无线传感器网络节点的硬件体系结构（无线传感器网络节点节能管理的研究）

摘要：无线传感器网络节点数量庞大，携带的能量非常有限。为了延长网络的生命周期，需要采取有效的策略来降低能量消耗。在研究无线传感器网络中节点的结构、能量消耗和传播方式的基础上，提出了一种节点管理模式，有效地达到了节能的目的。该方案采用自组织、多跳路由、分层拓扑结构的路由协议和动态选择簇头节点的快速数据融合技术，在低功耗硬件设计条件下进行动态功耗管理。

关键词：无线传感器网络；节点节能管理；节点之间的传播模式；能耗

介绍

无线传感器往往很难替代能源，即使能替代节点的能源，也要花很多钱。因此，一般情况下，无线传感器网络中节点的能量来源不会被替代，而是采用有效的策略来降低能量消耗，尽可能地延长网络的生命周期。无线传感器网络中适当的节点管理将大大提高网络性能，有效降低能耗，延长整个网络的寿命。

本文通过对无线传感器网络中节点的结构、能量消耗和传播方式的研究，寻求一种有效达到节能目的的节点管理方式。

1无线传感器节点的组成结构

传感器通常是指能够感知被测非电量，并按照一定规则转换成便于处理和传输的电量的器件或装置。它一般由敏感元件、转换元件、测量电路和电源电路组成。无线传感器节点不仅具有一般传感器的功能，还包括无线数据传输模块和数据管理模块。通常，敏感元件、转换元件和测量电路形成一个模块——数据采集模块。

无线传感器节点有两种类型：汇聚节点和采集节点。硬件配置基本相同，但功能不同。收集节点负责收集和传输数据，汇聚节点负责收集所有收集节点收集的数据。无线传感器节点的组成框图如图1所示。

数据采集模块和一般传感器一样，可以采集温度、光强、压力、位移、流量、液位、加速度等非电量信息。并将其转换为适合传输和测量的信号，然后通过A/D转换将其转换为数字信号。

数据处理模块对采集的数据进行处理，通常由微处理器、存储器等组成。同时负责控制和管理节点，包括数据处理操作、根据路由协议的数据转发控制、功耗管理、任务处理等。

数据传输模块负责与其他节点通信，传输节点采集的数据信息，交换网络控制信息。

电源模块为数据处理模块、数据传输模块和数据采集模块提供所需的能量，一般由电源和电压转换电路组成。目前，电源通常使用固定电池或太阳能电池。

2无线传感器节点主要能耗及降耗分析

无线传感器节点的能量消耗主要来自数据采集模块的传感器调理电路、数据处理模块的微控制器、存储器的射频电路和数据传输模块。

传感器调理电路使用的能量较小，降低能耗的空间不大。

微处理器的功耗可以分为动态功耗和静态功耗两部分，其中降低动态功耗是降低能耗最重要的方面。根据文献，微处理器的动态功耗与电源电压、物理电容、时钟频率等密切相关。它们之间的关系如下：

其中：PD为动态功率；v是电源电压；c是物理电容；f是时钟频率；a是活动因子。

因此，可以通过降低时钟频率和电源电压来降低动态功耗

动态功耗的管理不仅可以通过降低各模块的动态功耗来降低功耗，还可以采用动态电压供应(DVS)技术。DVS技术可以随着节点的工作负载动态改变微处理器的工作电压和频率周期，从而减少空闲期不必要的功率输出。

在节点的组件中，RF电路的能量消耗最大。根据无线传感器节点的要求，射频电路一般采用低功耗、低价格、小尺寸的成熟器件。考虑到能量消耗，这种射频电路应该具有低输出功率和节能模式。比如挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发机nRF905，功耗很低，以-10 dBm的输出功率发射时电流仅为11 mA，工作在接收模式时电流为12.5 mA。它有空闲模式和关闭模式，方便节能。

微处理器可以动态控制射频模块的工作模式，使其随着工作负载的变化在工作模式和空闲模式之间切换，从而降低功耗。

3无线传感器节点间传播模式的节能管理

降低无线传感器节点的能耗不仅可以通过动态功率管理来实现，还可以通过节点间传播模式的节能管理来降低节点的工作负荷。

无线传感器网络由许多采集节点、若干汇聚节点和中继以及一个控制中心(上位机)组成。采集节点负责数据采集、数据处理以及与其他节点的通信。汇聚节点负责收集其他节点上传的数据，并发布来自中继的命令；中继负责上传汇聚节点采集的数据，并将控制中心的命令转发给汇聚节点；控制中心负责整个网络的利润控制，并将处理后的数据传送给用户。

无线传感器网络中节点的分布具有以下特征：

(1)无线传感器网络中节点的位置是随机分布的，因此其网络协议应该是自组织的。在实际工作环境中，传感器节点无法精确定位，节点之间的关系也无法事先得知，这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自行构建和组织网络。

