传感器网络电源节能方法详解

目前人们采用的节能策略主要有休眠机制、数据融合等，它们应用在计算单元和通信单元的各个环节。

1）休眠机制

休眠机制的主要思想是，当结点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信单元处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态，即睡眠状态。该机制对于延长传感器结点的生存周期非常重要。但休眠状态与工作状态的转换需要消耗一定的能量并且会产生时延，所以状态转换策略对于休眠机制比较重要。如果状态转换策略不合适，不仅无法节能，反而会导致能耗的增加。

通过休眠实现节能的策略主要体现在以下几个方面。

（1）硬件支持

目前很多处理器如StrongARM和MSP430等芯片都支持对工作电压和工作频率的调节，为处理单元的休眠提供了有力的支持。

图4－24描述了传感器结点各模块的能量消耗情况［13］。从图中可知，传感器结点的绝大部分能量消耗在无线通信模块上，而且无线通信模块在空闲状态和接收状态的能量消耗接近。

图4－24　传感器网络结点各模块的能量消耗情况

现有的无线收发器也支持休眠机制，而且可以通过唤醒装置唤醒休眠中的结点，从而实现在全负载周期运行时的低能耗。无线收发器有4种工作模式：发送、接收、空闲和睡眠。表4－1给出了一种无线收发器的能耗情况，除了睡眠状态外，其他三种状态的能耗都很大，空闲状态的能耗接近于接收状态，所以如果传感器结点不再收发数据时，最好把无线收发器关掉或进入睡眠状态以降低能耗。

表4－1　无线收发器各个状态的能耗

无线收发器的能耗与其工作状态相关。在低发射功率的短距离无线通信中，数据收／发的能耗基本相同。无线收发器电路中的混频器、频率合成器、压控振荡器、锁相环和能量放大器是主要的能耗部件。无线收发器启动时，由于锁相环的锁存时间较长，导致启动时间一般需要几百微秒，因此无线收发器的启动能耗是节能操作中必须考虑的因素。若采用无数据收发时关闭无线收发器的节能方法，则必须考虑无线收发器启动能耗和持续工作能耗之间的关系。(www.xing528.com)

（2）采用休眠机制的网络协议

通常无线传感网络的MAC协议都采用休眠机制，例如S－MAC协议。在数据发送时，如果结点既不是数据的发送者，也不是数据的接收者，就转入睡眠状态，在醒来后有数据发送就竞争无线信道，无数据发送就侦听其是否为下一个数据接收者。S－MAC协议通过建立周期性的侦听和休眠机制，减少侦听时间，从而实现节能。

（3）专门的结点功率管理机制

①动态电源管理。动态电源管理（Dynamic Power Management，DPM）的工作原理是，当结点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，应该把这些组件关掉或调到更低能耗的状态（即睡眠状态），从而节省能量。

需要指出的是，如果结点进入完全睡眠的状态，则可能会引起事件的丢失，所以结点进入完全睡眠状态的时机和时间长度必须合理控制。

②动态电压调节。对于大多数传感器结点来说，计算负荷的大小是随时间变化的，因而并不需要结点的微处理器在所有时刻都保持峰值性能。根据CMOS电路设计的理论，微处理器执行单条指令所消耗的能量Eop与工作电压U的平方成正比，即Eop∝U2。

动态电压调节（Dynamic Voltage Scaling，DVS）技术就是利用了这一特点，动态改变微处理器的工作电压和频率，使其刚好满足当时的运行需求，从而在性能和功耗之间取得平衡。很多微处理器，如StrongARM和Crusoe，都支持电压频率的动态调节。

动态电压调节要解决的核心问题是实现微处理器计算负荷与工作电压与频率之间的匹配。如果计算负荷较高，而工作电压和频率较低，则计算时间将会延长，甚至会影响某些实时性任务的执行。

2）数据融合

相对于计算所消耗的能量，无线通信所消耗的能量要更多。例如研究表明，传感器结点使用无线方式将1bit数据进行100m距离的传输，所消耗的能量可供执行3 000条指令。通常传感器结点采集的原始数据的数据量非常大，同一区域内的结点所采集的信息具有很大的冗余性。通过本地计算和融合，原始数据可以在多路数据传输过程中进行处理，仅发送有用信息，有效地减少通信量。

数据融合的节能效果主要体现在路由协议的实现上。路由过程中的中间结点并不是简单的转发所收到的数据，由于同一区域内的结点发送的数据具有很大的冗余性，中间结点需要对这些数据进行数据融合，将经过本地融合处理后的数据路由到汇聚点，只转发有用的信息。数据融合有效地降低了整个网络的数据流量。

LEACH路由协议就具有这种功能，它是一种自组织的在结点之间随机分布能量负载的分层路由协议，其工作原理如下：相邻的结点形成簇并选举簇首，簇内结点将数据发送给簇首，由簇首融合数据并把数据发给用户。其中，簇首完成簇内数据的融合工作，负责收集簇中各个结点的信息，融合产生出有用的信息，并对数据包进行压缩，然后才发送给用户，这样就可以大大地减少数据流量，从而实现节能的目的。