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标题	基于无线传感器网络能耗系统的研究
范文	谢晓敏+卜燕梅+张文菊 摘 要： 节能已经成为无线传感器网络研究的核心部分。该文研究了无线传感器网络拓扑结构的邻近节点数对网络能耗的影响，主要采用动态电压调节技术（DVS）来降低无线传感器网络中节点的能耗。动态电压调节主要通过减少门等效电容、供电电压以及降低转换因子、时钟频率来达到降低动态能耗的目的，其中，降低供电电压节能效果最佳。与其他方法相比，动态电压调节降低能耗更加明显、效率更高。通过在CC2430节点芯片上测试验证，通过改变其分频比，得出了功耗和频率的近似线性关系。 关键词： 无线传感器网络； 拓扑结构； 能耗； 动态电压调节； CC2430 中图分类号： TN915?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）04?0016?03 无线传感器网络（WSN）是由大量部署在监测区域内的传感器节点，通过无线通信方式形成的多跳自组织网络系统，能够协同地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中对象的信息。无线传感器网络节点往往分布在不可到达的危险区域，人为更换电池是不可行的，而在电池技术没有太大提高的条件下有必要研究节省节点能耗的方法。本文主要从无线传感器网络的拓扑结构[1?5] 以及动态电压调节技术[6?9]两个方面来研究和分析能耗系统的。 对于无线传感器网络拓扑结构能效性设计，当邻近节点数增加时，节点接收消息数量相应增加，但发送消息的数量却相应减少，因此在优化网络拓扑结构时，需要平衡发送数量和接收数量间的关系。由于网络中邻近节点数量因拓扑结构的改变而改变，所以不同拓扑结构的能效性不同。而对于无线传感器节点能效性设计，由于数据处理期间，各节点的计算负载不平衡，甚至对于同一个节点，在不同阶段计算负载差别也很大，因此引入动态电压调节技术根据节点能耗和计算能力有效调节微处理器电压有利于减少无线传感器节点能耗。 除了无线传感器节点小型化外，无线传感器网络的低功耗设计对于提高网络寿命，扩展网络应用范围也具有推动作用。在实际应用中，通过合理规划各无线传感器节点的位置也有利于减少网络中的数据传输，降低网络能耗，延长网络寿命。 1 拓扑结构的能效性分析 能效性主要研究固定拓扑结构条件下的无线传感器网络最优拓扑结构控制问题。无线传感器网络的拓扑结构可以看作由节点构成的二维或三维的网格（本文主要针对二维情况）。 无线传感器网络[WSNsm，n]是一个[m×n]的网格，其中[m×n]表示网格中的节点数目。每个节点用[x，y]表示，其中[0≤x≤n-1，0≤y≤n-1]。对每个拓扑结构而言，若[S=xs，ys]，[D=xd，yd]，[Δx=xs-xd]，[Δy=ys-yd]成立，其中[S]表示源节点，[D]表示目标节点，则无线传感器网络将根据网络中各节点的位置分辨各节点的邻近节点情况[1]。 下面就边界传输和内部传输两种情况来分析采用多种邻近节点数的网络拓扑能耗，在内部传输方式中，每个节点的邻近节点数是相对固定不变的，发送消息的数量与邻近节点数是成正比例关系的，而接收的数量则视具体的拓扑结构而定。边界传输方式则是利用边界的节点来接收和发送信息的，而邻近节点数与网络能耗则是成反比例关系的。表1 则是两种传输方式在不同邻近节点数的耗能情况。 表1 两种传输方式的耗能情况 通过分析上表可知，除了在有4个邻近节点数的情况外，边界传输比内部传输消耗更多能量。实验结果证明[2]：当邻近节点数量较少时，网络能耗较低；而当邻近节点数量较多时，虽然减少了网络数据传输跳数，但同时需要传递的节点数量反而增加，在这种情况下网络能耗反而较高。因此应根据不同的网络状态选择适合的邻近节点数量才有利于提高网络的能效性。通过实验仿真可知，在二维网络中，四邻近节点网络能效性最好；而三维网络的能效性则普遍优于二维网络。 2 动态电压调节 无线传感器网络节点的功耗可以表示为动态和静态功耗之和[10]： [P=Pdyn+Pstat] 式中动态功率[Pdyn]由每次门电路跳变消耗的能量、跳变频率以及发生周期性跳变的门电路数量共同决定： [Pdyn=αfE]（其中[E=CV2]） ， [α]表示发生周期性跳变的门电路数量，[f]表示时钟频率，[C]表示门等效电容，[V]表示供电电压；而静态功率[Pstat]则由跳变时门电路的总数、供电电压和其漏极电流决定：[Pstat=NIV]，[N]表示无状态跳变时上电的门电路总数，[I]表示门电路的漏极电流，所以： [P=αfCV2+NIV] 动态功率在微处理器功耗中占主导地位，所以降低动态功率是成为动态电压调节技术（DVS）中的首选方案。