- 33 -
高 新 技 术
0 引言
无线传感器装置组成的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）属于一类比较成熟的信息科技，已经在环境保护监测、医疗卫生保健以及工业控制等领域获得了非常广泛的实际应用[1] 。
居家地毯
WSNs 一般由多个无线传感器装置的节点构成，通常该类节点共同监控同一个应用环境，数据信息经过无线通信的形式传送到1台或者多台被称作sink 的远距离主机。无线传感器装置的节点通常由处理器单元模块、信息存储单元、传感装置以及信号收发装置等元器件构成。一般情况下，上述设备都是依靠电池提供电能，因此其使用寿命受到较大的限制，在这种情况下，电能的供应成了WSNs 系统最大的制约要素之一，特别是在相关网络工作需要进行几个月甚至是几年的状态下，这种影响更为明显。 1 无线传感器装置节点的能量损耗情况研究
无线传感器装置节点位置的电能损耗通常来源于数据收集单元的调整电路、数据采集单元的微处理器以及内存模块、信号传送单元的射频电路系统。传感装置的调整电路所消耗的电能较低，因此节约电能消耗的余地较小。微处理模块的电能损耗分成静态消耗以及动态消耗2个部分，其中以减少动态消耗为降低电能消耗的主要目标。因为微处理模块的动态消耗功率与电压、电容以及时钟频率等指标有比较紧密的联系，所以能够通过减小时钟频率和电压来减少动态消耗。假如在降低电压的条件下减少时钟频率指标，那么就可以减少动态消耗，这时微处理器的工作频率由210 MHz、1.6 V 变成160 MHz、1.1 V，可以节约大概55%的能量消耗。
DVS 相关技术能够动态地调整微处理模块的电压和频率，调整的周期伴随节点的运行负荷而发生相应改变，进而降低空闲状态下不必要的能量消耗。射频电路部分的电能损耗是节点部分中占比最大的。根据无线传感装置相关节点的行业标准，射频电路通常需要应用功耗较低、价格低廉且尺寸较小的成熟元器件。参考系统总体能耗，在选用该射频电路时，需要降低功率并且必须具备节能模式，例如Nordic VLSI 公司生产的单片模式射频收发装置nRF905，该产品的功耗较低且具有空闲和关闭模式，可以
轻松地实现节能的目标，还可以借助微处理模块的动态调节射频模块指标，使其工作时的能耗状态可以在工作模式和空闲模式之间灵活调整，从而减低系统的能耗。
2 电能的聚集和管控工作
对于无线传感器装置节点处的能量收集问题，EH-WSNs 系统采用了一类全新的电能管控模式EM，该模式的主要功能是依据目前系统总体的能量保有量，并借助动态改变的吞吐量来调节相关网络节点的各项性能指标，EM 模式能够与多种类型的MAC 协议共同作用。将系统时间
miad530分隔成大小相等的时间长度间隔T ，当前系统总体能量剩余值用e R 来表示，系统的唤醒时间间隔用T wi 来表示。
2.1 电能的预估计系统EBC 的设计研究
能量EM 管控模式主要用于控制系统产生能量及消耗能量的相关指标。然而如果想要准确把控相关的数值是一项非常困难的任务，而且还会伴随较高的能量损耗。相关工程技术人员开发设计EBC 系统的初衷就是为了让该设备始终维持在ENO-MAX 的运行状态之下，因此，借助动态方式来调节电能的预计参数，可以使系统消耗的电能和系统长期捕获到的电量达到平衡。
2.2 吞吐容量的计算TC 模块的开发
研发吞吐容量的统计计算TC 模块的目的是为了能够捕捉网络节点位置在特定时间过程的实际能量的吞吐量，并将其用来和EBC 系统所明确的电能相互平衡。因为无线通信数据传输过程的电能消耗最大，所以指定的电能预估算的节点位置处的吞吐量和MAC 系统相关协议的关联性较强。MAC 系统的
