低功耗技术在无线传感器网络中的研究与设计

柴 韬

（霍尼韦尔（中国）有限公司，上海 201203）

低功耗技术在无线传感器网络中的研究与设计

柴 韬

（霍尼韦尔（中国）有限公司，上海 201203）

无线传感器能对各种环境下的对象进行实时监测，还能对对象进行感知和采集信息。无线传感器的设计目的是通过低功耗技术对WSN的体系结构、节点和网络各个层次的通信协议等多个角度进行设计，使其能够解决无线传感器网络设计中目前需要解决的一些问题。

低功耗；无线传感器；网络；研究与设计

最近几年来，随着我国科技技术的不断蓬勃发展，微机电系统以及低功耗技术高集成手段制成的数字化设备也得到了深入的钻研和发展，市面上也随之出现了一些成本低，功耗小的小体积类型的传感器节点。并且传感器和微电子及通信方面技术的不断研发深入，使得无线传感器网络（W ireless Sensor Network，WSN）技术也诞生了，并且得到了广泛的应用，国家也对其技术的研发日益重视起来。

1 低功耗技术对无线传感器网络系统功耗的重要作用

WSN与其他传统网络有所不同的是，WSN的网络节点是以自组织方式进行大规模密集部署的，所以，对网络的要求就需要具备很强的自适应性、自组织性等，而WSN节点所组成的网络之间的协议和算法受到制约而且分布范围较大，使其自身的计算和存储能力都特别低下，所以，节点处的电源如果耗尽了，就会对整个网络功能造成最直接的影响效果。还有由于网络节点通常只能进行一次使用，还受到很多的因素限制，使WSN节点的电源供给不能得到及时更换，有时需要被使用许多年，所以低功耗技术的应用有利于网络设计能量效率的提高。

2 无线传感器网络节点的构成和工作方式以及网络体系结构的分析

2.1 无线传感器中对于网络体系结构的相关分析

无线传感器中的网络结构形式既复杂又多样，不过都能够将其归纳为两种类型，使其在国际中具有代表性，第一种是呈现分簇状类型的层次结构，第二种是节点呈现水平形式的结构体系，分簇状类型的层次结构能使WSN的负载得到有效的分配和均衡，有效解决了泛洪问题。分簇层次结构模型的网络中遍布着许多的无线节点，这些无线节点能够对信息进行感知，并将其传送给负责监控的部门，WSN节点由于具有密集化的分布形式，使其呈现出簇状结构，通过簇状节构之间的转发信息节点，实现了簇状类型层次结构的信息转发形式，并将簇状结构转发信息节点所感应到的信息，通过网络形式将其传递给监控部门。分簇状的层次结构采用了

TMDA/FDMA组合的方式来对MAC协议进行设计，使其对能量进行更好的控制，因此，能量消耗会很低.

2.2 无线传感器节点构成和工作方式

WSN节点构成分为3个主要单元，分别为处理单元、通信单元和传感单元，其中处理单元包括CPU嵌入式操作系统、存储器等。通信单元包括无线通信模式，传感单元包括模数转换功能模块、传感器。除了这3个主要单元，还有掌管别的功能的单元系统形式。

无线传感器的节点所形成的网络是由节点通过人的布置或飞机布撒等形式，使其在感知对象的附近或内部进行大量的部署，这些节点由于具备自组织性，互相进行协作感知，将对象周围及内部的特定信息进行收集和处理，对特定信息采取分析的方法，节点之间通过互相协作和组织对网络形成了构建，而节点之间的工作方式也采取了多跳中继方式，并将所得到的特定数据传给接收发送器，最后通过接收发送器的链路使节点覆盖区域内的数据传递给控制中心进行处理。

3 低功耗技术在无线传感器节点的设计策略

3.1 低功耗技术在通信模块中的应用设计

因为在WSN节点的能耗中，无线通信模块占据了主要部分，所以，对无线通信模块的通耗管理至关重要。为达到通信模块能耗的能量损耗减少，对其可以采取以下几种应用设计方式，第一是对模块中通信功能的流量进行适当减少，使模块中的通信所产生的发送和接收所产生的比特数进行合理降低，减少通信模式的能量损耗，可以采取的方法有：对WSN节点所收集到的数据进行整理，并对有用的信息进行发送，无用的信息过滤出去，减少通信量；减少两帧之间的冲突，避免能量浪费；对错误检测和校正进行增加，避免数据包重传，降低能耗；对控制包数量进行有效减少，缩减包头长度，降低能量损耗；其二是增加通信模块的休眠时间，使其减少不必要的能量消耗。其三是采用多跳短距离的无线通信方式，减少远距离传送引起的能量消耗。

