0 引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡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，因為在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領域的巨大應用前景而成為近年來的研究熱點。由于無線傳感器節(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)絡設計的核心問題。因此，傳感器網(wǎng)絡的體系結構、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，除在硬件設計時采用低功耗元件外，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)部各個設備根據(jù)需求在不同工作狀態(tài)下進行轉換，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的應用。

1 系統(tǒng)組成及低功耗設計

　　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)，此狀態(tài)下大部分元件處于關閉狀態(tài)，此時的功耗最小。假設節(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轉換到狀態(tài)Sk，如圖2所示

　　狀態(tài)Sk的功率為Pk，狀態(tài)轉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)的轉換時間。

　　理想狀態(tài)下，傳感器節(jié)點在完成任務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，轉換到活動模式時帶來的延遲就越大，所以，應考慮到狀態(tài)轉換額外的能耗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)點的非完全關閉狀態(tài)，事件到達，系統(tǒng)可以自動轉入激活的工作狀態(tài)，對于完全關閉的狀態(tài)S4，由于節(jié)點的大部分元件都處于關閉狀態(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。

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