无线传感器的节点组成及能耗分析图（无线传感器的节点组成及能耗分析）

自动无线传感器网络在民用和军事领域都有重要的应用价值，可以用来收集、处理和发布大范围的复杂环境数据。无线传感器网络中的节点通常由电池供电，可用电量非常有限。对于拥有成千上万个节点的无线传感器网络来说，更换电池是非常困难的，甚至是不可能的。然而，要求无线传感器网络的生存时间长达几个月甚至几年。因此，如何在不影响无线传感器网络功能的前提下，尽可能地节省其电池能量，已经成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题，也是当前国内外研究机构关注的焦点。

1节点组成及能耗分析

标准无线传感器节点结构如图1所示。一个节点由四部分组成：(1)由微处理器或微控制器组成的计算子系统；(2)用于无线通信的短距离无线收发电路，即通信子系统；(3)连接节点与物理世界的传感器子系统，由一组传感器和激励装置组成；(4)能源供应子系统，包括蓄电池和交流DC变换器。

图1无线传感器节点结构

1)计算子系统

微控制器单元(MCU)负责控制传感器、执行通信协议和处理传感器数据的算法。MCU的选择会对节点的电池消耗产生很大的影响。比如Intel的StrongARM常用于高端领域，执行指令时功耗达到400mW，而ATmega103L AVR的功耗只有16.5 mW，性能却弱了很多。出于电源管理的目的，MCU通常具有活动、空闲和睡眠模式，并且每种模式具有不同的功耗。例如，StrongARM在空闲模式下功耗为50 mW，而在睡眠模式下仅为0.16 mW。不同操作模式之间的切换也有功率和延迟开销。因此，不同的工作模式、模式之间的切换以及MCU在每种模式下的持续时间对整个节点的能耗有很大的影响。

2)通信子系统

影响无线收发电路功耗的因素很多，包括节点采用的调制方式、数据速率、发射功率和工作周期等。一般来说，无线收发电路可以工作在四种状态，即发射、接收、空闲和睡眠状态。空闲状态也有很高的功耗，几乎等同于接收模式，所以无线收发电路在空闲状态时，要尽可能关闭(即进入睡眠状态)。

3)传感子系统

包括一套传感和激励装置，将周围环境的物理现象转换成电信号，按输出可分为模拟和数字。在无线传感器中，能量消耗来自很多部分，包括(1)信号采样和物理信号到电信号的转换(2)信号调制(3)信号的模数转换。

4)无线传感器网络节点能耗分析。

现在分析无线传感器节点的能量消耗。表1是罗克韦尔WINS项目中无线传感器节点的能耗数据，表2是MEDUSA-II项目中节点的能耗数据，从中可以看出：

采用低功耗模块，在性能和功耗之间进行权衡，对系统的整体功耗影响很大。

一个节点的能量消耗很大程度上取决于各个部件的工作状态。

由于传输距离短，接收时的能耗可能比发送时大。

无线收发电路在空闲状态和接收状态下的功耗几乎相同。

在分析了无线传感器节点的组成和能耗特点之后，我们来看看单个节点上可以采取哪些措施来节省能耗。

1)节能计算

除了在节点设计中使用低功耗硬件，动态电源管理(DPM)等技术通过使系统的所有部分都运行在节能模式下，可以节省大量的能量。最常见的电源管理策略是关闭空闲模块。在这种状态下，无线传感器节点或其一部分将被关闭或处于低功耗状态，直到有趣的事件发生。DPM技术的核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特性，状态切换也有能量和时间开销。

在活动状态下，可以采用动态电压调节(DVS)技术来节省能量。在大多数无线传感器节点中，计算负载随时间变化，因此微处理器没有必要一直保持最佳性能。DVS技术正是利用了这一点，动态改变微处理器的工作电压和频率，使其刚好满足当时的工作要求，从而达到性能和能耗的平衡。

2)节能软件

如果对操作系统、应用层、网络协议等系统软件进行专门的能耗优化，可以有效延长无线传感器网络的寿命。

操作系统中的动态电源管理和动态电压调整是最合适的，因为操作系统可以获得所有应用的性能需求，并直接控制底层硬件资源，从而在性能和能耗控制之间做出必要的权衡。系统的核心是任务调度器，它负责调度一组给定的任务，以满足它们各自的时间和性能要求。通过在任务调度中考虑节能，可以明显延长系统寿命。

鉴于传输中不可避免的数据丢失，无线传感器网络应该能够根据当时的网络环境提供不同精度的数据，以获得一定的灵活性。另一方面，被监控对象的属性随时间变化，导致网络中计算和通信需求的变化。这样，我们可以在实时调度算法中进行一定程度的预测，并主动管理能量消耗。此外，应用层可以设计为尽早执行主要的计算任务，然后在正常结束前停止算法，从而在对数据精度影响不大的情况下节省能耗。

3)无线收发电路的能耗管理

虽然嵌入式处理器的电源管理已经有了深入的研究，但是无线收发系统的节能设计还不够。由于无线通信占整个无线传感器网络能量消耗的主要部分，因此管理无线收发系统的能量消耗非常重要。

无线收发系统的功耗主要来自两个部分，取决于传输距离和调制参数的射频部分，以及执行频率合成、滤波等操作的基带电路部分。无线收发系统的节能设计非常复杂，因为射频部分和基带电路部分的功耗是相等的，降低射频部分的速率会导致能耗的增加。另一个需要考虑的问题是无线收发系统的初始化成本非常高，这些都增加了无线收发系统节能设计的难度。下一节将详细讨论无线通信中的能耗优化。

4)节能消息转发

除了发送自己感知的数据，每个无线传感器节点都是一个路由器，需要为其他节点转发消息。在典型的无线传感器网络环境中，无线传感器节点接收到的大部分消息(约65%)需要转发给其他节点。通常，无线传感器节点的大部分协议处理功能都是由MCU来完成的。这样，无论其最终目的地在哪里，每条接收到的消息都将经过相同的处理步骤到达计算子系统并被处理，从而导致不必要的能量消耗。通过智能无线收发系统，可以在通信子系统中直接识别并转发待转发的消息，即使计算子系统处于睡眠状态，也可以正常工作。

3无线通信的节能优化

与单个节点的能耗管理类似，在节点间的通信过程中考虑节能措施对提高整个系统的功率效率也有重要作用。而且，使通信过程对能耗敏感，可以将节能优化的范围从单个节点扩大到参与通信的多个节点。

1)调制模式

无线传感器节点之间的无线链路中使用的射频技术对无线通信的能耗也有重要影响。调制方式的选择决定了无线链路的整体能耗、灵敏度和时延的平衡。

调制水平直接影响功率放大器的能耗。与DVS类似，根据实际需求动态改变调制级别是节省能耗的有效手段。由于无线收发电路的启动成本较大，每次发送的消息越长越好，可以将启动成本分摊到更多的数据上。但在发送前将数据积累到一定长度会影响信息交换的延迟，需要平衡两者。

2)链路层优化

负责错误检测和纠正的链路层影响发送的消息数量，从而影响系统的功耗，特别是对于与网关节点的长距离通信。对于给定的误码率，差错控制机制可以降低发送消息的能耗，但相应地增加了发送方和接收方的处理能耗。一般来说，链路层技术在降低能耗方面起到间接的作用，良好的差错控制方式可以减少消息重传的次数，从而节省两端的能耗。