杜永文，練云翔，馮 珂

(蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network,WSN)[1]是一種能量受限的自組織網(wǎng)絡(luò)，其發(fā)展受到各國(guó)政府和研究組織的高度重視。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，直接進(jìn)行測(cè)試會(huì)造成成本增加、時(shí)間和資源的大量浪費(fèi)，且操作困難。因此，構(gòu)建了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗仿真模型。該模型可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)有效地觀(guān)察傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗分布。

本文根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊進(jìn)行情況，對(duì)節(jié)點(diǎn)的處理器、ADC模塊和閃存存儲(chǔ)器等模塊的能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提出了一種更加準(zhǔn)確、便于操作的傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型。該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)能耗信息的實(shí)時(shí)記錄。采用TinyOS仿真軟件，對(duì)CC2530傳感器節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行仿真，并對(duì)能量消耗進(jìn)行實(shí)測(cè)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了能耗模型的有效性。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗模型

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于硬件測(cè)量的傳感器節(jié)點(diǎn)能耗計(jì)算方法。使用測(cè)量電路計(jì)算無(wú)線(xiàn)通信模塊運(yùn)行時(shí)的電壓和電流，計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗。文獻(xiàn)[3]根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)使用的無(wú)線(xiàn)發(fā)送和信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算節(jié)點(diǎn)能耗，根據(jù)無(wú)線(xiàn)通信距離、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、信號(hào)傳輸過(guò)程的衰減程度以及信號(hào)放大器的能耗，對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。文獻(xiàn)[4]對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況進(jìn)行分析并結(jié)合節(jié)點(diǎn)通信、計(jì)算及其他物理特性，對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提出了傳感器節(jié)點(diǎn)能耗模型。

在實(shí)際使用過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)能量主要用于無(wú)線(xiàn)通信和數(shù)據(jù)信息采集。節(jié)點(diǎn)的通信根據(jù)工作狀態(tài)，可分為發(fā)送、接收、空閑、休眠四種。節(jié)點(diǎn)的能耗分別為發(fā)送能耗、接收能耗、空閑能耗、休眠能耗和采集能耗。

1.1 通信能耗模型

在不同的通信狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)處理器的運(yùn)行能耗不同。發(fā)送狀態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器能耗最大，休眠時(shí)處理器能耗最小。想要準(zhǔn)確計(jì)算傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)的能耗情況，不能只對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信能耗進(jìn)行計(jì)算，還要對(duì)節(jié)點(diǎn)的處理器的能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)定傳感器節(jié)點(diǎn)的通信能耗為Eradio，發(fā)送能耗為Esend，接收能耗為Ereceive，空閑監(jiān)聽(tīng)能耗為Eidle，休眠能耗為Esleep，則傳感器節(jié)點(diǎn)總能耗為：

Eradio=Esend+Ereceive+Eidle+Esleep

(1)

其中：

Esend=(Psend+Pcore-send×Tsend×Nsend

Ereceie=(Prec+Pcore-rec×Trec×Nrec

Eidle=(Pidle+Pcore-idle)×Tidle

Esleep=(Psleep+Pcore-sleep)×Tsleep

Eradio=(Psend+Pcore-idle)×Tsend×Nsend+(Prec+Pcore-rec)×Trec×Nrec+(Pidle+Pcore-idle)×Tidle+

(Psleep+Pcore-sleep×Tsleep

式中：Psend為通信發(fā)送功率；Pcore-send為處理器空閑功率；Tsend為發(fā)送1幀數(shù)據(jù)時(shí)間；Nsend為發(fā)送幀數(shù)；Prec為通信接收功率；Pcore-rec為處理器接收功率；Trec為接收1幀數(shù)據(jù)時(shí)間；Nrec為接收幀數(shù)；Pidle為通信空閑功率；Pcore-idle為處理器空閑功率；Tidle為空閑時(shí)間；Psleep為通信休眠功率；Pcore-sleep為處理器休眠功率；Tsleep為休眠時(shí)間。

1.2 采集能耗模型

傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行信息采集時(shí)需要用到的模塊包括：環(huán)境感知模塊、ADC轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與傳輸模塊。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的采集能耗主要包括傳感器運(yùn)行能耗、ADC轉(zhuǎn)換能耗和存儲(chǔ)器儲(chǔ)存和傳輸能耗。

Ecollect=(Psensor+PADC+Pflash)×Tcollect×Tcollect

(2)

2 傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗算法

2.1 通信能耗算法

傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信過(guò)程中的能耗主要是無(wú)線(xiàn)通信能耗和處理器運(yùn)行能耗。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的不同通信狀態(tài)設(shè)計(jì)各狀態(tài)的能耗算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

通信能耗算法運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 通信能耗算法流程圖

通信能耗算法各狀態(tài)能耗計(jì)算偽代碼如下。

send energy()

{ start time=send_time_1； end time=send_time_2；

send time=(send_time_2-send_time_1)×10-6；

send energy=(send voltage×send current+processor voltage×processor current)×send time; }

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，旅游者的消費(fèi)觀(guān)念也在發(fā)生著變化。參加霍童古鎮(zhèn)旅游的人群主要是個(gè)體戶(hù)、學(xué)生和企事業(yè)單位人員，他們都有著一定的教育背景，對(duì)旅游也有一定的理解，對(duì)于古鎮(zhèn)獨(dú)特的民俗資源和清新的自然環(huán)境充滿(mǎn)向往。政府在開(kāi)發(fā)霍童古鎮(zhèn)旅游時(shí)應(yīng)從大局出發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃，建立相關(guān)指導(dǎo)性文件，加強(qiáng)對(duì)霍童古鎮(zhèn)旅游的宣傳力度，根據(jù)霍童旅游產(chǎn)品的特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)和現(xiàn)代相結(jié)合的促銷(xiāo)手段進(jìn)行促銷(xiāo)，打造具有地方特色的古鎮(zhèn)旅游產(chǎn)品。

receive energy()

