過低頻喚醒芯片監(jiān)聽特定低頻信號，為下次數(shù)據(jù)通信做準(zhǔn)備。直接監(jiān)聽方式和間接監(jiān)聽方式的對比流程如圖3所示。

圖3　直接監(jiān)聽和間接監(jiān)聽的流程對比圖

3　系統(tǒng)設(shè)計

進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計時，需要將上述兩種工作方式融合到一個運行主程序中。由于本應(yīng)用場景中數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)采集的任務(wù)用時較短，不容易長時間阻塞進(jìn)程，而多線程會帶來額外的能量消耗和不穩(wěn)定性［22］，因此將數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)采集設(shè)計成兩個串行互斥任務(wù)。數(shù)據(jù)通信工作的優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)采集工作［23］，因此循環(huán)體內(nèi)先進(jìn)行按需通信，再處理數(shù)據(jù)。微控制器通過中斷的方式實現(xiàn)和多種觸發(fā)事件的交互工作，觸發(fā)事件包括傳感器緩沖達(dá)到飽和、監(jiān)聽到特定低頻信號和監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)信號。下面分別從緩沖采樣方式和間接監(jiān)聽方式兩方面進(jìn)行描述。

主程序設(shè)計中，微控制器上電后初始化系統(tǒng)參數(shù)并設(shè)置無限循環(huán)體進(jìn)行工作。循環(huán)體內(nèi)，微控制器讀取緩沖數(shù)據(jù)，融合和壓縮數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。微控制器進(jìn)入休眠后，CPU停止運轉(zhuǎn)，不再執(zhí)行主程序中的代碼流程，直至被中斷事件喚醒。

3.1緩沖采樣方式

微控制器使用特定加速度傳感器實現(xiàn)傳感節(jié)點緩沖采樣方式。加速度傳感器初始化后獨立進(jìn)行采樣和緩沖數(shù)據(jù)。在采樣數(shù)據(jù)的緩沖飽和后，加速度傳感器向微控制器發(fā)送中斷信號。微控制器在加速度傳感器中斷服務(wù)程序中進(jìn)入活躍狀態(tài)，此時CPU恢復(fù)運行并繼續(xù)執(zhí)行主程序中的代碼流程，從而進(jìn)行下次的處理數(shù)據(jù)工作。緩沖采樣方式的具體偽代碼如圖4所示。

圖4　緩沖采樣方式偽代碼圖

3.2間接監(jiān)聽方式

傳感節(jié)點間接監(jiān)聽的實現(xiàn)則是采用微控制器輔助低頻喚醒芯片方式。低頻喚醒芯片收到特定低頻信號后，產(chǎn)生低頻喚醒芯片中斷信號，觸發(fā)低頻喚醒芯片中斷服務(wù)程序。在低頻喚醒芯片中斷服務(wù)程序里，微控制器根據(jù)采集數(shù)據(jù)本地存儲容量的情況，決定是否需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如果需要數(shù)據(jù)通信，那么無線射頻芯片被切換進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，否則繼續(xù)保持休眠狀態(tài)。當(dāng)無線射頻芯片監(jiān)聽到網(wǎng)絡(luò)信號后，同樣會產(chǎn)生相應(yīng)的中斷信號，觸發(fā)其中斷服務(wù)程序，設(shè)置無線芯片進(jìn)入通信狀態(tài)。主程序循環(huán)體內(nèi)，如果無線射頻芯片處在通信狀態(tài)，微控制器聯(lián)合無線射頻芯片向網(wǎng)絡(luò)接入節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信：上傳本地數(shù)據(jù)并接收服務(wù)器端的配置指令。結(jié)束數(shù)據(jù)通信后，微控制器使無線射頻芯片進(jìn)入休眠模式，達(dá)到節(jié)省能量消耗的目的。其偽代碼如圖5所示。

