低功耗无线传感器网络节点的实现与寿命评估

王丙元，刘锡盟，吕忠义

（1.中国民航大学航空自动化学院，天津　300300；2.大连市政设计研究院有限责任公司，大连　116001）



低功耗无线传感器网络节点的实现与寿命评估

王丙元1，刘锡盟1，吕忠义2

（1.中国民航大学航空自动化学院，天津300300；2.大连市政设计研究院有限责任公司，大连116001）

摘要：机场助航单灯监测无线传感器网络节点存在能量约束问题。为降低节点能耗、延长网络寿命，从硬件能耗、软件控制、路由算法3个方面讨论了节点的节能设计。寿命评估可为传感器网络的可靠性设计及节点维护提供依据。通过差分采样能耗测试方法测试了节点能耗，为系统整体寿命评估提供了初步依据。

关键词：无线传感器网络；助航灯光；低功耗；能耗

为保障飞机的安全飞行，要求每天对助航灯光定时巡检［1］。无线传感器网络由于其部署灵活、安装方便、功耗低等优点，在国内外机场运营的诸多方面已有研究和应用［2-3］。针对机场助航灯具数量众多、人工巡检不便的情况，已有研究采用自动化巡检的单灯状态监测系统来代替传统的人工巡检方法［4］。将无线传感器网络技术应用到助航灯光自动监控应用中，不仅可以将维修人员从繁重的人工巡检工作中解脱出来，还能及时发现故障，适时进行视情维修，以提高机场安全保障能力［5］。

《国际民用航空公约》附件14中规定：附加监测设备在发生故障时不能影响原灯光系统的工作状态［6］。为保障灯光系统可靠性，无线传感器网络的监控节点采用电池供电，与助航灯光的供电回路隔离。同时，机场进近区助航灯光数量较大且分布范围较广，使得监控节点不便于维护。因此，助航灯光监控节点存在着能量约束问题。本文通过分析无线传感器网络技术的能耗特点，提出了无线传感器网络的节能措施，并以此为指导设计了低功耗的助航灯光监控节点。通过差分采样的能耗测试方法测试了节点能耗，为系统的整体寿命评估提供了初步依据。

1　助航灯光监控节点能耗分析

1.1节点结构分析

助航灯光监控节点根据助航灯光的位置分布在监控区域内。监测节点是整个网络的基础，主要由处理器、无线通信、传感器和电源4个模块构成，基本结构如图1所示。

助航灯光监控节点模块各部分协调工作，实现传感网络节点基本功能。处理器模块是核心，负责完成系统的任务调度、数据处理、实现通信协议；通信模块接收上位机发送过来的指令，同时发送采集到的灯光状态信息；数据采集部分收集助航灯光工作状态数据并判断相应助航灯光工作状态；电源模块为系统提供稳定的电压，保障节点正常工作。

图1　单灯监控节点模块框图Fig.1　Module diagrarn of single-lamp monitoring node

1.2节点能耗分析

由图1可知节点的能耗来自3个硬件模块。其中，处理器模块的能耗主要来自CPU与存储器。传感器模块能耗由单次采样能量消耗和采样频率决定。由于电子集成工艺的快速发展，高度集成的处理器和传感器的能耗已变得相当低。通讯模块的能耗与其调制方式、发射功率和操作周期等因素密切相关。通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态，发送状态的消耗远大于空闲状态和接收状态的消耗，而在休眠状态下的能量消耗是最小的。

无线传感器网络借助路由算法引导各个节点通过协作完成传感器数据的传输。就整个网络而言，路由算法决定节点的收发活动，其算法优劣影响节点能耗的大小。就单个节点来讲，节点软件需要在实现数据路由功能的前提下对上述硬件资源的使用进行有效调度。

综上所述，通过合理的节点软硬件设计及高效的无线传感器网络通信路由协议，可有效降低助航灯光系统监控节点的能耗。

2　低功耗设计

2.1硬件低功耗设计

1）选用超低功耗、高集成度、片内资源丰富的处理器芯片，充分利用处理器自身资源代替其他硬件电路来降低仪器功耗、简化系统电路结构。

2）对系统进行动态电源管理，以系统正常稳定工作为前提，通过降低系统工作电压、工作时钟频率或选择进入休眠模式以降低系统能耗。

在助航灯光监控系统节点设计中，监控节点选择超低功耗MSP430G2553为处理器，该型号单片机可在1.8～3.3 V电压下稳定工作。该处理器有6种工作模式可供选择，在低功耗模式3下工作电流仅为0.2 uA，使用内部集成的低功耗A/D转换模块作为数据采集单元。选定低功耗CC1101作为无线收发模块，其系统电路如图2所示。

