（控制理论与控制工程专业论文）无线温室测控系统传感器网络能量管理研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，无线传感器网络已逐渐成为工业界及学术界的今研究热点，在军 事和民用领域有着非常广阔的应用前景。利用无线传感器网络构建智能化环境监 测系统是该领域一个重要研究方向。本文对无线温室测控系统传感器网络的能量 管理进行理论分析和实验研究，为无线传感器网络在温室中的成功应用提供实验 依据。 衡量无线传感网络优劣最重要的指标是网络的能量消耗特性。本课题应用 黔p 4 3 0 系列超低功耗单片机憋p 4 3 1 3 5 和支持王e e e 8 9 2 。王5 。4 协议的c e 2 4 2 0 无 线收发芯片实现无线温室监控系统传感器网络能量实验硬件平台，对汇聚节点、 监控中心及星型网络通信进行软件设计。实验研究传感器节点功率消耗及状态转 换情况，探讨节点能量消耗与通讯距离的具体关系，对传感器节点进行寿命预估， 提出并分析了基于动态功率管理的有效无线温室监控系统传感器网络能量管理 策略。 实验与仿真结采表明，节点能量消耗与通信距离3 次方成正比例关系，采样 周期为8 分钟时5 号于电池可使传感器节点正常工作近8 个月，另外，采用汇聚 节点移动的网络结构工作方式可大大缩短传感器节点的通讯距离，使能耗节省了 1 4 左右。 本文研究内容得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的资助，项目编 号2 0 0 6 a a l o z 2 5 8 。 关键词：温室，无线传感器网络，i e e e 8 0 2 1 5 4 ，动态功率管理，i l s p 4 3 0 ，c c 2 4 2 0 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a e t h lr e c 锄t ”a r s ，t l l er 髂朗“洫o fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kg r a d u a l i yg e t s l e 南吼玛 丘0 mm e 讥d u s 缸ya n da c a d 锄e i th 鹕a 鲥龇a p p l i c a t i o nm t u r e _ i nm ei i l i l i t 触嗲绷d e i v 主la f e a d e s i g no fi n t e l l i 磬舶t 舶v 主内n m e 嫩a 耋m 砸t o r 主n gs y 懿e mi go n eo f 糯em o s t a e 蠢v e 溺鞠民漱 式d s 巍w 主】瞄e 豁 s 鼹s o f 致e 耋w o 揪s 弧e g 鳃蠛c 越鑫蘸蠢y s i s 鼹d c ) 哆妇e 魏组l 粥锐毋c h 髂o fw i 一然s s e 戮s o fl 撼嘲o i 敷，se n e 理拶m 秘耀弦搬砸嫩 霉瓒：薹l l 娜em o 越t o d n gs y s t e mw e 托e x e c u t 耐通缎i sp 婶既倘sp a p e rp 讥d 髂s 0 m e c x p “m e n t sf o rt l l ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t 、o 墩i n 辨e n h o u s e e n e r g yc o n s u m p t i o ni st l l em o s ti m p o r t 狮tp a r a m e t e rw h i c hd e c i d e st h ev a l i d i 【y i i lw i r d e s ss e n s o rn c t w o r k a ne n e 唱ye x p e r i m e n th a r d w a r ep l a t 南r m ，c o n s t i t i 】t c dw i t l l m s p 4 3 0a l l dc c 2 4 2 0h a 砖- c o r cp 搬s ，i sf e a l i z 舐i i it h i st a 呔1 氇ee l le r j g y n 黜磁烈i o 程o fs 鼹s 甜d e sa 髓d 氇e 积a 磊o n 锄pb e w e e 露鼹e 毽y n 辅匿n 埘。旌a 髓d 撒a 妣由l e 擞s l 鞠c ea 托r e s e 缴h e d 遮e x p 舐趱鼹招。a 羹d h el i 歉i m eo fs 趣誊e $ 鼹s 西i s c s 垃m a e d a ne f f e c t i v ee n 黻g ym a n a g 渤e n ts 虹a t e g yi sp r o p o s e da l l da l l a l y z e db 嬲甜 o nd ) r 1 1 锄i cp o 、e rm 柚a g 铷锄t t h e o 射出c a l 觚a 1 姆sa n d 蹦p 丽m 铋t a lr e s u l ts h o wt 1 1 a ts i n 西es e 瞄0 r se i l 锄搿 c o n s 啪p t i o ni nd i r e c tp r o p o r t i o nt ot h ec l l b eo fi t sa t t a i n a b l ed i s t a n c e ， as e l l s o rn o d e c o 瞄dn 僦m 越l yw o 出幽o u 耄8m o n t l l ss 印p o r t 。