{ start time= receive _time_1； end timer= receive _time_2；

receive time=(receive _time_2-receive _time_1)×10-6；

receive energy=(receive voltage×receive current+processor voltage×processor current)×receive time； }

idle energy()

{ start time= idle_time_old； end time= idle_time_now；

idle time=(idle_time_now- idle_time_old)×10-6；

idle energy=(idle voltage×idle current+processor voltage×processor current)×idle time； }

2.2 采集能耗算法

傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以使用不同的傳感器完成工作。雖然傳感器功能不同，但是節(jié)點(diǎn)整體架構(gòu)基本類(lèi)似。傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集時(shí)的能耗包括傳感器運(yùn)行能耗、ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能耗以及存儲(chǔ)器能耗。

采集能耗算法偽代碼如下。

collect energy()

{ start time =collect_time_1；

end time =collect_time_2；

collect time=(collect_time_2-collect_time_1)×10-6；

collect energy=(sensor voltage×sensor current+ADC voltage×ADC current+flash voltage×flash current)×collect time； }

3 仿真與實(shí)測(cè)

3.1 仿真工具

目前，對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的工具主要有NS2[5]、OPNET[6]、TOSSIM[7]和OMNeT++[8]等，其中TOSSIM是TinyOS[9]操作系統(tǒng)的仿真工具。

本文采用TinyOS操作系統(tǒng)自帶的TOSSIM仿真平臺(tái)對(duì)CC2530傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真，并根據(jù)能耗模型設(shè)計(jì)能耗組件[10-13]。能耗組件根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)不同狀態(tài)的運(yùn)行功率以及運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗進(jìn)行計(jì)算，獲得各個(gè)狀態(tài)的能耗情況。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.2 實(shí)測(cè)

實(shí)測(cè)采用CC2530傳感器節(jié)點(diǎn)[14]，使用PF9802功率測(cè)試儀和電流表等工具對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)在不同工作狀態(tài)中的電壓值和電流值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得傳感器節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下的平均電壓、平均電流和平均持續(xù)時(shí)間，并計(jì)算出節(jié)點(diǎn)功率。傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 仿真與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)在不同通信狀態(tài)和采集狀態(tài)下的能耗情況，將CC2530節(jié)點(diǎn)的仿真能耗與實(shí)測(cè)能耗進(jìn)行分析對(duì)比。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

圖3 仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件的模塊化架構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了一種傳感器節(jié)點(diǎn)能耗算法，并對(duì)基于TinyOS2的能耗組件進(jìn)行仿真。采用能耗組件對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的各種狀態(tài)進(jìn)行能耗仿真試驗(yàn)，并與實(shí)際運(yùn)行時(shí)的能耗進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本模型能較為準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn)能耗。TinyOS2沒(méi)有圖形界面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)果的直觀(guān)輸出，下一步將在TOSSIM上實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的圖形化顯示。

[1] 姜馨,胡屏,王翥,等.面向WSN環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸加密算法的研究[J].自動(dòng)化儀表,2016,37(11):55-57.

[2] SHARMA I,SINGH R,KHURANA M.Performance evaluation of PEGASIS protocol for WSN using NS2[C]//Computer Engineering and Applications,2015:926-929.

[3] 張志東,孫雨耕,劉洋，等.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量模型[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007(9):1029-1034.

[4] 成小良,鄧志東,董志然.基于無(wú)線(xiàn)通信和計(jì)算特征分析的能耗模型[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2009,46(12):1985-1993.

[5] 王慶鳳,陳虹,王萍.基于NS2的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2011,23(2):270-274.

[6] ABDULRAHMAN N,ALI Y F.Performance evaluation of Zigbee routing protocol under various conditions using OPNET modeler[J].International Journal of Computer Applications,2015,117(18):25-31.

[7] DUTTA R,GUPTA S,PAUL D.Energy efficient modified SPIN protocol with high security in wireless sensor networks using TOSSIM[C]// International Conference on Parallel,Distributed and Grid Computing,IEEE,2015:290-294.

[8] SHAUKAT H R,HASHIM F.MWSN modeling using OMNET++ simulator[C]//International Conference on Intelligent Systems,2015:597-602.

[9] 劉爽,吳蒙.基于IEEE 802.15.4c TinyOS平臺(tái)的移植研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2014(11):114-117.

[10]徐敬東,賴(lài)錫盛.TinyOS 2.0在CC2430上的移植[J].計(jì)算機(jī)工程,2011,37(2):256-257.

[11]徐智勇,袁凌云,夏幼明,等.基于TinyOS 2.1無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的能量監(jiān)測(cè)模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(4):99-101.

[12]WANG S,GAO Y,LI X,et al.The pig food intake measurement system based on TinyOS and WSN[C]// International Conference on Mechatronics,Materials,Chemistry and Computer Engineering,2015.

[13]AMJAD M,SHARIF M,AFZAL M K,et al.TinyOS-new trends,comparative views,and supported sensing applications:a review[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(9):1-1.

[14]章偉聰,俞新武,李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011(7):184-187.