王曉英 陳玉玲

（沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

0 引言

無線傳感器裝置組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）屬于一類比較成熟的信息科技，已經(jīng)在環(huán)境保護監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生保健以及工業(yè)控制等領(lǐng)域獲得了非常廣泛的實際應(yīng)用[1]。WSNs一般由多個無線傳感器裝置的節(jié)點構(gòu)成，通常該類節(jié)點共同監(jiān)控同一個應(yīng)用環(huán)境，數(shù)據(jù)信息經(jīng)過無線通信的形式傳送到1臺或者多臺被稱作sink的遠(yuǎn)距離主機。無線傳感器裝置的節(jié)點通常由處理器單元模塊、信息存儲單元、傳感裝置以及信號收發(fā)裝置等元器件構(gòu)成。一般情況下，上述設(shè)備都是依靠電池提供電能，因此其使用壽命受到較大的限制，在這種情況下，電能的供應(yīng)成了WSNs系統(tǒng)最大的制約要素之一，特別是在相關(guān)網(wǎng)絡(luò)工作需要進行幾個月甚至是幾年的狀態(tài)下，這種影響更為明顯。

1 無線傳感器裝置節(jié)點的能量損耗情況研究

無線傳感器裝置節(jié)點位置的電能損耗通常來源于數(shù)據(jù)收集單元的調(diào)整電路、數(shù)據(jù)采集單元的微處理器以及內(nèi)存模塊、信號傳送單元的射頻電路系統(tǒng)。傳感裝置的調(diào)整電路所消耗的電能較低，因此節(jié)約電能消耗的余地較小。微處理模塊的電能損耗分成靜態(tài)消耗以及動態(tài)消耗2個部分，其中以減少動態(tài)消耗為降低電能消耗的主要目標(biāo)。因為微處理模塊的動態(tài)消耗功率與電壓、電容以及時鐘頻率等指標(biāo)有比較緊密的聯(lián)系，所以能夠通過減小時鐘頻率和電壓來減少動態(tài)消耗。假如在降低電壓的條件下減少時鐘頻率指標(biāo)，那么就可以減少動態(tài)消耗，這時微處理器的工作頻率由210 MHz、1.6 V變成160 MHz、1.1 V，可以節(jié)約大概55%的能量消耗。

DVS相關(guān)技術(shù)能夠動態(tài)地調(diào)整微處理模塊的電壓和頻率，調(diào)整的周期伴隨節(jié)點的運行負(fù)荷而發(fā)生相應(yīng)改變，進而降低空閑狀態(tài)下不必要的能量消耗。射頻電路部分的電能損耗是節(jié)點部分中占比最大的。根據(jù)無線傳感裝置相關(guān)節(jié)點的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，射頻電路通常需要應(yīng)用功耗較低、價格低廉且尺寸較小的成熟元器件。參考系統(tǒng)總體能耗，在選用該射頻電路時，需要降低功率并且必須具備節(jié)能模式，例如Nordic VLSI公司生產(chǎn)的單片模式射頻收發(fā)裝置nRF905，該產(chǎn)品的功耗較低且具有空閑和關(guān)閉模式，可以輕松地實現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，還可以借助微處理模塊的動態(tài)調(diào)節(jié)射頻模塊指標(biāo)，使其工作時的能耗狀態(tài)可以在工作模式和空閑模式之間靈活調(diào)整，從而減低系統(tǒng)的能耗。

2 電能的聚集和管控工作

對于無線傳感器裝置節(jié)點處的能量收集問題，EHWSNs系統(tǒng)采用了一類全新的電能管控模式EM，該模式的主要功能是依據(jù)目前系統(tǒng)總體的能量保有量，并借助動態(tài)改變的吞吐量來調(diào)節(jié)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的各項性能指標(biāo)，EM模式能夠與多種類型的MAC協(xié)議共同作用。將系統(tǒng)時間分隔成大小相等的時間長度間隔T，當(dāng)前系統(tǒng)總體能量剩余值用eR來表示，系統(tǒng)的喚醒時間間隔用Twi來表示。

2.1 電能的預(yù)估計系統(tǒng)EBC的設(shè)計研究

能量EM管控模式主要用于控制系統(tǒng)產(chǎn)生能量及消耗能量的相關(guān)指標(biāo)。然而如果想要準(zhǔn)確把控相關(guān)的數(shù)值是一項非常困難的任務(wù)，而且還會伴隨較高的能量損耗。相關(guān)工程技術(shù)人員開發(fā)設(shè)計EBC系統(tǒng)的初衷就是為了讓該設(shè)備始終維持在ENO-MAX的運行狀態(tài)之下，因此，借助動態(tài)方式來調(diào)節(jié)電能的預(yù)計參數(shù)，可以使系統(tǒng)消耗的電能和系統(tǒng)長期捕獲到的電量達到平衡。

