传感器网络中的节点能耗监测软件设计与实现
方加娟++鹿艳晶++安鹏
摘 要： 为了有效延长节点工作寿命，设计一种新型的传感器网络节点能耗监测软件。传感器网络节点能耗监测系统的硬件主要由FPGA和控制板组成，所设计的软件将针对二者的工作流程进行控制。FPGA使用软件给出的采集程序和节点能耗识别码，进行传感器网络节点能耗数据的持续采集和模数转换。被转换成数字信号的节点能耗数据将被采集程序封装并传输到控制板。控制板根据数据读取流程对封装数据进行重构，获取完整的节点能耗数据并进行解析，给出节点能耗调节建议，实现对传感器网络节点能耗的监测。经实验验证可知，所设计的软件监测距离较远、传感节点工作寿命延长性能颇佳。
关键词： 传感器网络； 节点能耗监测； 软件设计； 数据采集
中图分类号： TN931+.3?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0053?03
Abstract： A new software for node energy consumption monitoring in sensor network was design for prolong the working life of the node. The hardware of the node energy consumption monitoring system for sensor network is mainly composed of FPGA and control board. The designed software controls the working process of both FPGA and control board. FPGA carries out continuous acquisition and analog?to?digital conversion of node energy consumption data in sensor network by means of the collection program and the node energy consumption identification code given by the software. The node energy consumption data converted into digital signal is packaged according to the collection procedures， and transferred to the control panel. The control panel is used to reconstruct the encapsulated data according to the data reading process to obtain and parse the complete node energy consumption data， and then give out some suggestions about node energy consumption adjustment to realize the monitoring of energy consumption of sensor network nodes. The experimental verification result shows that the designed software has remote monitoring distance， and can prolong the working life of sensor nodes.
Keywords： sensor network； node energy consumption monitoring； software design； data acquisition
0 引 言
近年来，随着学术界对传感器网络研究的逐渐加深，传感器网络已被广泛应用于温湿度、城市光污染、速度和压力等方面的探测中，对改善居民生活方式、增强企业效益具有重要作用。在未来，传感器网络的应用将会更加广泛[1?3]。在国家大力提倡节能的当今社会，学术界开始关注到传感器网络中的节点能耗问题。在以往设计出的传感器网络节点能耗监测软件中，由于受到传感器网络中庞大的节点规模限制，软件的监测距离较短，并无法有效延长节点工作寿命，高性能的传感器网络节点能耗监测软件仍待开发[4?6]。
1 传感器网络中的节点能耗监测软件设计
1.1 FPGA软件设计
采集程序利用规格为50 MHz的看门狗计时器为FPGA的采集工作计时，这种计时器能够为FPGA提供0.02 μs的采集间隔。也就是说，加入50 MHz看门狗计时器的采集程序能够使FPGA每隔0.02 μs便采集到一个传感器网络节点能耗数据。这种采集工作的效率非常高，为了避免效率过高造成的节点能耗数据丢失和乱码情况，所设计的采集程序将对节点能耗数据进行数据封装，具体封装格式于表1中给出。
