無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò),，因為在軍事,、工業(yè)、醫(yī)療,、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景而成為近年來的研究熱點,。由于無線傳感器節(jié)點" title="無線傳感器節(jié)點">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(luò)設(shè)計的核心問題,。因此,，傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、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(shè)計時采用低功耗元件外,，動態(tài)功率管理" title="動態(tài)功率管理">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(shè)備根據(jù)需求在不同工作狀態(tài)下進行轉(zhuǎn)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(shè)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" title="控制算法">控制算法的應(yīng)用,。

　　1 系統(tǒng)組成及低功耗設(shè)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(luò)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(shè)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(guān)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(guān)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(shè)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(guān)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(guān)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(luò)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(zhuǎn)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)" title="睡眠狀態(tài)">睡眠狀態(tài),，此狀態(tài)下大部分元件處于關(guān)閉狀態(tài)，此時的功耗最小,。假設(shè)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(zhuǎn)換到狀態(tài)Sk，如圖2所示

　　狀態(tài)Sk的功率為Pk,，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間和恢復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間,。

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

 　　3 DPM算法

　　文獻中提出了基于概率判別無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)功率管理,。此方法對于是否進入完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，給出一個概率值,，利用概率判別來進行有效的功率狀態(tài)轉(zhuǎn)換,，如果概率值偏大，則進入完全休眠狀態(tài)的機率增大,，能量消耗減少,，但事件丟失的可能性增加；否則,，使用能量增多,，事件丟失的可能性減小。文獻提出了一種利用小波和卡爾曼濾波和自回歸分析聯(lián)合預(yù)測下一事件發(fā)生的時間來決定進入何種功率狀態(tài)的方法,。該方法根據(jù)歷史事件的到達時間來預(yù)測下一事件的發(fā)生的時間,。在森林火警監(jiān)視、洪水監(jiān)測等特殊事件發(fā)生概率很小,。歷史數(shù)據(jù)無法獲得的應(yīng)用領(lǐng)域,。文獻提出了一種利用小波和自回歸的動態(tài)功率管理方法。該方法利用收發(fā)器 (Sink)節(jié)點上的歷史數(shù)據(jù)流預(yù)測未來的值，在后續(xù)周期內(nèi),，若傳感器節(jié)點的觀測值不超過給定閾值則不向Sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),，Sink節(jié)點將預(yù)測值作為觀測結(jié)果,，通過減少傳感器節(jié)點工作時間,，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量來減少傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體能量消耗。由于無線通信占整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要部分,，所以在不影響系統(tǒng)性能的前提下,，有效地對無線收發(fā)系統(tǒng)進行管理可以高效地降低系統(tǒng)能耗?；旌献詣涌刂?Hybrid Automata)是根據(jù)傳感器檢測信息的變化情況來控制傳感器節(jié)點收發(fā)的頻率,，通過增加休眠時間、降低收發(fā)次數(shù)對無線傳感器節(jié)點進行動態(tài)功率管理,，從而降低系統(tǒng)功耗,。

　　4 混合自動控制

　　4．1 混合自動控制原理

　　在混合自動控制條件下，系統(tǒng)分為幾個離散的狀態(tài),，每個狀態(tài)都有一定的保持條件,、相應(yīng)的控制變量、初始值和向其他狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界值,。當環(huán)境變量改變或保持不變時,，通過對形勢加以分析(反饋)來執(zhí)行在不同狀態(tài)模式之間的轉(zhuǎn)換。圖3為混合自動控制示意圖,。

　　假如系統(tǒng)存在兩種狀態(tài)l1和l2,，一個動態(tài)變量x，系統(tǒng)開始的狀態(tài)為l1,，x的初始值為20,，在狀態(tài)l1下，變量x隨著等式不斷增大,，當x的值等于30時,，就達到了臨界條件，時,，迅速地進入狀態(tài)l2,。在狀態(tài)l2，x隨等式x=x-0．5遞減,，臨界條件是 x="25",，當x<25發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換進入狀態(tài)l1。在實際運用中,，此示意圖可以理解為傾斜角度控制在25°～31°之間,。