db yt w | o5 聋d 彤b a 键耐躐l n 稍d i 矗。鹃 丽m 氇e 掇o d e 镶l p l o 努n g 糕的釉成s 弧攘鹬西趣曲i l es 滴【d e s 氇e 猢毽藤髓螽触 出s c e 跚o n gs 强s 黻d 妫主s 娥。聂烈笋鳅l y ，a 砖也ee 旌钌鼯c o 群隧磷i i ss a v 甜 b y1 4 k e yw o r d s ：g i 伐n h o 槛e ，w i i e l e 豁s 黜0 rn e t 、釉矗，i e e e 8 0 2 15 4 ，d y n 锄i c p o 、张rm a l l a g 锨嘲l ，m s p 4 3 0 ，c c 2 4 2 0 u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：旁7 虱瘸、 1 一厂铲莎月阳 指剥币龇编多拟 硼年二月，2 ，日 书 权授 本用 适后密解 年 在 口曩 密 密 保 褓 于属 文论位学本 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名同稍、 卅年易刖钐日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究背景 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目“温室新型变 结构自组织无线传感网络测控系统研究， 项目号为：2 0 0 6 a a l o z 2 5 8 。此项目旨 在将无线传感器网络技术和智能化信息实时处理技术应用于温室控制中，研发出 一套无线传感器网络温室测控系统，探讨数字农业共性核心技术，为我国农业现 代化做出贡献。本课题研究内容为该测控系统核心问题之一温室无线传感器 网络能量管理。 对传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代末期。从2 l 世纪开始，传感器 网络引起了学术界、军事界和工农业界的极大关注，美国和欧洲相继启动了许多 关于无线传感器网络的研究计划，并取得了很多成果。我国近年来也对无线传感 器网络研究提供了巨大支持。但国内关于传感器网络的研究还处于起步阶段，大 多还停留在基础理论跟踪国际研究阶段，缺乏典型的实际应用示范及产业竞争优 势。 温室环境测控技术在许多发达国家如荷兰、日本、美国、以色列等已相当先 进，能够达到对多因素综合控制的水平，但其价格昂贵，维护不方便。近几年来， 我国在温室结构和温室控制两方面开展了不少研究。“九五”、“十五 及“8 6 3 片 计划都对此给予了很大资助。从国内外对温室环境控制的研究来看目前基于有 线的温室测量控制系统相对比较成熟，但有线测控系统不利于进一步提高温室自 动化和智能化程度，提高现代化温室利用效率。因此，迫切需要构建无线温室测 控系统。 无线传感器网络在温室测控系统中的具体应用面临着新的挑战。传感器节点 通常携带能量十分有限的电池使得无线传感器网络存在着严重的能量约束。因 此，如何高效使用能量来最大化网络寿命便成了传感器网络的首要任务。本课题 旨在研究传感器节点具体能耗情况，对传感器节点具体能耗进行实验研究，探讨 具体应用中节点能量消耗与通讯距离的关系，对单个传感器节点及整个传感器网 江苏大学硝士学位论文 温室环境信息获取与传输及其在线监测需要运用合适的现代通信技术来实 现。现代通信技术的快速发展也为温室产业进一步向集约化、规模化方向发展， 提供了重要支持。无线传感器网络具有组网灵活无需布线等优点，将其应用于温 室局域范围内可方使地把各种检测装置、执行机构以及控制器连接起来，实现对 温室环境各项参数的自动检测和控制，对现代温室测控系统的构建非常有意义f 2 卫 o 因此，将无线通信技术与温室控制系统相结合，实现低成本的温室无线测控 系统具有广阔的应用蘸景。 1 3 无线传感器网络研究概述 近年来，微机电系统( m i 。m - e l e c 虮 m e c h a n i c a ls y 姗l ，m e m s ) 、传感器、现 代网络和无线通信等技术的进一步发展，推动了具有现代意义的光线传感器网络 ( w i r e l 龆ss 哪o rn e 时o f kw s n ) 技术的产生和发展。w s n 因其应用的广泛性 得到越来越多的重视，并于2 0 0 3 年被著名的技术评论( t e c b n 0 1 0 9 yr 州钾) 杂志列为来来新兴十大技术之首i i o l 。w s n 已成为目前n l ( h l f o j 釉鲥。珏 t e c h n o l o g y ) 领域的研究热点之一。 