(2)无线传感器网络节点数量多，分布广。为了获得准确的信息，无线传感器网络需要在其监测区域部署大量的传感器节点。

(3)节点之间的通信距离不长。无线网络中节点之间的点对点通信距离通常只有几十到几百米。

从上面的网络构成和节点分布来看，要减少节点的工作量，就要减少节点之间的通信时间和距离。不同的传播模式对无线传感器节点间的通信时间和通信距离有重要影响。在节点间的传播方式中，良好的网络协议和资源管理策略可以有效降低节点的工作负荷，延长无线传感器网络的生命周期。因此，无线传感器网络的传播模式应该是以数据为中心，采用自组织多跳路由，其网络结构采用动态拓扑。此外，可以采用快速数据融合技术进行快速信息融合和分离，提高网络运行效率和随机选择最佳路径的能力。

由于传感器节点承载的计算能力、存储能力和能量有限，且拓扑结构不断变化，无线传感器网络协议有其特殊性。由于无线网络协议的特殊性，路由协议和MAC协议与传统的无线网络协议有很大的不同。无线传感器网络的MAC协议决定了无线信道的使用。MAC层协议在设计时需要考虑能量效率，从而根据无线传感器网络的特点设计出简单高效的协议。无线传感器网络中的路由协议可分为能量感知路由、基于查询的路由、地理位置路由和可靠路由协议。根据无线传感器网络的特点和应用需求，应采用自组织多跳路由协议。

在传统的网络架构中，节点只具有传输功能，以传输为目的，为各个应用提供网络传输支持，不进行数据处理。无线传感器网络以数据为中心，其目的是获取感知对象的长期、准确的特征信息。利用快速数据融合技术可以实现无线传感器网络节点传感器数据的快速合理分组，减少数据冗余，获得更合理的数据，从而提高网络运行效率。

无线传感器网络节点数量众多且分布密集，网络结构应采用动态拓扑结构。在满足网络覆盖和连通性的前提下，采用动态拓扑，通过功率控制和骨干网节点选择去除节点间不必要的通信链路，形成优化的通信网络结构。因此，一个好的无线传感器网络拓扑应该采用节点功率控制和分层拓扑结构。节点功率控制根据节点的通信距离和时间变化来调整网络中每个节点的发射功率，从而减少每个节点不必要的传输和功率。分层拓扑控制利用分簇机制减少单跳通信距离，从而降低能耗。

4无线传感器节点节能管理方案

根据节点各部分能量消耗的特点和节点间的传播方式，无线传感器节点节能管理可以通过动态功率管理和降低节点的工作负荷来降低无线传感器节点的能量消耗，从而达到有效节能的目的。

无线传感器节点管理的节能措施可以从以下几点考虑：通过动态功耗管理减少射频模块的工作时间，减少节点的工作负荷，即减少节点间的通信量；降低射频模块发射功率；减少了微处理器的工作时间。要实现这几点，不仅要从硬件设计上解决，还要从软件管理上考虑。

无线传感器节点管理软件包括传感器网络数据采集控制、无线数据传输控制、电池状态监测、充电控制程序等。降低微处理器的功耗可以通过微处理器的动态电源管理来实现，而具有最高功耗的射频电路的收发器由无线数据传输部分的软件来控制。

无线数据传输部分的软件包括射频和基带两部分。射频部分提供数据通信的空中接口，基带部分提供链路的物理信道和数据包。微处理器负责链路管理和控制，执行基带通信协议和相关处理，包括链路建立、频率选择、链路类型支持、媒体访问控制、电源模式和安全算法等。因此在基带部分采用了自组织、多跳路由、分层、动态拓扑结构的网络协议，减少了通信量，均衡了各个节点的能量，降低了各个节点的能耗，从而延长了节点的寿命。

为了避免信息重叠造成的重复通信和资源浪费，自组织多跳路由协议采用分层设计，缩短了节点间的通信时间和通信距离。由于簇头节点在分层设计中消耗的能量最多，可能会提前消耗，导致部分网络瘫痪。因此，为了平衡各个节点的能量，路由协议应该动态随机地选择簇头节点和路径。当簇头节点能耗过大时，传感器网络可以根据簇头节点能耗动态选择能耗较小的节点，平衡节点能耗，延长整个网络的生命周期。

网络拓扑可以提高网络协议的效率，节省能量，延长网络寿命。在满足网络覆盖和连通性的前提下，采用动态拓扑，通过功率控制和骨干网节点选择去除节点间不必要的通信链路，高效转发数据。

同时，在基带电源模式管理中，通过动态管理来控制电源模式，以减少unn

数据采集控制部分的软件除了控制传感器采集数据外，还可以在节能的基础上增加数据处理部分。在数据处理部分，采用快速数据融合技术对传感器节点的信息进行融合和分离。因为无线传感器网络节点不必端到端地向汇聚节点传输数据，只要最终在汇聚节点收集到有效数据，就达到了目的。因此，为了减少流量和能耗，转发节点在传输过程中往往会将不同的入站消息融合成数量较少的出站消息，转发到下一跳。经过这样的处理，减少了整个网络中数据的冗余，减少了流量，节省了存储资源和网络带宽。

5结论

该方案在簇头节点自组织、多跳路由、分层拓扑结构的路由协议下，采用快速数据融合技术，在硬件低功耗设计的条件下进行动态功耗管理。