2.2 吞吐容量的計算TC模塊的開發(fā)

研發(fā)吞吐容量的統(tǒng)計計算TC模塊的目的是為了能夠捕捉網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置在特定時間過程的實際能量的吞吐量，并將其用來和EBC系統(tǒng)所明確的電能相互平衡。因為無線通信數(shù)據(jù)傳輸過程的電能消耗最大，所以指定的電能預(yù)估算的節(jié)點位置處的吞吐量和MAC系統(tǒng)相關(guān)協(xié)議的關(guān)聯(lián)性較強。MAC系統(tǒng)的相關(guān)協(xié)議會將1個數(shù)據(jù)包發(fā)送過來，一般來講，該環(huán)節(jié)可能需要多個步驟來實現(xiàn)，例如捕獲／發(fā)出信號標(biāo)識幀、發(fā)出數(shù)據(jù)幀以及捕獲系統(tǒng)確認(rèn)幀等步驟。用NS來代表相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信節(jié)點位置有可能處在的狀態(tài)數(shù)值。所有的狀態(tài)都是各個不同模塊狀態(tài)下的綜合概念。狀態(tài)情況i∈｛1，…，Ns｝，單包的數(shù)據(jù)信息傳送進程使用τi來表示，節(jié)點位置可以使用相應(yīng)的系統(tǒng)功耗Pi來表示。為此，完成測量以及傳輸單獨數(shù)據(jù)包的全部進程的所消耗電能，如公式（1）所示。

式中：eT為完成測量以及傳輸單獨的數(shù)據(jù)包所消耗的電能；Ns為節(jié)點數(shù)量。

關(guān)鍵節(jié)點在一個時間間隔k上的能耗如公式（2）所示。

式中：eC[k]為關(guān)鍵節(jié)點在一個時間間隔k上的能耗；TWI[k]為時間系數(shù)；T為時間間隔；Ps為關(guān)鍵節(jié)點在休眠狀態(tài)時的功耗。

τT為發(fā)送信息數(shù)據(jù)包的總時間τT=能耗eC[k]等于能量預(yù)算eB[k]，喚醒時間間隔設(shè)定為：一般狀態(tài)下的系統(tǒng)MAC通信協(xié)議主要是根據(jù)偽異步模式來運行的，這就給τi數(shù)值的評估工作造成較大的難度。通常不同數(shù)據(jù)包的傳輸過程在空閑和接收數(shù)據(jù)包的狀態(tài)下，其時間長度具有較大的區(qū)別。因此如果該數(shù)值估計結(jié)果的準(zhǔn)確性，那么網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置所使用的電能很可能和EBC系統(tǒng)計算得到的電能的預(yù)算數(shù)值存在較大的差距，這種情況將會引起電力系統(tǒng)的運行故障或者是造成不必要的電能浪費[2]。

3 喚醒接收器裝置的系統(tǒng)MAC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

目前，已經(jīng)有大量的關(guān)于無線傳感器裝置網(wǎng)絡(luò)中的系統(tǒng)MAC網(wǎng)絡(luò)相關(guān)協(xié)議的規(guī)劃設(shè)計和實際運用的研究數(shù)據(jù)和結(jié)果。系統(tǒng)MAC能夠劃分為同步模式、偽異步模式以及異步模式。在同步模式狀態(tài)下，相鄰位置的節(jié)點將會同時被系統(tǒng)喚醒。然而在運行EH-WSNs系統(tǒng)的情況下，外部環(huán)境的電源裝置可以供應(yīng)的電能將會隨著時間以及空間的變化而發(fā)生持續(xù)的不規(guī)則變化，這種特性使同步模式不適用于相關(guān)的應(yīng)用狀態(tài)和場合。事實上，通過捕捉電能來供應(yīng)電能的節(jié)點位置需要具備動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的占空比能力，偽異步模式以及異步模式的運行方案使所有節(jié)點都可以與其他節(jié)點的調(diào)節(jié)過程相互獨立，不受其他節(jié)點動作的影響，單獨進行調(diào)節(jié)。常規(guī)的偽異步模式的解決方案比較依賴于系統(tǒng)占空比的循環(huán)過程，其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置依據(jù)系統(tǒng)特殊的時間間隔周期性地斷開或者開啟系統(tǒng)的電源裝置。

