无线传感器网络低功耗技术研究

秦立朋，刘伟民，郑爱云

(华北理工大学，河北 唐山 063000)

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)由大量体积小、采用电池供电且具有通信功能的传感器节点和功能强大的基站构成，被广泛应用于国防军事、环境监测、工业生产、生活娱乐和智慧农业等领域。由于无线传感器网络能量有限，当节点能量耗尽时可能会造成整个网络瘫痪。为了最大化网络的生命周期，必须高效地使用节点能量、降低网络的能耗。本文针对网络的能耗问题从节点的硬件设计和数据传输优化算法两方面对其进行了讨论。

无线传感器网络体系架构如图1所示，主要由数据采集、数据传输、云端数据存储和分析及显示端4部分组成。

图1 无线传感器网络体系架构

传感器节点作为系统数据的来源，是无线传感器网络中不可或缺的部分，它主要由传感器模块、数据处理与控制模块、无线通信模块和能量供应模块4部分组成[1]，如图2所示。传感器模块中的传感器主要用于搜索、感知以及获取信息，A/D模数转换能够将传感器捕捉到的物理信息转化为数字信息；
数据处理与控制模块对整个传感器节点传送过来的信息进行分析处理；
无线通信模块能够实现与其传感器节点的数据交互；
能量供应模块主要负责传感器正常工作所需的电能。

针对无线传感器网络低功耗技术，人们从低功耗电路设计和能耗优化算法入手，对节点能耗进行了针对性的研究。

2.1 硬件低能耗

从图2中可以看出，节点的主要能耗来自对数据的分析处理和传输，所以节点硬件设计主要是针对微处理器模块和通信模块的设计选择。冯进通等[2]设计了基于低功耗STC12LE5A60S2微控制芯片和低功耗通信模块MC13213的二氧化碳浓度监测节点。王志秦[3]设计的低功耗无线传感器网络环境监测系统选用了超低功耗微控制器MSP430F5418A和低接收功耗的SX1212无线射频模块。曾闵等[4]针对无线传感器网络电池供电受限问题构建了基于ARM低功耗微处理器STM32F103芯片和SI4421射频芯片的终端节点设计。这些设计中不仅采用了低功耗硬件而且还具有低功耗模式的转换，进一步降低了节点的能耗。朱军等[5]设计的基于SX1278的节点，利用基于LoRa的调制技术达到了远距离通信、低功耗和抗干扰性强的目的。张力塬等[6]设计了NB-IOT自供电监测系统，该系统中传感器节点以低功耗的CC2541为核心，搭配DC-DC稳压技术稳定输出电压，从而达到降低能耗的目的。

通过对无线传感器终端节点架构研究分析，可以将节点架构分为以下两类:①微处理器模块和射频模块各自独立的架构；
②采用了集成处理器和射频模块的SoC架构，适用于对体积要求小的场合。

2.2 软件能耗

在低功耗硬件设计的基础上，针对数据通信提出了各种各样的低功耗算法，例如睡眠调度算法、分簇路由算法等。李哲等[7]的节点自适应休眠调度算法、ZhangJing等[8]的冗余性划分构造算法以及卢为党等[9]提出的时隙切换睡眠调度算法都是将传感器节点分为睡眠和工作两种状态。分簇算法对数据的路由进行了优化，韩广辉等[10]提出的LEACH-E算法优化了簇头选取阶段；
鲁道刚等[11]提出的非均匀分簇路由算法优化簇头选取的同时解决了分簇不均的问题。Alami等[12]提出的MS-ROUTING-GI算法，在分簇的基础上加入了移动节点以降低能耗。

通过对无线传感器网络分簇聚类算法的归纳，可以将聚类算法概述为分布式、集中式和混合式3类。分布式集群中不存在中央控制，但是所有的节点都参与到分簇过程中执行分布式算法，并合作选择簇头和形成簇；
集中式算法中，基站负责构建集群和选择相应的信道，因此它有完整的网络信息，包括节点的位置、电池电量等；
混合式算法是前两种方法的结合，一般在一些节点资源丰富的情况下使用，由基站指定形成簇头，而簇头之间以分布式的方式形成集群协作工作。总的来说传感器节点分簇使得传感器网络允许簇头对数据进行处理，丢弃不必要的数据以及保留了通信带宽，避免了冗余消息的交换。但是不论哪种方式，分簇聚类算法都降低了数据传输过程中的能耗。

伴随着无线传感器网络的发展，其逐渐变成了人们生活中不可或缺的一部分，被广泛应用于生活中的各种场景。虽然无线传感器网络在不断发展完善，但是在实际的使用过程中仍存在着各种各样的问题，其中能耗问题最为严重。从整个网络构成及其运行过程来看,节点的能耗主要有两个研究方向:①传感器节点的硬件结构设计，在选取低功耗模块的同时要考虑其所需的处理能力；
②低功耗优化算法的研究，睡眠调度算法的成本较大且数据传输具有一定的时延，而分簇算法是目前应用最广泛且最有效的低功耗优化算法。分簇过程中实现的合适簇头数量、最优的簇头位置以及簇的创建，避免了网络中出现能量消耗不均衡的现象，进而达到了延长网络寿命的目的。

在无线传感器网络中,传感器节点的工作环境复杂且部署规模较大，节点能量有限且不易更换。因此,如何高效地利用节点能量,降低网络能耗成为传感器节点设计的重中之重。针对无线传感器网络中的能耗优化问题,本文从低功耗硬件设计和低功耗优化算法两方面阐述了网络的低功耗设计方法。系统硬件设计方面，分析介绍了传感器节点的组成模块以及各模块的能耗占比，发现大部分传感器节点主要针对高能耗占比的处理器模块和无线通信模块来设计。低功耗算法方面围绕着如何降低节点能耗、延长网络使用寿命展开，从节点睡眠调度和网络分簇两方面提出了不同的解决方法。总的来说，虽然目前关于节点能耗在硬件和软件方面都有一定的研究成果，但是随着技术和时代的发展，对无线传感器网络的能耗要求也越来越高，所以不论是低功耗硬件的设计还是低功耗算法的研究都需要更进一步的完善。

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