由表1可知，一个传感器网络节点能耗数据的字节共有16位，所设计的采集程序将这16位字节分成4段。封装时，在每段字节的前面放置2位特定字节、后面放置6位计算字节。当需要提取被封装后的传感器网络节点能耗数据时，应先对其进行逆向字节删除，再重构4段字节，即可获取FPGA采集到的、完整的节点能耗数据。
节点能耗识别码的作用是：保护FPGA采集到的节点能耗数据免受网络入侵，维持数据的自身完整性和传输稳定性，图1为节点能耗识别码写入原理图。
由图1可知，传感器网络节点能耗监测软件所提供的节点能耗识别码包括复位码、计时码、A/D码和输出控制码，这些节点能耗识别码能够帮助软件获取到更远的监测距离。当FPGA根据采集程序采集到传感器网络节点能耗数据，并经由输出控制码通过串口输出后，传感器网络节点能耗监测软件将使用A/D码对其进行模/数转换，计时码在模/数转换过程中提供计时服务。复位码为FPGA串口提供初始化服务，通常与软件的初始化共同进行。
1.2 控制板软件设计
经由传感器网络节点能耗监测软件控制FPGA后，控制板所接收到的每个节点能耗数据均为4段，这导致控制板在读取节点能耗数据时，将不可避免地出现4段数据顺序错乱的情况。为此，需要对控制板数据读取流程进行软件控制，如图2所示。
由图2可知，在表1中，采集程序为节点能耗数据中4段数据的前两位均赋予了不同的前端字节，依次是03，05，13和15。在控制器读取流程中，所设计的传感器网络节点能耗监测软件根据前端字节的不同，对节点能耗数据中的4段数据进行排序，进而延长节点工作寿命。控制器读取流程对每个节点能耗数据运行4次循环，以获取完整的传感器网络节点能耗数据。
2 传感器网络节点能耗监测的软件实现
当传感器网络节点能耗数据被完整获取后，控制板将对传感器网络节点能耗数据进行解析，给出节点能耗调节建议。所设计的传感器網络节点能耗监测软件将对控制板节点能耗监测工作的功能进行实现，如图3所示。
由图3可知，为了实现传感器网络的节点能耗监测，软件给予控制板两项功能，分别是能耗监测对比功能和通信功能。通信功能使用传感器网络接口以及软件、硬件连接接口，将节点能耗数据输入到能耗监测对比功能中的传感器网络模型。对该模型的不同节点进行对比可获取对比数据集合1，再将模型与软件内置的传感器网络模型进行相同位置同一节点的能耗对比，可获取对比数据集合2。
将2个对比数据集合汇总，经由功能软件接口中的实现代码进行解析，可获取最终的节点能耗调节建议，进而实现传感器网络节点能耗监测软件对传感器网络节点能耗的有效监测。
3 实验验证
3.1 实验平台的搭建
将三种软件分别安装在如图4所示的传感器网络节点能耗监测系统上。实验采取圆形区域监测方式，方便数据记录。
3.2 监测距离实验结果分析
监测距离包含监控距离和探测距离。在本文实验中，监控距离是指能够采集到传感器网络有效数据的软件延伸半径，而探测距离则是指能够对采集到的数据进行有效重构的软件延伸半径。实验中，依次增加圆形监测区域半径，三种软件的监控距离和探测距离曲线如图5、图6所示。
由图5可知，本文软件监控距离曲线的横纵坐标数值几乎一致，证明本文软件能够准确采集到传感器网络的有效数据，监控距离较远。而TOSSIM软件和DUTTA软件的监控距离均不如本文软件。
由图6可知，TOSSIM软件和DUTTA软件的探测距离曲线均存在较大的波动，且数值较低，表明这两种软件的探测性能不强，因此检测距离较近。本文软件的探测距离曲线则仅存在微小波动，与监控距离相比并无较大的下降。
以上实验结果能够验证，本文软件具有较远的监测距离。
4 结 论
在传感器网络节点能耗监测系统中，FPGA负责进行传感器网络节点能耗数据的持续采集，控制板对节点能耗数据进行解析，给出节点能耗调节建议。本文设计的传感器网络节点能耗监测软件可为FPGA和控制板的工作流程提供优良的软件控制。实验对比了本文软件、TOSSIM软件和DUTTA软件的监测距离和节点工作寿命延长性能。结果表明，本文所设计的软件监测距离较远、节点工作寿命延长性能颇佳。
参考文献
[1] 王改云，胡锦艳.基于BP神经网络和蚁群的WSN分簇算法的研究[J].现代电子技术，2015，38（17）：45?48.
[2] 张其，袁纵横，梁丁，等.基于MPU6000的低功耗无线人体传感器网络节点设计[J].计算机测量与控制，2014，22（2）：539?541.
[3] 程明月，马娅婕，赵蕾，等.一种基于空间相关性的WSNs节点睡眠调度算法[J].传感器与微系统，2015，34（11）：143?146.
[4] 张聚伟，刘亚闯.基于信度势场算法的水下传感网络部署及仿真[J].系统仿真学报，2015，27（5）：1030?1037.
[5] 刘晓文，纵鑫，袁莎莎，等.基于分布式视频编码的WMSN节点能耗[J].实验室研究与探索，2014，33（6）：99?102.
[6] 朱创录.基于ZigBee网络的渭南智慧农业平台关键技术研究[J].渭南师范学院学报（综合版），2014，29（19）：39?43.
