無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個帶有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點組織而成的網(wǎng)絡(luò)，因為在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景而成為近年來的研究熱點。由于無線傳感器節(jié)點" title="無線傳感器節(jié)點">無線傳感器節(jié)點通常工作在人們難以觸及的環(huán)境中，并且節(jié)點能量有限，難以補充，所以降低功耗、延長使用壽命成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的核心問題。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、算法、電路和感知都必須滿足能量有效性。就降低單個無線傳感器節(jié)點功耗而言，除在硬件設(shè)計時采用低功耗元件外，動態(tài)功率管理" title="動態(tài)功率管理">動態(tài)功率管理(Dynamic Power Management，DPM)和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Supply，DVS)都能有效地降低系統(tǒng)功耗。DPM的基本原理是傳感器節(jié)點內(nèi)部各個設(shè)備根據(jù)需求在不同工作狀態(tài)下進行轉(zhuǎn)換，減少節(jié)點不必要的開支，DPM能盡可能使系統(tǒng)各部分運行在節(jié)能模式下，從而降低系統(tǒng)功耗。本文從低功耗設(shè)計的角度出發(fā)，介紹了無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)組成，分析了DPM原理及其算法，研究了混合自動控制并對其進行改進，最后通過在MSP430和nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng)中介紹了改進的混合自動控制算法" title="控制算法">控制算法的應(yīng)用。
1 系統(tǒng)組成及低功耗設(shè)計
系統(tǒng)組成如圖1所示，數(shù)據(jù)處理單元采用TI公司MSP430系列單片機，無線收發(fā)模塊采用Nordic公司的nRF905。目前國內(nèi)外出現(xiàn)了許多典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，其中MSP430系列單片機以其卓越的性能和超低功耗特性，在電池供電的無線傳感器節(jié)點設(shè)計中具有獨特的優(yōu)勢。其低功耗特性有：CPU和外圍模塊可以在不同時鐘下運行，外圍模塊在不使用時可以關(guān)閉以節(jié)省能耗；處理器的功耗與工作頻率成比例，工作在低頻方式下將大大降低處理器的功耗；CPU功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制：正常運行時電流為160μA，備用時僅為O．1-μA，功耗極低，為設(shè)計低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。nRF905無線收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡單、可自動處理字頭和CRC校驗的優(yōu)點，MSP-430通過SPI接口及相關(guān)指令訪問nRF905的內(nèi)部寄存器。SCA3000-D1是VTI公司的全數(shù)字化低功耗三軸加速度傳感器，量程±2g，電源電壓3．3 V，64組緩沖存儲器記錄數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)一級上面，有先進的性能和有效節(jié)能方式，頻響可選，SPI數(shù)字串口通信，抗沖擊力強，可以運用于許多惡劣的條件下，但是其沒有低功耗模式，通過對其電源模塊的關(guān)斷管理進行節(jié)能處理。根據(jù)傳感器測得的傾斜角的連續(xù)變化，對系統(tǒng)進行合適的操作，當傳感器數(shù)據(jù)變化到臨界點時，使nRF905，MSP430進入不同的功耗模式，通過MSP430控制SCA3000的數(shù)據(jù)采集，從而有效地降低功耗。整個系統(tǒng)具有電路簡單、功耗低、操作靈活、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等特點。
2 DPM基本原理
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)部模塊存在著多種工作狀態(tài)，假定每個節(jié)點都有相同的模塊元件，如CPU、存儲器、傳感器、無線收發(fā)器，DPM通過轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，使系統(tǒng)各個部分運行在節(jié)能模式下。把節(jié)點的功率狀態(tài)分為Sk(k=O，1，2，3，4)五個部分。其中：S0表示活動狀態(tài)，此時節(jié)點消耗的功率最大；S4表示睡眠狀態(tài)" title="睡眠狀態(tài)">睡眠狀態(tài)，此狀態(tài)下大部分元件處于關(guān)閉狀態(tài)，此時的功耗最小。假設(shè)節(jié)點Nk在某時刻有事件發(fā)生，Nk在t1時刻完成事件的處理，下一事件發(fā)生在 t2=t1+ti時刻，在t1時刻，節(jié)點決定從狀態(tài)S0轉(zhuǎn)換到狀態(tài)Sk，如圖2所示