圖5　間接監(jiān)聽方式偽代碼圖

4　實驗結(jié)果

為準(zhǔn)確獲取傳感器節(jié)點各項數(shù)據(jù)，使用專業(yè)儀器儀表測量傳感節(jié)點的電氣參數(shù)。其中泰克科技有限公司（Tektronix）生產(chǎn)的TDS2014型號示波器，具備100 MHz帶寬，采樣速率高達(dá)1 GS/s。泰克科技有限公司（Tektronix）生產(chǎn)的PWS4305型號數(shù)字電源，能夠提供0～30 V的直流電壓，0～5 A的直流電流。福祿克電子儀器儀表公司（Fluke）生產(chǎn)的8846A型號數(shù)字萬用表，其直流電流的最小量程是100 mA，相應(yīng)的最小分辨度達(dá)到100 pA。因此，這組儀器具備測量傳感節(jié)點的能量消耗數(shù)據(jù)的能力。依據(jù)不同工作方式組成對照實驗，測量各組傳感節(jié)點的實際能量消耗，并評估預(yù)測傳感節(jié)點的使用壽命。

4.1實驗節(jié)點簡介

傳感節(jié)點采用德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的MSP430RF5739型號微控制器芯片作為微控制器，采用意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)的LIS3DH型號3軸加速度傳感器作為加速度傳感器，采用德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的CC2500型號2.4 GHz射頻收發(fā)器芯片作為無線射頻芯片，采用奧地利微電子公司（AMS）生產(chǎn)的AS3933型號125 KHz低頻接收器芯片作為低頻喚醒芯片，采用韓國帝王鋰電池有限公司（XENO）生產(chǎn)的XL-055F型號鋰原電池。如圖6（a）是節(jié)點實物圖，而圖6（b）則是應(yīng)用在實際場景中。

圖6　節(jié)點實物及實際應(yīng)用場景圖

超低能耗是傳感節(jié)點芯片選型的主要原則。其有兩種特點，一是在工作狀態(tài)下的能量消耗低；二是擁有兩種狀態(tài)：活躍狀態(tài)下正常工作但能量消耗高、休眠狀態(tài)下停止工作但能量消耗低。具備上述二者之一能力的芯片即具備低能耗特性，其中加速度傳感器和低頻喚醒芯片屬于第一種類別，微控制器和無線射頻芯片屬于第二種類別。

加速度傳感器LIS3DH設(shè)置50 Hz采樣頻率的工作電流低至6 μA［18］。低頻喚醒芯片AS3933接收空間三維低頻信號的工作電流低至5.7 μA［21］。無線射頻芯片CC2500的四種狀態(tài)具備不同電流負(fù)載值，在接收狀態(tài)下的工作電流是17.3 mA，在發(fā)送狀態(tài)下的工作電流是21.2 mA，在空閑狀態(tài)下的消耗電流是1.5 mA，在休眠狀態(tài)下的消耗電流低至400 nA［15］。無線射頻芯片CC2500從休眠狀態(tài)切換到接收狀態(tài)的時間只需要 88.4 μs。微控制器MSP430FR5739兩種狀態(tài)下的負(fù)載電流存在差異，在活躍狀態(tài)下每百兆頻率的單位工作電流是81.4 μA/MHz，即24 MHz下的工作電流是1.953 6 mA，在休眠狀態(tài)下的消耗電流低至6.3 μA。微控制器MSP430FR5739從休眠狀態(tài)切換到活躍狀態(tài)所需要時間只有78 μs［17］。以上芯片都可以在2.4 V到3.6 V的電壓范圍內(nèi)正常工作。鋰原電池XL-055F存儲1.65 Ah的電荷能量，供電電壓是3.6 V，連續(xù)供電電流上限達(dá)到 40 mA［24］。節(jié)點設(shè)計如圖 7所示。

圖7　傳感節(jié)點設(shè)計圖

4.2實驗環(huán)境參數(shù)

參考應(yīng)用場景設(shè)定實驗參數(shù)。其中傳感節(jié)點每秒進(jìn)行10次數(shù)據(jù)采樣工作，加速度傳感器緩沖設(shè)置30組采樣數(shù)據(jù)。每小時進(jìn)行1次數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信中的數(shù)據(jù)量是3 600 byte。使用示波器測得節(jié)點處理數(shù)據(jù)的工作時長，單獨處理1條數(shù)據(jù)和集中處理30條數(shù)據(jù)分別測得的時長是1.5 ms和17.5 ms。微控制器的CPU主頻是24 MHz，所以單獨處理1條數(shù)據(jù)需要等效CPU執(zhí)行36 000條指令，而集中處理30條數(shù)據(jù)是等效CPU執(zhí)行420 000條指令。依照點差法計算得到平均處理單條數(shù)據(jù)的時長（即兩點斜率）是，等效CPU執(zhí)行13 200條指令；得到片間總線準(zhǔn)備的時長（即坐標(biāo)軸截距）是1.5-（1-0）×0.55=0.95 ms，等效CPU執(zhí)行22 800條指令。