偽異步模式能夠細(xì)化分成發(fā)出端發(fā)起或者接收端發(fā)起，在發(fā)出端發(fā)起的解決方案中，接收信號的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置將在周期性的固定時間點被喚醒，隨后對相關(guān)的信道進行監(jiān)控，假如系統(tǒng)察覺到該信道是處在空閑狀態(tài)，那么就會在短時間的喚醒之后重新進入休眠狀態(tài)。如果單一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置存在1個數(shù)據(jù)包需要傳輸?shù)臅r候，其就會將1個請求信號傳送到目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置處，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置都存在1個監(jiān)控的時間周期。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點被喚醒的同時，就會獲得1個信號傳送請求，并且借助1條數(shù)據(jù)信息回應(yīng)給傳送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，該信息數(shù)據(jù)包將被傳送出去。在接收端發(fā)起的解決方案中，接收端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置將會定時被喚醒并且傳送出1個數(shù)據(jù)包信號，同時對相關(guān)信道進行短期的監(jiān)控，假如沒有監(jiān)測到相關(guān)的數(shù)據(jù)信號，那么就會重新進入睡眠模式。假如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置需要傳送數(shù)據(jù)信息，那么它將會通過監(jiān)聽接收器裝置來清除相關(guān)的信號通道，并在接收信號之后發(fā)送信息數(shù)據(jù)包[3]。

4 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果及相關(guān)研究

4.1 關(guān)鍵節(jié)點體系結(jié)構(gòu)

之所以選取超級電容器作為存儲設(shè)備，是因為它擁有比電池更耐用的技術(shù)優(yōu)勢，可以提供密度更高的功率?；诙嗄茉崔D(zhuǎn)換的WSNs關(guān)鍵節(jié)點硬件體系如圖1所示?；贛ESC架構(gòu)的PowWow平臺選用了CC1125無線電芯片，儲能裝置為0.95 F的超級電容，最大電壓為5.15 V，節(jié)點供電所需要的最小電壓為2.85 V。剩余能量eR的計算如公式（3）所示。

式中：C為超級電容；VC為電容器的電壓。

圖1 基于多能源轉(zhuǎn)換的WSNs關(guān)鍵節(jié)點硬件體系

根據(jù)公式（3）能夠測量DC-DC轉(zhuǎn)換裝置在不同電壓（2.85 V～5.15 V）下各τi的功耗Pi。表1提供了物理層PHY、MAC協(xié)議及能量預(yù)算EBC的相關(guān)試驗參數(shù)信息。

表1 相關(guān)試驗參數(shù)信息表

4.2 具有超低額定功率的喚醒接收裝置研究

ULP WuRx使用開關(guān)鍵調(diào)節(jié)OOK數(shù)值，該技術(shù)方法是最容易實現(xiàn)的鍵控ASK調(diào)節(jié)方案。當(dāng)ULP WuRx監(jiān)測出現(xiàn)載波時，就會迅速喚醒微控制裝置，此時微控制裝置讀出嵌入WuB中的物理地址并進行匹配。假如接收到無效的物理地址，那么微控制裝置就會重新調(diào)節(jié)至休眠狀態(tài)；如果物理地址是正確的，那么就應(yīng)用中斷裝置喚醒節(jié)點MCU。

4.3 與MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議對比研究

將標(biāo)準(zhǔn)版無線通信電源管理構(gòu)造PW-MAC與UPMAX-MAC進行對比得出，關(guān)鍵節(jié)點借助持續(xù)發(fā)送信息數(shù)據(jù)包開啟通信過程，直至收到接收裝置的ACK幀數(shù)。假如接收裝置檢測到信息數(shù)據(jù)包并將其全部接收，那么就由sink關(guān)鍵節(jié)點發(fā)出ACK幀數(shù)，UPMA-X-MAC與PW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議如圖2所示。其中Node指的是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，sink指的是下沉，DATA指的是數(shù)據(jù)包，ACK指的是字符，Listening指的是數(shù)據(jù)接受，sink wake-up指的是下降喚醒，a UPMA-XMAC協(xié)議指的是一類開源的X-MAC協(xié)議，Packet ready to be sent指的是準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，Wake-up at the predicted time指的是在預(yù)先設(shè)定的時間進行喚醒，BCN指的是寬頻通信網(wǎng)絡(luò)。