狀態(tài)Sk的功率為Pk，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間和恢復時間分別為τd,k和τu,k，定義i>j，τd,i>τd,j和τu,i>τu,j，則節(jié)點轉(zhuǎn)入狀態(tài)Sk節(jié)省的能量為Esave,k，可由等式確定：
只有當Esave,k>O時。式(1)才有意義。式中：P0為傳感器處于激活狀態(tài)時的功率；Pk為睡眠狀態(tài)為Sk時的傳感器節(jié)點功率；τd,k(τu,k)為傳感器從激活狀態(tài)S0(睡眠Sk)到睡眠狀態(tài)Sk(激活狀態(tài)S0)的轉(zhuǎn)換時間。
理想狀態(tài)下，傳感器節(jié)點在完成任務(wù)后迅速進入睡眠狀態(tài)并在下一事件到達時迅速進入活動狀態(tài)，能最大程度地節(jié)省能耗，根據(jù)式(1)可得門限時間：
但事實上，節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也存在較大的能量消耗和延遲。因此，在進入睡眠狀態(tài)時，節(jié)點應(yīng)首先在寄存器上保存之前的數(shù)據(jù)和參數(shù)。同時，激活節(jié)點仍然需要大量的能耗和額外的時間，低功耗模式下消耗的能量越少，轉(zhuǎn)換到活動模式時帶來的延遲就越大，所以，應(yīng)考慮到狀態(tài)轉(zhuǎn)換額外的能耗Padd。當且僅當 Esave,k>Padd時，系統(tǒng)才有意義，因此，可以得出門限時間：
Tth,k代表傳感器節(jié)點的門限時間。在節(jié)點的非完全關(guān)閉狀態(tài)，事件到達，系統(tǒng)可以自動轉(zhuǎn)入激活的工作狀態(tài)，對于完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，由于節(jié)點的大部分元件都處于關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點無法檢測到事件和收到信息，所以一些事件將會丟失，根據(jù)剩余能量，得出S4的門限時間為：
式中：Vstd代表標準工作電壓，Vpre代表當前電壓。
3 DPM算法
文獻中提出了基于概率判別無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)功率管理。此方法對于是否進入完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，給出一個概率值，利用概率判別來進行有效的功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換，如果概率值偏大，則進入完全休眠狀態(tài)的機率增大，能量消耗減少，但事件丟失的可能性增加；否則，使用能量增多，事件丟失的可能性減小。文獻提出了一種利用小波和卡爾曼濾波和自回歸分析聯(lián)合預測下一事件發(fā)生的時間來決定進入何種功率狀態(tài)的方法。該方法根據(jù)歷史事件的到達時間來預測下一事件的發(fā)生的時間。在森林火警監(jiān)視、洪水監(jiān)測等特殊事件發(fā)生概率很小。歷史數(shù)據(jù)無法獲得的應(yīng)用領(lǐng)域。文獻提出了一種利用小波和自回歸的動態(tài)功率管理方法。該方法利用收發(fā)器 (Sink)節(jié)點上的歷史數(shù)據(jù)流預測未來的值，在后續(xù)周期內(nèi)，若傳感器節(jié)點的觀測值不超過給定閾值則不向Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，Sink節(jié)點將預測值作為觀測結(jié)果，通過減少傳感器節(jié)點工作時間，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量來減少傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗。由于無線通信占整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分，所以在不影響系統(tǒng)性能的前提下，有效地對無線收發(fā)系統(tǒng)進行管理可以高效地降低系統(tǒng)能耗?；旌献詣涌刂?Hybrid Automata)是根據(jù)傳感器檢測信息的變化情況來控制傳感器節(jié)點收發(fā)的頻率，通過增加休眠時間、降低收發(fā)次數(shù)對無線傳感器節(jié)點進行動態(tài)功率管理，從而降低系統(tǒng)功耗。
4 混合自動控制
4．1 混合自動控制原理
