無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的越來越多，那么，在當(dāng)今提倡綠色和節(jié)約的問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也緊隨潮流。請瀏覽下文，詳細(xì)介紹關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能問題的基礎(chǔ)，節(jié)點(diǎn)問題。

自動(dòng)配置的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用和軍用方面具有極高的價(jià)值，可以在大范圍內(nèi)用于收集、處理和發(fā)布復(fù)雜的環(huán)境數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而且對于有成千上萬節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，對電池的更換是非常困難的甚至是不可能的。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間卻要求長達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問題，也是當(dāng)前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)組成及能耗分析

規(guī)范的無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點(diǎn)由四部分組成：

（1）由微處理器或微控制器構(gòu)成的計(jì)算子系統(tǒng)；

（2）用于無線通信的短距離無線收發(fā)電路，即通信子系統(tǒng)；

（3）將節(jié)點(diǎn)與物理世界聯(lián)系起來，由一組傳感器和激勵(lì)裝置構(gòu)成的傳感子系統(tǒng)；

（4）能量供應(yīng)子系統(tǒng)，包括電池和AC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)#p#

1) 計(jì)算子系統(tǒng)

微處理器(MicroController Unit, MCU)負(fù)責(zé)控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)的算法。MCU的選擇會(huì)對節(jié)點(diǎn)的電池消耗帶來很大的影響，比如，Intel的StrongARM常用于高端領(lǐng)域，在執(zhí)行指令時(shí)功耗達(dá)到400mW，而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW，不過提供的性能也要弱的多。出于電源管理的目的，MCU通常有活躍、空閑和睡眠等多種操作模式，每種模式有不同的電源消耗。比如，StrongARM在空閑模式功耗為50 mW，而在睡眠模式時(shí)只有0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開銷，因此，不同的操作模式、模式之間的切換和MCU在每種模式的時(shí)長對整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗有很大的影響。

2)通信子系統(tǒng)

影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節(jié)點(diǎn)采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等。通常，無線收發(fā)電路可以工作在四種狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)?？臻e狀態(tài)也具有很高的功耗，幾乎與接收模式不相上下，所以在無線收發(fā)電路處于空閑狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該盡可能將其關(guān)閉（即置于睡眠狀態(tài)）。

3)傳感子系統(tǒng)

包括一組傳感和激勵(lì)裝置，將周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩類。在無線傳感器中，能量消耗來自多個(gè)部分。

（1）信號采樣以及物理信號到電信號的轉(zhuǎn)換

（2）信號調(diào)制

（3）信號的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。

4)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗分析

現(xiàn)在分析無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。

表1是Rockwell的WINS項(xiàng)目中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)，表2是MEDUSA-II項(xiàng)目中節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)。

從中可以看出：

◆采用低功耗模塊、在性能與耗電量之間進(jìn)行折中對系統(tǒng)整體功耗影響巨大。

◆節(jié)點(diǎn)的能耗在很大程度上取決于各個(gè)組成部分的工作狀態(tài)。

◆由于傳輸距離很短，接收時(shí)的能耗可能比發(fā)送時(shí)還大。

◆無線收發(fā)電路在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)的耗電量相差無幾。 #p#

MCU模式	傳感器模式	無線收發(fā)電路狀態(tài)	功耗（mW）
活躍	開啟	發(fā)送（功耗：36.3mW）	1080．5
		發(fā)送（功耗：19.1mW）	986.0
		發(fā)送（功耗：13.8mW）	942.6
		發(fā)送（功耗：3.47mW）	815.5
		發(fā)送（功耗：2.51mW）	807.5
		發(fā)送（功耗：0.96mW）	787.5
		發(fā)送（功耗：0.30mW）	773.9
		發(fā)送（功耗：0.12mW）	771.1
活躍	開啟	接收	751.6
活躍	開啟	空閑	727.5
活躍	開啟	睡眠	416.3
活躍	開啟	移除	383.3
睡眠	開啟	移除	64.0
活躍	移除	移除	360.0

表1 WINS項(xiàng)目中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)

MCU模式	傳感器模式	無線收發(fā)電路狀態(tài)	調(diào)制模式	數(shù)據(jù)率	功耗（mW）
活躍	開啟	發(fā)送（功耗：0.7368mW）	OOK	2.4kbps	24.58
		發(fā)送（功耗：0.0979mW）	OOK	2.4kbps	19.24
		發(fā)送（功耗：0.7368mW）	OOK	19.2kbps	25.37
		發(fā)送（功耗：0.0979mW）	OOK	19.2kbps	20.05
		發(fā)送（功耗：0.7368mW）	ASK	2.4kbps	26.55
		發(fā)送（功耗：0.0979mW）	ASK	2.4kbps	21.26
		發(fā)送（功耗：0.7368mW）	ASK	19.2kbps	27.46
		發(fā)送（功耗：0.0979mW）	ASK	19.2kbps	22.06
活躍	開啟	接收	-	-	22.20
活躍	開啟	空閑	-	-	22.06
活躍	開啟	關(guān)閉	-	-	9.72
空閑	開啟	關(guān)閉	-	-	5.92
睡眠	關(guān)閉	關(guān)閉	-	-	0.02

表2 MEDUSA-II項(xiàng)目中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)