可以通过减少门等效电容，降低转换因子[α]、时钟频率[f]以及减少供电电压[V]来降低动态功率。其中，动态电压调节由于降低了供电电压，就会使门限延迟增加，就需要降低时钟频率。所以降低总功率[P]就是降低供电电压，因为动态功率[Pdyn]是供电电压平方的函数，并且还与静态功率成线性关系。文献[11]表明处理器MCU从200 MHz和1.5 V工作状态转换到150 MHz和1.2 V工作状态可以节省能耗一半以上。 动态电压调节技术就是利用节点的微处理器MCU在正常工作状态下不需要所有时刻都保持在峰值状态，从而动态改变MCU的工作电压和频率刚好满足当时的运行需求，以使在性能和能耗之间取得平衡。通过在CC2430芯片上做过测试，通过改变该芯片的分频比，经实验仿真得出了MCU的频率f与动态功耗[Pdyn]成线性关系，如图1所示。 微处理器MCU通过动态电压调节来提高能效的流程图如图2所示。 该流程图是用最高效的电压对信息进行加密处理以及确定相关数据处理的电压，其中信息头提供的信息决定了解密电压，微控制器会采用这个电压对剩余的包进行解密处理。处理完毕后，再根据具体的要求重新设置一个最有效的电压。微处理器的主程序和CC2430仿真器的主程序如下所示： 3 结 语 本文主要通过无线传感器网络的拓扑结构和动态电压调节技术来分析和研究其耗能系统。在网络拓扑结构中，通过实验数据验证了边界传输比内部传输消耗更多的能量。并且，当邻近节点数较少时，网络耗能较低；反之亦然。在动态电压调节的过程中，通过对CC2430芯片的测试得出了频率与功耗的近似线性关系。 除了这两种方法外，还有其他的方法也可以降低无线传感器网络的系统能耗。如采用变电压处理器来实现对处理器的电压调节和频率调节，从而可以达到降低能耗的目的。另外，通信过程的能耗对于无线传感器网络的应用至关重要，在这方面的研究，势必会成为无线传感器网络低功耗设计的一大趋势。 参考文献 [1] 王殊，胡富平，屈晓旭，等.无线传感器网络的理论与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007. [2] 王雪.无线传感网络测量系统[M].北京：机械工业出版社，2007. [3] KARL Holger， WILLIG Andreas. Protocols and architectures for wireless sensor networks [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2007. [4] 任月清，徐立新.无线传感器网络拓扑连通性与稀疏性研究[J].传感技术学报，2011（7）：1038?1042. [5] 胡致远，邓建良，姜建伦.无线传感器网络与路由算法[J].传感器与微系统，2011（8）：138?140. [6] GUTNIK V. Variable supply voltage for low power DSP [D]. Cambrige： Massachusetts Institute of Technology， 2010. [7] GUTNIK V， CHANDRAKASAN A P. Embedded power supply for low?power DSP [J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration （VLSI） Systems， 1997， 5（4）： 425?435. [8] 易会战，罗兆成.动态电压调节技术在高性能计算领域的能效研究[J].计算机工程与科学，2012（8）：86?92. [9] 魏图明.无线传感器网络节点的动态电压调节策略研究[D].成都：电子科技大学，2012. [10] 魏刚，马伟明.无线传感器网络：体系结构与协议[M].北京：电子工业出版社，2007. [11] SINHA Amit， CHANDRAKASAN Anantha. Dynamic power management in wireless sensor networks [J]. IEEE Selected & Test of Computer， 2011， 18（2）： 62?74.
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