在混合自動控制條件下，系統(tǒng)分為幾個離散的狀態(tài)，每個狀態(tài)都有一定的保持條件、相應(yīng)的控制變量、初始值和向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界值。當環(huán)境變量改變或保持不變時，通過對形勢加以分析(反饋)來執(zhí)行在不同狀態(tài)模式之間的轉(zhuǎn)換。圖3為混合自動控制示意圖。
假如系統(tǒng)存在兩種狀態(tài)l1和l2，一個動態(tài)變量x，系統(tǒng)開始的狀態(tài)為l1，x的初始值為20，在狀態(tài)l1下，變量x隨著等式不斷增大，當x的值等于30時，就達到了臨界條件，時，迅速地進入狀態(tài)l2。在狀態(tài)l2，x隨等式x=x-0．5遞減，臨界條件是 x="25"，當x<25發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換進入狀態(tài)l1。在實際運用中，此示意圖可以理解為傾斜角度控制在25°～31°之間。
4．2 混合自動控制算法在無線傳感器節(jié)點上的實現(xiàn)
由于對運動中物體的傾角測量在交通、航天、軍事等領(lǐng)域有著重要的意義，這里采用加速度傳感器對傾斜角進行測量，介紹混合自動控制算法的應(yīng)用。基本思路：無線傳感器節(jié)點根據(jù)環(huán)境變量的連續(xù)性變化，對傳感器執(zhí)行離散的處理應(yīng)用，當環(huán)境參數(shù)改變(增加或減小)時，傳感器的狀態(tài)變量相應(yīng)改變，當改變到臨界點時，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一功率狀態(tài)。首先對系統(tǒng)作如下要求：變量x表示所測量的傾斜角度值，最高為30°，最低為8°，它代表環(huán)境參數(shù)的改變，是各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的主要因素；變量z為計時器，用于狀態(tài)的計時。為了簡化控制過程，把系統(tǒng)分為三個狀態(tài)，l1為睡眠狀態(tài)，此時傳感器模塊和無線收發(fā)器都處于不活動狀態(tài)，控制系統(tǒng)保持l1狀態(tài)為60 s。其不等式條件為z≤ 60，當z>60時，轉(zhuǎn)入狀態(tài)l2。狀態(tài)l2和l3表示不同的采集和無線傳輸頻率的活動狀態(tài)，狀態(tài)l2下的采集和無線傳輸頻率低于l3，此時每間隔 10 s發(fā)送一次采集的傾斜角度數(shù)據(jù)，在發(fā)送完之后，無線收發(fā)器和傳感器進入關(guān)閉狀態(tài)等待下一個周期的到來。運行過程中，當傾斜角的變化在O．5°～5°之間 (O．5≤|x-xold|≤5)且傾斜角度不超過30°(x≤30°)時，系統(tǒng)運行在狀態(tài)l2；當傾斜角度變化大于5°(|x-xold|>5) 或x>30°時，系統(tǒng)進入狀態(tài)l3運行；當傾斜角度變化小于0．5°(|x-xold|<0．5)且x≤30°時，節(jié)點處于睡眠狀態(tài)l1。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。
在狀態(tài)l3下。節(jié)點各部分都處于活動狀態(tài)，每間隔1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)，用于傾斜角度變化過快或角度達到了高危值。節(jié)點開始于狀態(tài)l2，一般情況下，當傾斜角不發(fā)生變化或變化值低于O．5°，系統(tǒng)在狀態(tài)l1和 l2之間轉(zhuǎn)換，即數(shù)據(jù)在每間隔60 s發(fā)送一次，間隔期內(nèi)，節(jié)點處于睡眠模式，以節(jié)省能耗。如果變化值超過O．5°，系統(tǒng)進入狀態(tài)l2，否則，當變化值超過5°，就進入狀態(tài)l3。使用該算法，在傾斜角變化正常的情況下，設(shè)無線傳感器節(jié)點直接和sink節(jié)點通信，則節(jié)點大部分的時間處于狀態(tài)l1。
圖5為混合自動控制算法在MSP430和nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng)中實現(xiàn)的簡化流程圖。
5 結(jié)語
由于傳感器節(jié)點各部分存在著多種工作模式并且能量消耗差異較大，所以通過動態(tài)功率管理方法可以在系統(tǒng)級有效地降低節(jié)點的功耗，這里在介紹無線傳感器動態(tài)功率管理基本原理的基礎(chǔ)上，對幾種典型的動態(tài)功率管理方法進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境參數(shù)(如加速度、溫度等)變化穩(wěn)定的情況下，通過混合自動控制算法對環(huán)境變量的變化值范圍劃分來設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，控制無線收發(fā)模塊的收發(fā)頻率，能增加節(jié)點的休眠時間，減少收發(fā)次數(shù)，從而有效地降低系統(tǒng)功耗，最后通過 MSP430、nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng)，介紹了混合自動控制算法的應(yīng)用。