　　4．2 混合自動控制算法在無線傳感器節(jié)點上的實現(xiàn)

　　由于對運動中物體的傾角測量在交通、航天、軍事等領(lǐng)域有著重要的意義,，這里采用加速度傳感器對傾斜角進行測量,，介紹混合自動控制算法的應(yīng)用?；舅悸罚簾o線傳感器節(jié)點根據(jù)環(huán)境變量的連續(xù)性變化,，對傳感器執(zhí)行離散的處理應(yīng)用，當環(huán)境參數(shù)改變(增加或減小)時,，傳感器的狀態(tài)變量相應(yīng)改變,，當改變到臨界點時，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一功率狀態(tài),。首先對系統(tǒng)作如下要求：變量x表示所測量的傾斜角度值,，最高為30°，最低為8°,，它代表環(huán)境參數(shù)的改變,，是各狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的主要因素；變量z為計時器,，用于狀態(tài)的計時,。為了簡化控制過程，把系統(tǒng)分為三個狀態(tài),，l1為睡眠狀態(tài),，此時傳感器模塊和無線收發(fā)器都處于不活動狀態(tài)，控制系統(tǒng)保持l1狀態(tài)為60 s,。其不等式條件為z≤ 60,，當z>60時，轉(zhuǎn)入狀態(tài)l2,。狀態(tài)l2和l3表示不同的采集和無線傳輸頻率的活動狀態(tài),，狀態(tài)l2下的采集和無線傳輸頻率低于l3，此時每間隔 10 s發(fā)送一次采集的傾斜角度數(shù)據(jù),，在發(fā)送完之后,，無線收發(fā)器和傳感器進入關(guān)閉狀態(tài)等待下一個周期的到來。運行過程中,，當傾斜角的變化在O．5°～5°之間 (O．5≤|x-xold|≤5)且傾斜角度不超過30°(x≤30°)時,，系統(tǒng)運行在狀態(tài)l2；當傾斜角度變化大于5°(|x-xold|>5) 或x>30°時,，系統(tǒng)進入狀態(tài)l3運行,；當傾斜角度變化小于0．5°(|x-xold|<0．5)且x≤30°時，節(jié)點處于睡眠狀態(tài)l1,。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示,。

 　　在狀態(tài)l3下,。節(jié)點各部分都處于活動狀態(tài)，每間隔1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù),，用于傾斜角度變化過快或角度達到了高危值,。節(jié)點開始于狀態(tài)l2，一般情況下,，當傾斜角不發(fā)生變化或變化值低于O．5°,，系統(tǒng)在狀態(tài)l1和 l2之間轉(zhuǎn)換，即數(shù)據(jù)在每間隔60 s發(fā)送一次,，間隔期內(nèi),，節(jié)點處于睡眠模式,，以節(jié)省能耗,。如果變化值超過O．5°，系統(tǒng)進入狀態(tài)l2,，否則,，當變化值超過5°，就進入狀態(tài)l3,。使用該算法,，在傾斜角變化正常的情況下，設(shè)無線傳感器節(jié)點直接和sink節(jié)點通信,，則節(jié)點大部分的時間處于狀態(tài)l1,。

圖5為混合自動控制算法在MSP430和nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng)中實現(xiàn)的簡化流程圖。

　　5 結(jié)語

　　由于傳感器節(jié)點各部分存在著多種工作模式并且能量消耗差異較大,，所以通過動態(tài)功率管理方法可以在系統(tǒng)級有效地降低節(jié)點的功耗,，這里在介紹無線傳感器動態(tài)功率管理基本原理的基礎(chǔ)上，對幾種典型的動態(tài)功率管理方法進行了分析研究,，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境參數(shù)(如加速度,、溫度等)變化穩(wěn)定的情況下，通過混合自動控制算法對環(huán)境變量的變化值范圍劃分來設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài),，控制無線收發(fā)模塊的收發(fā)頻率,，能增加節(jié)點的休眠時間，減少收發(fā)次數(shù),，從而有效地降低系統(tǒng)功耗,，最后通過 MSP430、nRF905無線加速度傳感器系統(tǒng),，介紹了混合自動控制算法的應(yīng)用,。