相关协议会将1个数据包发送过来，一般来讲，该环节可能需要多个步骤来实现，例如捕获／发出信号标识帧、发出数据帧以及捕获系统确认帧等步骤。用NS 来代表相关网络协议的通信节点位置有可能处在的状态数值。所有的状态都是各个不同模块状态下的综合概念。状态情况i ∈｛１，…，Ns｝，单包的数据信息传送进程使用τi 来表示，节点位置可以使用相应的系统功耗P i 来表示。为此，完成测量以及传输单独数据包的全部进程的所消耗电能，如公式（1）所示。
纳米烟嘴e T =∑Ns i =1τi P i
（1）
无线传感器装置网络节能的分析
秸杆燃气炉王晓英 陈玉玲
（沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122）
摘 要：无线传感器的节点通常依靠电池提供能源，但是电池存储的电能有限，会缩短无线传感器装置网络的使用寿命，因此，如何最大幅度增加传感器装置的寿命是一个重点的研究课题和方向。该文对无线传感器装置的节能效果进行研究，从能耗管理角度借助能量数值估算使得传感器装置的节点在工作时位于中性的能量区间，进而提升其能效。通过实验的结论说明，与常规的方案相比，该方法在
能源使用率、吞吐量及功耗层面取得了较大的提升。关键词：传感器装置；无线传感器；能源效率中图分类号： TP 27 文献标志码：A
- 34 -
高 新 技 术
式中：
e T 为完成测量以及传输单独的数据包所消耗的电能；Ns 为节点数量。
关键节点在一个时间间隔k 上的能耗如公式（2）所示。e C [k ]=T /T W I [k ]e T -（T +T /T W I [k ]）P s （2）式中：
e C [k ]为关键节点在一个时间间隔k 上的能耗；T W I [k ]为时间系数；
T 为时间间隔；P s 为关键节点在休眠状态时的功耗。
τT 为发送信息数据包的总时间τT =∑N s
i =1τi ，
能耗e C [k ]等于能量预算e B [k ]，唤醒时间间隔设定为：
一般状态下的系统MAC 通信协议主要是根据伪异步模式来运行的，这就机器人电主轴
给τi 数值的评估工作造成较大的难度。通常不同数据包的传输过程在空闲和接收数据包的状态下，其时间长度具有较大的区别。因此如果该数值估计结果的准确性，那么网络节点位置所使用的电能很可能和EBC 系统计算得到的电能的预算数值存在较大的差距，这种情况将会引起电力系统的运行故障或者是造成不必要的电能浪费[2]。
3 唤醒接收器装置的系统MAC 网络协议
目前，已经有大量的关于无线传感器装置网络中的系统MAC 网络相关协议的规划设计和实际运用的研究数据和结果。系统MAC 能够划分为同步模式、伪异步模式以及异步模式。在同步模式状态下，相邻位置的节点将会同时被系统唤醒。然而在运行EH-WSNs 系统的情况下，外部环境的电源装置可以供应的电能将会随着时间以及空间的变化而发生持续的不规则变化，这种特性使同步模式不适用于相关的应用状态和场合。事实上，通过捕捉电能来供应电能的节点位置需要具备动态调节系统的占空比能
力，伪异步模式以及异步模式的运行方案使所有节点都可以与其他节点的调节过程相互独立，不受其他节点动作的影响，单独进行调节。常规的伪异步模式的解决方案比较依赖于系统占空比的循环过程，其中网络节点位置依据系统特殊的时间间隔周期性地断开或者开启系统的电源装置。
伪异步模式能够细化分成发出端发起或者接收端发起，在发出端发起的解决方案中，接收信号的网络节点位置将在周期性的固定时间点被唤醒，随后对相关的信道进行监控，假如系统察觉到该信道是处在空闲状态，那么就会在短时间的唤醒之后重新进入休眠状态。如果单一网络节点位置存在1个数据包需要传输的时候，其就会将1个请求信号传送到目标的网络节点位置处，所有的网络节点位置都存在1个监控的时间周期。当目标节点被唤醒的同时，就会获得1个信号传送请求，并且借助1条数据信息回应给传送网络节点，该信息数据包将被传送出去。在接收端发起的解决方案中，接收端的网络节点位置将会定时被唤醒并且传送出1个数据包信号，同时对相关信道进行短期的监控，假如没有监测到相关的数据信号，那么就会重新进入睡眠模式。假如网络节点位置需要传送数据信息，那么它将会通过监听接收器装置来清除相关的信号通道，并在接收信号之后发送信息数据包[3]。