設(shè)計對照實驗，對三種采樣方式、兩種監(jiān)聽方式形成六組實驗，依次分別是“連續(xù)采樣+直接監(jiān)聽”，“間歇采樣+直接監(jiān)聽”，“緩沖采樣+直接監(jiān)聽”，“連續(xù)采樣+間接監(jiān)聽”，“間歇采樣+間接監(jiān)聽”和“緩沖采樣+間接監(jiān)聽”。每組實驗持續(xù)進(jìn)行24 h，使用數(shù)字電源對傳感節(jié)點供電，數(shù)字萬用表測量并記錄其實時電流，示波器測量工作時長。實驗參數(shù)如表1所示。

表1　實驗參數(shù)［15，17，18，21，24］

4.3實驗結(jié)果及分析

單項數(shù)據(jù)是在分別對各種主要狀態(tài)和流程進(jìn)行30次單獨測量的平均值，數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。傳感節(jié)點讀取緩沖數(shù)據(jù)，融合和壓縮數(shù)據(jù)時的整體負(fù)載電流稱為處理數(shù)據(jù)工作電流；這段時間稱為緩沖采樣工作時長。而間歇采樣工作時長則是不采用緩沖技術(shù)，融合和壓縮單次采樣數(shù)據(jù)的用時。傳感節(jié)點等待下次采樣期間的整體負(fù)載電流，從微控制器處于活躍狀態(tài)和休眠狀態(tài)劃分，分別稱為空閑等待電流和休眠等待電流。數(shù)據(jù)通信電流是指傳感節(jié)點進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信的整體負(fù)載電流，而數(shù)據(jù)通信時長則代指單次數(shù)據(jù)通信占用的時間。監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)電流是指直接利用無線射頻芯片進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽的傳感節(jié)點整體負(fù)載電流。因為低頻芯片監(jiān)聽一直保持開啟工作狀態(tài)，所以其產(chǎn)生的負(fù)載電流已經(jīng)包含在整體負(fù)載電流內(nèi)。

表2　傳感節(jié)點單項工作測量數(shù)據(jù)

歷時一天的對照實驗結(jié)果如表3所示，使用控制變量法分析實驗結(jié)果。在“1、2和3”、“4、5和6”這兩組對比中，保持“通信監(jiān)聽”變量不變，可以看出采用間歇采樣方式比采用連續(xù)采樣方式平均節(jié)省535.85 J能量；而緩沖采樣方式比采用連續(xù)采樣方式平均節(jié)省540.83 J能量，比采用間歇采樣方式平均節(jié)省4.98 J能量。在“1和4”、“2和5”、“3和6”這三組對比中，固定“數(shù)據(jù)采集”變量，計算得到采用間接監(jiān)聽方式比采用直接監(jiān)聽方式平均節(jié)省2 946.06 J能量。顯然結(jié)果驗證前文的理論推導(dǎo)：緩沖采樣方式比連續(xù)采樣方式或間歇采樣方式節(jié)省能量，間接監(jiān)聽方式比直接監(jiān)聽方式節(jié)省能量。

表3　傳感節(jié)點24 h能量消耗對比

鋰原電池自放電率很低，即使存放10年仍擁有90%的電容量［25］，按照最壞條件預(yù)測工作壽命。傳感節(jié)點中鋰原電池能量E=3.6 V×1.65 Ah×3 600 s/h×90%=19245.6 J且實驗的時長是1天，那么通過鋰原電池能量和表3中“能量消耗”之間的比值可以得到每組實驗的預(yù)測工作壽命。所以表3中各組實驗依次得到的預(yù)測工作壽命分別是：5.49 d、6.49 d、6.51 d、34.97 d、980.41 d以及1 309.22 d（即3.58年）。