PW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議指的是一類由接收端發(fā)出的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議，通常注重發(fā)出端及接收端的能源消耗效率。應(yīng)用PW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的信息數(shù)據(jù)包傳輸速度較快。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息接收裝置在接收端呈現(xiàn)周期性喚醒狀態(tài)并且可以輸送信號幀數(shù)。任何一個關(guān)鍵節(jié)點在發(fā)出端都能夠精準(zhǔn)地判斷接收裝置將在什么時間醒來。假如需要發(fā)送相關(guān)的信息數(shù)據(jù)包，那么關(guān)鍵節(jié)點就會在接收，發(fā)送下一類信號之前醒來。如果獲取重要信號，那么關(guān)鍵節(jié)點就會發(fā)出信息數(shù)據(jù)包并且延遲等待，直到ACK幀數(shù)到達特定數(shù)量。在任何一個信息數(shù)據(jù)包傳輸相關(guān)參數(shù)的過程中，都會計算該預(yù)測發(fā)生的誤差值，關(guān)鍵節(jié)點根據(jù)該誤差對節(jié)點預(yù)測周期進行更新。相關(guān)工程技術(shù)人員為了判斷MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的能量消耗效率，需要對每個信息數(shù)據(jù)包傳送及接收的能耗進行檢測。在10.15 Ω 電阻及3.15 V電源并聯(lián)的情況下，檢測出這3種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的能耗運行軌跡。該文除了針對能耗進行了研究以外，還校核出與EUC度量有關(guān)的ξ∞值（能量極限值）及H值。

由有關(guān)試驗的檢測數(shù)值結(jié)果可知，PC數(shù)值是主要節(jié)點的功率損耗。相關(guān)結(jié)果也表明與其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議進行對比，應(yīng)用PW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議輸送參數(shù)數(shù)據(jù)包的功率損耗值處于最低曲線位置，該協(xié)議只需要輸送數(shù)據(jù)幀數(shù)（B）。假如相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)關(guān)鍵載荷的扭矩固定不變，那么輸送參數(shù)數(shù)據(jù)包的能耗就是恒定不變的。試驗中的sink參數(shù)能夠得出參數(shù)數(shù)據(jù)包接收的3個頻段，發(fā)出WuB（A）隨后接收參數(shù)數(shù)據(jù)幀數(shù)（B）。因為與非WuB幀數(shù)進行對比得出輸送WuB協(xié)議的比特頻率數(shù)值比較小且額定功率數(shù)值較高，所以輪詢技術(shù)框架相關(guān)節(jié)點比接收裝置的能量消耗多一些。該試驗結(jié)果能夠觸發(fā)信息數(shù)據(jù)包中任何一個時間節(jié)點的喚醒間隔，且只允許接收裝置在合理的輪詢節(jié)點進行工作。

在MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的試驗過程中，體現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)包整個參數(shù)的傳輸過程，在該試驗中分別驗證了應(yīng)用PWMAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議實施分組傳送及接收的能量損耗狀況。應(yīng)用該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議輸送相關(guān)信息數(shù)據(jù)包要求接收數(shù)字信標(biāo)號（A）及跳動幀數(shù)ACK（C），該操作導(dǎo)致輸送相關(guān)信息數(shù)據(jù)包的能耗大于應(yīng)用SNW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議的能量消耗。除此以外，參數(shù)信息發(fā)送端將會在信號接收裝置發(fā)出信號前的較短周期內(nèi)被喚醒，從而避免預(yù)測斷出現(xiàn)錯誤信息。該時間間隔在每一次數(shù)據(jù)信息傳輸過程中都是不一樣的，造成每個數(shù)據(jù)信息包的傳輸能耗都是處于不恒定的狀態(tài)。因為時鐘存在漂移狀況，所以導(dǎo)致預(yù)測會產(chǎn)生比較大的誤差，當(dāng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議超出某個固定的閾數(shù)值時，相關(guān)裝置就會激活預(yù)測狀態(tài)并對其進行升級與更新，這就會產(chǎn)生非常高的能量損耗。應(yīng)用SNW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議不用傳送ACK幀參數(shù)，與應(yīng)用PW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議對比，其能夠在一定程度上抵消WuB傳輸造成的能量損耗。

圖2 UPMA-X-MAC與PW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議

5 結(jié)語

綜上所述，對無線傳感裝置網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能量進行回收及管控是解決能量消耗問題的關(guān)鍵技術(shù)方法。經(jīng)過對能量回收及管控技術(shù)方法的分析探索，把異步MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議及超級低級別功耗喚通接收裝置相結(jié)合，在行星拓?fù)錁?gòu)造參數(shù)信息收集傳感裝置網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)證明，與PW-MAC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行對比，SNW-MAC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議能夠獲取更加顯著的吞吐性增益結(jié)果，大幅提升了無線傳感裝置在網(wǎng)絡(luò)工作過程中的能源節(jié)約效率。