3.2 低功耗技术在模块中的处理核心的应用设计

WSN中的处理器模块是整个无线传感器的运行核心，直接影响到无线传感器的通信和传递，以及功能协调等所有功能都是在处理器模块的支持下来完成的。所以，低功耗技术在处理器模块中的应用是重中之重。低功耗技术应满足处理器模块的能量损耗低，并且具备休息模式的转换，近些年来已经研发出超低功耗的微型处理器，通过采用这些超低功耗的微处理器，能够降低整个节点的能源消耗。另外，它还支持对模块进行供电以及对模块进行动态的频率调节功能，有效节约了能耗。

4 低功耗技术在WSN各层次中的应用

4.1 低功耗技术在物理层中的应用

物理层决定着节点的体积、成本高低以及能量损耗，是整个WSN设计的关键所在，物理层具备相关的数据调制和收发功能，也是低功耗技术在物理层中运用的重点研究对象之一。物理层的终极设计目标是为了最大限度地减少能耗并获得大量的链路容量，用以保证网络的性能的平滑。由于物理层的相关问题需要从多个方面技术层面进行分析，例如编码调制技术、通信频段和通信速率等，所以比较复杂。而目前我国对于WSN中物理层面的相关协议研究成果还处于初级阶段，其主要是从两个方面进行深入研究，其一是硬件层面，现在WSN的节点存在体积难以做到压缩，并且其成本投入巨大，功耗节约方面不突出等问题，而纳米级组装技术为WSN的研究提供了新的方向。其二是软件方面，WSN的物理层特点和要求需要得到进一步满足。

4.2 低功耗技术在数据链路层中的应用

数据链路层是将WSN节点与多媒体的方式进行可靠连接的通信链路，数据链路层是由MAC构成的。而MAC协议是整个传感器网络协议的基础部分，对网络性能影响较大。传统的M AC协议竞争机制已不能满足WSN的需求，由于MAC协议在WSN中产生冲突概率大、能量浪费高等缺点，所以WSN的MAC协议一般都是按预先规划的机制对节点能量进行保护。而射频模块是节点当中耗能最大的，也是低功耗技术的主要优化目标，低功耗技术通过对MAC协议进行控制，从而达到对射频模块进行控制，使节点功耗大幅度降低。目前，在控制M AC协议降低射频模块能耗的主要方法有减少MAC数据流量、通过对MAC控制使射频模块的休息时间进行增长，并且避免M AC在WSN中引起的冲突。减少模块中产生的数据流量是最根本的解决方式。从最近几年看，低功耗技术目前是对数据链接层中所产生的数据进行融合来减少能耗，不过对于MAC层中的数据的相关融合方案还没有较多研究，其技术还没有成熟。最近几年，低功耗技术主要是对射频模块中工作模式和休息模式的转换进行深入研究，并力求解决数据链路层对于数据突然产生和中止的适应问题等方面。

4.3 低功耗技术在网络层中的应用

网络层的主要功能是发现路由并且维护路由的功能，它的主要设计目的是在于能源的有效利用，使网络的使用寿命得到最长化体现。低功耗技术在网络层中的应用可以从几种角度着手，对网络中产生的冗余的数据流进行充分压缩，并利用多跳传输的方式实现数据包路由的转发。

路由设计是以降低节点能量消耗为目标的，进而提升网络的使用寿命。由于WSN路由协议的设计与传统的Ad hoc网络有所不同，Ad hoc协议已不能应用于WSN中，进而促使了WSN路由协议产生了许多新的适用方法，对WSN路由协议进行设计也已成为了研究热点。WSN路由协议在某些情况下，节点可能需要进行移动，而新的路由算法不仅满足了对移动节点的提供支持，也满足了能源的有效性。

5 结语

目前，无线传感器网络越来越受到国际的重视，它是多种学科进行高度交叉的新兴领域，无线传感器网络通过对周边环境进行实时监测、感知和采集相关对象信息，并进行处理和传输到用户终端，真正实现了计算无处不在的目标。而低功耗技术作为一种非常有潜力的技术，对WSN设计节能中起到了至关重要的作用，低功耗技术也将随着WSN的发展而不断完善。

[1]张大踪，杨涛，魏东梅.一种低功耗无线传感器网络节点的设计[J].仪表技术与传感器，2006（10）：23-27.

[2]于凯，谢志军，金光，等.低功耗无线传感器网络节点设计与实现[J].微电子学与计算机，2012（9）：11-15.

[3]李坤明，杨光友，李军.低功耗无线传感器网络终端节点的硬件设计与实现[J].湖北工业大学学报，2015（4）：18-22.

Research and design of low power technology in wireless sensor networks

Chai Tao
（Honeywell（China）Co., Ltd., Shanghai 201203, China）

W ireless sensor can monitor the object under a variety of circumstances, sense and gather information on the object.The goal of designing the w ireless sensor is through a low power technology to design the communication protocol of WSN system structure, network nodes and the various levels from multiple angles, so that it can solve some problems that currently needed to be solved in the design of w ireless sensor network .

low power; w ireless sensor; network; research and design

柴韬（1983— ），男，江苏徐州，本科；研究方向：低功耗技术在无线传感器网络中的研究与设计。