綜上所述，“緩沖采樣+間接監(jiān)聽”組合的方式比“連續(xù)采樣+直接監(jiān)聽”組合方式整整節(jié)省3 488.63 J能量，前組消耗的能量僅是后組的0.42%。

5　總結(jié)及展望

本論文設(shè)計并實現(xiàn)一種適合在事件稀疏應(yīng)用場景下監(jiān)測自主移動物體姿態(tài)信息的高能效低功耗無線傳感節(jié)點。通過分析應(yīng)用場景，發(fā)現(xiàn)“采集數(shù)據(jù)”和“通信監(jiān)聽”流程存在優(yōu)化的空間，并分別針對性地提出節(jié)省能量消耗的解決方案。傳感節(jié)點持續(xù)工作24 h，“緩沖采樣”比“連續(xù)采樣”平均節(jié)省540.83 J能量，“間接監(jiān)聽”則相對于“直接監(jiān)聽”平均節(jié)省2 946.06 J能量。使用“緩沖采樣+間接監(jiān)聽”解決方案，傳感節(jié)點在24小時連續(xù)工作下消耗的能量僅占“連續(xù)采樣+直接監(jiān)聽”的0.42%，節(jié)省99.58%的能量，具備超低功耗能力。在一節(jié)2/3AA類型，含1.65 Ah容量的鋰原電池供電下，結(jié)合兩種改進(jìn)方法，傳感節(jié)點預(yù)測可以提供3.58年正常服務(wù)。目前本系統(tǒng)已經(jīng)在廣東溫氏集團(tuán)旗下的奶牛養(yǎng)殖場投入試點使用1年，為畜牧業(yè)信息化提供應(yīng)用實踐借鑒。

［1］劉鵬，盧潭城，呂愿愿，等.基于MEMS三軸加速度傳感器的摔倒檢測［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2014，27（4）：570-574.

［2］吳寶明，王普領(lǐng)，龐宇，等.一種戰(zhàn)場士兵多生命體征監(jiān)測頭帶設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015（2）：109-112.

［3］尹令，洪添勝，劉迎湖，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持向量機(jī)奶牛行為特征識別［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24（3）：458-462.

［4］尹令，劉財興，洪添勝，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的奶牛行為特征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010（3）：203-208.

［5］鄧志赟，劉財興，曹維，等.基于PAM-RF的奶?；顒赢惓Ｇ闆r監(jiān)測［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（16）：122-129.

［6］羅堅，唐琎，毛芳，等.基于云計算的可穿戴式老齡人異常行為檢測系研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2015，28（8）：1108-1114.

［7］周博翔，李平，李蓮.改進(jìn)隨機(jī)森林及其在人體姿態(tài)識別中的應(yīng)用［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2015（16）：86-92.

［8］胡佳佳，周翟和，沈超，等.一種自適應(yīng)殘差補(bǔ)償算法在移動機(jī)器人姿態(tài)估計中的應(yīng)用研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2015，28（3）：363-366.

［9］Yin L，Hong T，Liu C.Estrus Detection in Dairy Cows from Acceleration Data Using Self-Learning Classification Models［J］.Journal of Computers，2013，8（10）：2590-2597.

［10］Abbasi A Z，Islam N，Shaikh Z A.A Review of Wireless Sensors and Networks’Applications in Agriculture［J］.Computer Standards&Interfaces，2014，36（2）：263-270.

［11］Rault T，Bouabdallah A，Challal Y.Energy Efficiency in Wireless Sensor Networks：A Top-down Survey［J］.Computer Networks，2014，67：104-122.

［12］Han G，Dong Y，Guo H，et al.Cross-Layer Optimized Routing in Wireless Sensor Networks with Duty Cycle and Energy Harvesting［J］.Wireless Communications and Mobile Computing，2015，15（16）：1957-1981.

［13］Di Francesco M，Das S K，Anastasi G.Data Collection in Wireless Sensor Networks with Mobile Elements：A Survey［J］.ACM Transactions on Sensor Networks（TOSN），2011，8（1）：7.