摘 要： 为了有效延长节点工作寿命，设计一种新型的传感器网络节点能耗监测软件。传感器网络节点能耗监测系统的硬件主要由FPGA和控制板组成，所设计的软件将针对二者的工作流程进行控制。FPGA使用软件给出的采集程序和节点能耗识别码，进行传感器网络节点能耗数据的持续采集和模数转换。被转换成数字信号的节点能耗数据将被采集程序封装并传输到控制板。控制板根据数据读取流程对封装数据进行重构，获取完整的节点能耗数据并进行解析，给出节点能耗调节建议，实现对传感器网络节点能耗的监测。经实验验证可知，所设计的软件监测距离较远、传感节点工作寿命延长性能颇佳。
关键词： 传感器网络； 节点能耗监测； 软件设计； 数据采集
中图分类号： TN931+.3?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0053?03
Abstract： A new software for node energy consumption monitoring in sensor network was design for prolong the working life of the node. The hardware of the node energy consumption monitoring system for sensor network is mainly composed of FPGA and control board. The designed software controls the working process of both FPGA and control board. FPGA carries out continuous acquisition and analog?to?digital conversion of node energy consumption data in sensor network by means of the collection program and the node energy consumption identification code given by the software. The node energy consumption data converted into digital signal is packaged according to the collection procedures， and transferred to the control panel. The control panel is used to reconstruct the encapsulated data according to the data reading process to obtain and parse the complete node energy consumption data， and then give out some suggestions about node energy consumption adjustment to realize the monitoring of energy consumption of sensor network nodes. The experimental verification result shows that the designed software has remote monitoring distance， and can prolong the working life of sensor nodes.
Keywords： sensor network； node energy consumption monitoring； software design； data acquisition
0 引 言
近年来，随着学术界对传感器网络研究的逐渐加深，传感器网络已被广泛应用于温湿度、城市光污染、速度和压力等方面的探测中，对改善居民生活方式、增强企业效益具有重要作用。在未来，传感器网络的应用将会更加广泛[1?3]。在国家大力提倡节能的当今社会，学术界开始关注到传感器网络中的节点能耗问题。在以往设计出的传感器网络节点能耗监测软件中，由于受到传感器网络中庞大的节点规模限制，软件的监测距离较短，并无法有效延长节点工作寿命，高性能的传感器网络节点能耗监测软件仍待开发[4?6]。
1 传感器网络中的节点能耗监测软件设计
1.1 FPGA软件设计
采集程序利用规格为50 MHz的看门狗计时器为FPGA的采集工作计时，这种计时器能够为FPGA提供0.02 μs的采集间隔。也就是说，加入50 MHz看门狗计时器的采集程序能够使FPGA每隔0.02 μs便采集到一个传感器网络节点能耗数据。这种采集工作的效率非常高，为了避免效率过高造成的节点能耗数据丢失和乱码情况，所设计的采集程序将对节点能耗数据进行数据封装，具体封装格式于表1中给出。