4 试验数据结果及相关研究4.1 关键节点体系结构
之所以选取超级电容器作为存储设备，是因为它拥有比电池更耐用的技术优势，可以提供密度更高的功率。基于多能源转换的WSNs 关键节点硬件体系如图1所示。基于MESC 架构的PowWow 平台选用
制作简单机械了CC1125无线电芯片，储能装置为0.95 F 的超级电容，最大电压为5.15 V，节点供电所需要的最小电压为2.85 V。剩余能量e R 的计算如公式（3）所示。
e R =1/2CV c 2
（3）式中：
C 为超级电容；V C 为电容器的电压。图1 基于多能源转换的WSNs 关键节点硬件体系
根据公式（3）能够测量DC-DC 转换装置在不同电
压（2.85 V~5.15 V）下各τi 的功耗P i 。表1提供了物理层PHY、MAC 协议及能量预算EBC 的相关试验参数信息。
表1 相关试验参数信息表
参数（Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）
值（Ｖａｌｕｅｓ）
ＭＡＣ
下降唤醒接受器
（ＵＰＭＡ－Ｘ－ＭＡＣ ａｎｄ ＰＷ－ＭＡＣ）
最大转发数量
２５０ ｍｓ２ＰＨＹ解码理率字符数据解码率ＷｕＢ转换能量字符数据转换能量r
１ ｋｂｐｓ２０ ｋｂｐｓ１２．５ ｄＢｍ－６ ｄＢｍ
ＥＢＣ
电容数值Mc 电容数量Kc 电感数值MD 电感数量KD 磁通量△eB 下沉能量数值E 下降ＥＭＩ能量数值E 上升ＥＭＩ能量数值E 最大ＥＭＩ能量数值E 最小ＥＭＩ能量数值E ０．０１２．００．５ Ｈ２．０５ ｍＪ３．５２８ Ｊ１２．４０ Ｊ１２．４５ Ｊ１２．５０ Ｊ０．０４ Ｊ
4.2 具有超低额定功率的唤醒接收装置研究
ULP W u R x 使用开关键调节OOK 数值，该技术方法是最容易实现的键控ASK 调节方案。当ULP W u R x 监测出现载波时，就会迅速唤醒微控制装置，此时微控制装置读出嵌入W u B 中的物理地址并进行匹配。假如接收到无效的物理地址，那么微控制装置就会重新调节至休眠状态；如果物理地址是正确的，那么就应用中断装置唤醒节点MCU。
- 35 -
高 新 技 术
4.3 与MAC 网络技术协议对比研究
将标准版无线通信电源管理构造PW-MAC 与UPMA-X-MAC 进行对比得出，关键节点借助持续发送信息数据包开启通信过程，直至收到接收装置的ACK 帧数。假如接收装置检测到信息数据包并将其全部接收，那么就由sink 关键节点发出ACK 帧数，UPMA-X-MAC 与PW-MAC 网络技术协议如图2所示。其中Node 指的是网络节点，sink 指的是下沉，DATA 指的是数据包，ACK 指的是字符，Listening 指的是数据接受，sink wake-up 指的是下降唤醒，a UPMA-X-MAC 协议指的是一类开源的X-MAC 协议，Packet ready to be sent 指的是准备发送的数据包，Wake-up at the predicted time 指的是在预先设定的时间进行唤醒，BCN 指的是宽频通信网络。