［14］Jellali Z，Atallah L N，Cherif S.A Study of Deterministic Sensors Placement for Sparse Events Detection in WSN Based on Compressed Sensing：Communications and Networking（ComNet），2014 International Conference on［Z］.IEEE，2014：1-5.

［15］Texasinstruments.CC2500：Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver［Z］.http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2500.pdf，2009.

［16］Shaikh F K，Zeadally S.Energy Harvesting in Wireless Sensor Networks：A Comprehensive Review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2016，55：1041-1054.

［17］Texasinstruments.MSP430FR573x Mixed-Signal Microcontrollers［Z］.http：//www.ti.com/lit/ds/slas639j/slas639j.pdf，2014.

［18］Stmicroelectronics.MEMS Digital Output Motion Sensor Ultra Low-power High Performance 3-axes“nano”accelerometer［Z］.http：//www.st.com/st-web-ui/static/active/cn/resource/technical/document/datasheet/CD00274221.pdf，2010.

［19］劉永華，沈明霞，熊迎軍，等.基于兩級預(yù)測的溫室WSN系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014（12）：329-334.

［20］Jones C E，Sivalingam K M，Agrawal P，et al.A Survey of Energy Efficient Network Protocols for Wireless Networks［J］.Wireless Networks，2001，7（4）：343-358.

［21］Austriamicrosystems.AS3933：3D Low Frequency Wake-Up Receiver［Z］.http：//ams.com/chi/acceptpolicy/information/66224/570460/36238，2013.

［22］Mccartney W P，Sridhar N.Stackless Multi-Threading for Embedded Systems［J］.IEEE Transactions on Computers，2015，64（10）：2940-2952.

［23］Huang P，Xiao L，Soltani S，et al.The Evolution of MAC Protocols in Wireless Sensor Networks：A Survey［J］.Communications Surveys&Tutorials，IEEE，2013，15（1）：101-120.

［24］Xenoenergy.XL-055F：Thionyl Chloride Lithium Battery［Z］.http：//www.xenoenergy.com/eng/file/Xeno%20Catalog%20XL-055F_E.pdf，2013.

［25］吳一帆.鋰原電池長期貯存后的電性能［J］.電源技術(shù)，2002，26（1）：11-13.

陳嘉峰（1990-），男，廣東人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院碩士研究生，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用，thomas_ cjf@163.com；

劉財興（1962-），男，廣東人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)與信息安全，liu@scau.edu.cn；

尹令（1977-），女，湖南人，博士，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院副教授，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘，scauyin@163.com；

曹維（1978-），女，陜西人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院實驗師，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，weiweicao7016@ 163.com。

A Study into the Optimization of Energy Consumption for Wireless Posture Sensor Nodes*

CHEN Jiafeng，LIU Caixing*，YIN Ling，CAO Wei
（College of Mathematics and Informatics，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

One of the key points in engineering application is to extend the working life by reducing energy consumption of wireless posture sensor nodes.Buffer sampling was designed in our study to prolong the sleep period of sensor nodes，thus saving energy significantly.A wake-up radio receiver was applied to realize indirect listening to reduce the energy consumption in continuous listening，which was a solution to the problem of the loss of energy consumption in idle listening.An ultra-low power wireless sensor node for monitor pose was devised by combining buffer sampling and indirect listening.Based on an theoretical analysis，the energy consumption in continue sampling proved to be 115.62 times as much as that in buffer sampling.The experiment，which involved 3 sampling patterns and 2 listening patterns in 6 control groups，indicated that sensor nodes could save 99.58%of energy and prolong working life by 238 times with an optimal combination of energy consumption，and its energy consumption was only 0.42%of the least optimal combination.In conclusion，the duration of the sensor nodes with a 2/3AA type lithium battery which contains 1.65 Ah electricity is expected to be for 3.58 years，which can be applied to the information-based animal husbandry.

wireless sensor network；optimization of power consumption；indirect listening；buffer sampling；wake-up radio receiver

TP399；TP212

A

1004-1699（2016）10-1565-08

項目來源：廣東省普通高校特色創(chuàng)新類項目

2016-03-15修改日期：2016-05-09