由表1可知，一个传感器网络节点能耗数据的字节共有16位，所设计的采集程序将这16位字节分成4段。封装时，在每段字节的前面放置2位特定字节、后面放置6位计算字节。当需要提取被封装后的传感器网络节点能耗数据时，应先对其进行逆向字节删除，再重构4段字节，即可获取FPGA采集到的、完整的节点能耗数据。
节点能耗识别码的作用是：保护FPGA采集到的节点能耗数据免受网络入侵，维持数据的自身完整性和传输稳定性，图1为节点能耗识别码写入原理图。
由图1可知，传感器网络节点能耗监测软件所提供的节点能耗识别码包括复位码、计时码、A/D码和输出控制码，这些节点能耗识别码能够帮助软件获取到更远的监测距离。当FPGA根据采集程序采集到传感器网络节点能耗数据，并经由输出控制码通过串口输出后，传感器网络节点能耗监测软件将使用A/D码对其进行模/数转换，计时码在模/数转换过程中提供计时服务。复位码为FPGA串口提供初始化服务，通常与软件的初始化共同进行。
1.2 控制板软件设计
经由传感器网络节点能耗监测软件控制FPGA后，控制板所接收到的每个节点能耗数据均为4段，这导致控制板在读取节点能耗数据时，将不可避免地出现4段数据顺序错乱的情况。为此，需要对控制板数据读取流程进行软件控制，如图2所示。
由图2可知，在表1中，采集程序为节点能耗数据中4段数据的前两位均赋予了不同的前端字节，依次是03，05，13和15。在控制器读取流程中，所设计的传感器网络节点能耗监测软件根据前端字节的不同，对节点能耗数据中的4段数据进行排序，进而延长节点工作寿命。控制器读取流程对每个节点能耗数据运行4次循环，以获取完整的传感器网络节点能耗数据。
2 传感器网络节点能耗监测的软件实现
当传感器网络节点能耗数据被完整获取后，控制板将对传感器网络节点能耗数据进行解析，给出节点能耗调节建议。所设计的传感器網络节点能耗监测软件将对控制板节点能耗监测工作的功能进行实现，如图3所示。
由图3可知，为了实现传感器网络的节点能耗监测，软件给予控制板两项功能，分别是能耗监测对比功能和通信功能。通信功能使用传感器网络接口以及软件、硬件连接接口，将节点能耗数据输入到能耗监测对比功能中的传感器网络模型。对该模型的不同节点进行对比可获取对比数据集合1，再将模型与软件内置的传感器网络模型进行相同位置同一节点的能耗对比，可获取对比数据集合2。
将2个对比数据集合汇总，经由功能软件接口中的实现代码进行解析，可获取最终的节点能耗调节建议，进而实现传感器网络节点能耗监测软件对传感器网络节点能耗的有效监测。
3 实验验证
3.1 实验平台的搭建
将三种软件分别安装在如图4所示的传感器网络节点能耗监测系统上。实验采取圆形区域监测方式，方便数据记录。
3.2 监测距离实验结果分析
监测距离包含监控距离和探测距离。在本文实验中，监控距离是指能够采集到传感器网络有效数据的软件延伸半径，而探测距离则是指能够对采集到的数据进行有效重构的软件延伸半径。实验中，依次增加圆形监测区域半径，三种软件的监控距离和探测距离曲线如图5、图6所示。
由图5可知，本文软件监控距离曲线的横纵坐标数值几乎一致，证明本文软件能够准确采集到传感器网络的有效数据，监控距离较远。而TOSSIM软件和DUTTA软件的监控距离均不如本文软件。
由图6可知，TOSSIM软件和DUTTA软件的探测距离曲线均存在较大的波动，且数值较低，表明这两种软件的探测性能不强，因此检测距离较近。本文软件的探测距离曲线则仅存在微小波动，与监控距离相比并无较大的下降。
以上实验结果能够验证，本文软件具有较远的监测距离。
4 结 论
在传感器网络节点能耗监测系统中，FPGA负责进行传感器网络节点能耗数据的持续采集，控制板对节点能耗数据进行解析，给出节点能耗调节建议。本文设计的传感器网络节点能耗监测软件可为FPGA和控制板的工作流程提供优良的软件控制。实验对比了本文软件、TOSSIM软件和DUTTA软件的监测距离和节点工作寿命延长性能。结果表明，本文所设计的软件监测距离较远、节点工作寿命延长性能颇佳。
参考文献
[1] 王改云，胡锦艳.基于BP神经网络和蚁群的WSN分簇算法的研究[J].现代电子技术，2015，38（17）：45?48.
[2] 张其，袁纵横，梁丁，等.基于MPU6000的低功耗无线人体传感器网络节点设计[J].计算机测量与控制，2014，22（2）：539?541.
[3] 程明月，马娅婕，赵蕾，等.一种基于空间相关性的WSNs节点睡眠调度算法[J].传感器与微系统，2015，34（11）：143?146.
[4] 张聚伟，刘亚闯.基于信度势场算法的水下传感网络部署及仿真[J].系统仿真学报，2015，27（5）：1030?1037.
[5] 刘晓文，纵鑫，袁莎莎，等.基于分布式视频编码的WMSN节点能耗[J].实验室研究与探索，2014，33（6）：99?102.
[6] 朱创录.基于ZigBee网络的渭南智慧农业平台关键技术研究[J].渭南师范学院学报（综合版），2014，29（19）：39?43.