PW-MAC 网络技术协议指的是一类由接收端发出的相关网络技术协议，通常注重发出端及接收端的能源消耗效率。应用PW-MAC 网络技术协议的信息数据包传输速度较快。相关网络数据信息接收装置在接收端呈现周期性唤醒状态并且可以输送信号帧数。任何一个关键节点在发出端都能够精准地判断接收装置将在什么时间醒来。假如需要发送相关的信息数据包，那么关键节点就会在接收，发送下一类信号之前醒来。如果获取重要信号，那么关键节点就会发出信息数据包并且延迟等待，直到ACK 帧数到达特定数量。在任何一个信息数据包传输相关参数的过程中，都会计算该预测发生的误差值，关键
节点根据该误差对节点预测周期进行更新。相关工程技术人员为了判断MAC 网络技术协议的能量消耗效率，需要对每个信息数据包传送及接收的能耗进行检测。在10.15 Ω电阻及3.15 V 电源并联的情况下，检测出这3种网络技术协议的能耗运行轨迹。该文除了针对能耗进行了研究以外，还校核出与EUC 度量有关的ξ∞值（能量极限值）及H 值。
由有关试验的检测数值结果可知，
P C 数值是主要节点的功率损耗。相关结果也表明与其他网络技术协议进行对比，应用PW-MAC 网络技术协议输送参数数据包的功率损
耗值处于最低曲线位置，该协议只需要输送数据帧数（B ）。假如相关参数数据关键载荷的扭矩固定不变，那么输送参数数据包的能耗就是恒定不变的。试验中的sink 参数能够得出参数数据包接收的3个频段，发出
W u B（A ）随后接收参数数据帧数（B ）。因为与非W u B 帧数进行对比得出输送W u B 协议的比特频率数值比较小且额定功率数值较高，所以轮询技术框架相关节点比接收装置的能量消耗多一些。该试验结果能够触发信息数据包中任何一个时间节点的唤醒间隔，且只允许接收装置在合理的轮询节点进行工作。
在MAC 网络技术协议的试验过程中，体现了信息数据包整个参数的传输过程，在该试验中分别验证了应用PW-
MAC 网络技术协议实施分组传送及接收的能量损耗状况。应用该网络技术协议输送相关信息数据包要求接收数字
信标号（A ）及跳动帧数ACK（C ），该操作导致输送相关信息数据包的能耗大于应用SNW-MAC 网络技术协议的能量消耗。除此以外，参数信息发送端将会在信号接收装置发出信号前的较短周期内被唤醒，从而避免预测断出现错误信息。该时间间隔在每一次数据信息传输过程中都是不一样的，造成每个数据信息包的传输能耗都是处于不恒定的状态。因为时钟存在漂移状况，所以导致预测会产生比较大的误差，当相关网络技术协议超出某个固定的阈数值时，相关装置就会激活预测状态并对其进行升级与更新，这就会产生非常高的能量损耗。应用SNW-MAC 网络技术协议不用传送ACK 帧参数，与应用PW-MAC 网络技术协议对比，其能够在一定程度上抵消W u B 传输造成的能量损耗。
5 结语
综上所述，对无线传感装置网络系统能量进行回收及管控是解决能量消耗问题的关键技术方法。经过对能量回收及管控技术方法的分析探索，把异步MAC 网络技术协议及超级低级别功耗唤通接收装置相结合，在行星拓扑构造参数信息收集传感装置网络中的相关试验数据证明，与PW-MAC 网络协议进行
对比，SNW-MAC 网络技术协议能够获取更加显著的吞吐性增益结果，大幅提升了无线传感装置在网络工作过程中的能源节约效率。
参考文献
[1]张华南，金红.基于连通支配集的无线传感器网络洪泛协议[J].计算机工程与科学，2019，41（12）：2143-2153.[2]吴宣够，储昭斌，郑啸，等.链路不可靠下稀疏投影无线传感器网络数据收集研究[J].计算机学报，2019，42（2）：
388-402.
[3]文波，皇甫伟，张中山.无线传感器网络协作通信技术综述[J].软件学报，2016，27（1）：71-81.
图2 UPMA-X-MAC 与PW-MAC 网络技术协议
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议