图2　单灯监控节点电路图Fig.2　Circuit of single-lamp monitoring node

2.2软件低功耗设计

低功耗软件设计涉及两个方面：①充分利用处理器的睡眠机制，利用中断唤醒功能替代循环、查询、动态扫描等工作方式。通过软件设定工作模式，在低功耗模式下进行定时、A/D转换等工作。②对电路中用电模块进行电源管理，根据工作需要来接通相应模块的电源，待事件处理完毕后切断相应模块的电源。

系统初始化完成之后处理器进入低功耗模式3。无线收发模块保持在无线唤醒状态，周期性地从睡眠状态经中断唤醒进入接收模式接收数据，以降低无线收发模块功耗。助航灯光的电源系统为恒流系统，需要采集灯光两端的工作电压来判断灯光的工作状态。MSP430G2553单片机内部包含片内A/D转换模块，平常处于关闭状态，在接收到监控节点的采样指令后开启A/D转换，完成采集任务后关闭A/D模块。

2.3低功耗通信路由协议设计

高效的无线路由协议可通过降低通信能耗、平衡负载、融合传输数据来降低系统的能耗，延长网络的寿命。文献5在LEACH协议基础上提出面向机场进近区助航灯光单灯监控系统的路由协议（AL-CADE），协议中簇头的选举使用节点剩余能量和传输距离双重约束。仿真表明：AL-CADE协议显著降低了网络能耗，延长了系统的工作周期。

3　节点能耗测试

3.1能耗测试方法

为评估系统的能耗、可靠性等参数和系统寿命之间的关系，需对节点进行能耗测试［7］。目前的能耗测量方案大致可分为2类：全系统软件仿真与硬件模拟实验。前者采用模拟仿真工具在给定参数下对节点运行时刻的能耗进行分析评估，与实际情况有着一定的差距。进行节点寿命评估时测试节点真实能耗数据更为合理，故采用外接硬件电路实验。外接硬件主要有下面2种方法：电流探针法和采样电阻法，其电路原理如图3和图4所示。

图3　电流探针法Fig.3　Current probe approach

图4　采样电阻法Fig.4　Sample resistor approach

电流采样的精度易受到电流探针的限制，无线传感器网络的电流消耗为mA级，对电流探针要求较高，而且在测量过程中受到外界环境的影响导致测试误差较大。电阻采样测量方式，测量电路简单易行，采用高精度采样电阻，测量精度可满足要求，且不易受外界环境干扰［8］。参考图4可计算系统工作电流。图4中采样电阻R被选为阻值为0.5 Ω的小阻值精密电阻，大大减少了采样电阻的压降对被测系统的影响。差分放大器的增益为K，将采样电阻上的弱信号V1放大为V2。微控制器上集成的AD转换器对信号V2进行采样处理，并进行相应的功耗计算。

3.2实验数据测试

传输距离是无线传感器网络参数设计的重要指标。在助航灯光系统中需根据灯光位置分布选择合适的发射功率。以某机场北进近区为参考，将整个区域分为5个180 m×10 m的小区域，经过路由协议簇头选举与簇头优化可得每个小区域内含有4个簇头［5］。为验证CC1101传输距离，在室外进行了一系列实验。本次实验环境为室外空旷地带，天气晴朗，温度为摄氏0℃左右。测试结果如表1所示。

表1　不同发射功率下的节点传输距离Tab.1　Communication distance at different transmiting powers

传输距离是由发射功率来决定的。由测试结果可知，当发射功率为7 dBm时，传输距离达到100 m，能够覆盖簇内节点且丢包率不到2%，可满足通信要求。因此文中设计发送功率采用7 dBm。

为评估节点的寿命，将差分放大器增益K设为20，采用阻值0.5 Ω的精密电阻作为采样电阻对系统的功耗进行了一系列测试。7 dBm发送功率下采样电阻的电压波形图，如图5所示。

图5　7 dbm发射功率下采样电阻上的电压波形图Fig.5　Voltage on sample resistor at 7 dbm transmiting power

经过多轮测量，求得在7 dBm发射功率下平均电流消耗，如表2所示。

以同样的测量方法对系统在休眠状态、接收状态、空闲状态以及片内A/D采样的功耗进行了测试，结果如表3所示。

表2　7 dbm发射功率下电流值Tab.2　Current at 7 dbm transmiting power

表3　各状态下系统工作电流Tab.3　Current consumption at different modes

从表3可得出如下结论：系统在休眠状态下能量消耗最低。故当巡检任务完成后，节点应进入休眠模式以降低功耗。

3.3节点寿命评估

由于采集、发送和接收数据时间极短，数分钟内即可完成对所有灯光的巡检。设定每个节点每天发射工作1 min，由于CC1101无线唤醒的存在，则每天接收时间约为10 min，其余时间处于睡眠状态。在灯光两端电压采集过程中需进行A/D转换，其中采用频率为32.78 kHz，每次巡检采样16次。根据能耗公式可得每天消耗Cd为

其中：It为发射状态电流大小，tt为发射时间；Is、ts分别为睡眠状态的电流大小与睡眠时间；Ir、tr分别为接收状态的电流大小与接收时间；Ia/d、ta/d分别为采样电流与采样时间。

经计算可得Cd= 4.91 mAh，而3节干电池的容量C为6 000 mAh，经过计算可得节点寿命Ln为

经测试计算可得出节点能够正常工作1 223天的结论，但由于每次巡检时都要进行簇头选举，任何一个节点都有成为簇头的可能性。作为簇头节点，需要管理簇内节点，融合簇内节点数据，此时能量消耗多，系统的工作寿命相应缩短。节点的实际运行寿命要比1 223天少，此数据可作为传感器网络监控系统可靠性设计的初步依据。

4　结语

本文从系统硬件、软件编程以及通信机制3方面进行了助航灯光低功耗监控节点设计。对发射功率的传输距离进行了室外测试，实验测试7 dBm发射功率可满足机场助航灯光系统数据传输距离的需求。采用电阻采样方法测量了网络节点能耗。根据所测的能耗数据初步估算了助航灯光监控节点的平均寿命，为进一步的系统设计提供了依据。

参考文献:

［1］中国民航局.民用机场运行安全管理规定（CCAR-140）［G］. 2008.

［2］郭小琴，孙毅刚，陈维兴.机场场面无线传感器网络监控系统关键技术研究［J］.计算机工程与设计，2009，30（22）：5106-5108.

［3］ALMIR D，HWA C. Airport Protection Using Wireless Sensor Networks ［C］//IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security，2012：36-42.

［4］李丽，陈汝义. iFIX在机场助航灯监控系统中的应用［J］.工业控制计算机，2009，22（12）：12-13.

［5］王丙元，张晶晶.机场助航单灯监控无线传感器网络低能耗路由研究［J］.传感技术学报，2012，25（10）：1438-1444.

［6］国际民用航空公约附件14-机场［S］.国际民用航空组织，2007.

［7］MILENKOVIC A，MILENKOVIC M，JOVANOV E，et al. An Environment for Runtime Power Monitoring of Wireless Sensor Network Platforms［C］//In System Theory，2005 SSST’05. Proceedings of the Thirty Seventh Southeastern Symposium，IEEE. 406-410.

［8］牛星，李捷，周新运，等.无线传感器网络节点能耗测量及分析［J］.计算机科学，2012，39（2）：84-87.

（责任编辑：黄月）

Implementation and lifetime appraisal of low power wireless sensor network nodes

WANG Bingyuan1，LIU Ximeng1，LYU Zhongyi2
（1. College Aeronautical Automation，CAUC，Tianjin 300300，China；2. DaLian Municipal Design＆Research Institute Co.，LTD，Dalian 116001，China）

Abstract:Energy constraint is a crucial factor limiting the performance of single-lamp monitoring WSN（wireless sensor network）for airfield navigation lights. To reduce energy consumption of nodes and thus prolong lifetime of WSN，nodes are designed from three aspects appr including hardware energy consumption，software controlling structure and routing algorithm. Lifetime appraisal of nodes facilitates reliability design of WSN and maintenance of nodes. By accomplishment of differential-sample-based node energy consumption measurement，the appraisal of lifetime is fundamentally made valid.

Key words:wireless sensor networks；navigation lighting；low power；energy consumption

中图分类号：V351.32；TP393

文献标志码：A

文章编号：1674－5590（2016）02－0032－04

收稿日期：2015-07-02；修回日期：2015-09-23基金项目：国家自然科学基金项目（U1333102）

作者简介：王丙元（1968—），男，辽宁朝阳人，教授，博士，研究方向为测控自动化.