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量廉价微传感器节点组成，通过无 线方式形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络 覆盏区域中感知对象的信息，并发布给观察者【i l - 1 2 1 孙。 1 3 1 无线传黩器网络的特征 无线传感器网络是以数据为中心的自组织大规模密集网络，网络具有动态拓 扑组织功能，有缀强的鑫我管理能力和盔愈能力。但是，无线传感器节点资源有 限，节点由容量十分有限的电池供电，出于传感器节点个数众多和应用领域的特 殊性使得通过更换电漶方式来补充能量蹙不现实的。一显电池能蒙用完，这个节 点也就失去了作用( 死亡) ，所以无线传感器网络存在着严重的能量约束。同时， 无线转感器网络为微型的低速、低成本掰络，由于受体积、功耗和价格的限制， 传感器节点的计算能力、存储能力和通信能力都相当有限。因此，在无线传感器 ：| 江苏大学硕士学位论文 网络设计过程中，高效使用传感器节点资源和能量，延长传感器节点及网络系统 的生存周期成为传感器网络设计的首要目标【1 1 2 3 1 。 1 3 2 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络涉及众多学科及其交叉的研究领域，有许多关键技术亟待研 发。对于无线动态自组织传感器网络而言，通过控制节点传输范围使生成的网络 拓扑满足一定性质( 如连通性，覆盖度，可靠性等) ，以延长网络生命周期，降 低网络干扰，提高吞吐率，使网络维持一个比较优的运行状态的网络拓扑控制是 无线传感器网络研究的核心技术【1 4 5 】；时间同步技术是需要协同工作的无线传 感器网络的一项支撑性技术【1 5 。8 】；位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的 信息，节点定位技术在无线传感器网络应用中同样起着重要的作用；由于传感器 网络存在严重的能量约束，为减少冗余数据的传输能耗，提高信息的准确度并有 效利用能量，数据融合也是无线传感器网络的关键技术之_ 1 2 ，1 3 2 0 2 1 】。 1 3 3 无线传感器网络研究进展及发展趋势 无线传感器网络以其自组织性、微型性、低成本、灵活性等优点，能够广泛 应用于军事、环境科学、医疗健康、智能家居、建筑物状态监控、空间、海洋探 索，以及商业应用、城市交通、安全监测等领域。随着传感器网络进一步深入研 究和广泛应用，其必将逐渐深入到人类生活的各个领域【1 1 1 。 近几年，w s n 方面的研究活动在美国各大学及研究所蓬勃开展起来。加州 大学伯克利分校( u m v e 稻时o fc a n f o n l i a b 酞e l e y ) 研制的传感器系统m i c a 、 m i c a 2 、m i c a 2 d o t 已被广泛地用于低能耗无线传感器网络的研究和开发；麻省理 工学院( m 嬲鞠c b u s e t t si i l s t i t u t eo f t e c b n o l o g ) r ) 致力于基于知识的信号处理技术； 哈佛大学( h a r v a r du l l i v e r s 埘) 研究传感器网络中通讯的理论基础等。有关无 线传感器网络研究的一些具有代表性的项目有m n 的枷s 、n s f 赞助的 b i o m c d i a d 、m i t 人工智能实验室发起的l e a c h 、s m a nd 璐t 项目、n a s a 发起 的昭坞0 fw e b s 项目、i s i s ( h f 0 皿撕0 ns 姆锄sf o r 砌峭仃i a lc 0 n 缸d l 锄ds u p e 州s i o n ) 的溯啪r 觚仰项目等。 2 0 0 2 年欧盟提出了一项为期三年的e y e s ( 自组织和协作有效能量的传感器 江苏大学硕士学位论文 网络) 计划，研究的范围包括分布式信息处理、无线通信等。该项目研究无线传 感器网络的构架、节点的协作、网络协议和安全等。2 蝴年，酲本总务省成立 了“泛在传感器网络一调查研究协会，该研究会共有3 1 名成员，除大学之外， 还包括家电厂商、通信运营商等。 我国在传感器网络方面的研究工作相对较少，目前，国内的一些科研单位和 大学，如清华大学、中科院软件所、浙江大学、东南大学、中晷科学院沈阚自动 化所、哈尔滨工业大学等已经开展了在传感器及传感器网络方面的研究工作。国 家自然科学基金从2 0 0 3 年度开始资助有关无线传感器网络项目，并逐年增加， 到2 0 0 5 年资助无线传感器网络相关项目达2 0 余项。从总体来讲，国内关于传感 器网络的研究还处于起步阶段，大多还停留在基础理论跟踪国际研究阶段，缺乏 典型的实际应用示范及产业竞争优势。 总体上讲，无线传感网络曩前仍处于研究阶段，为了加快其实用化进程，国 外已建设了很多演示系统，相关理论研究成果也很多。但是，还未对无线传感器 网络具体应用进行有针对性的软件和硬件系统开发与设计。随着无线抟感器羼络 理论及相关实现技术日趋成熟，为满足越来越多的各个不同领域特殊应用要求， 有针对性地开发和设计不同成用领域软硬俘系统必将是无线传感器网络发展酶 一个重要方向。 1 _ 4 无线传感器网络能量管理研究概述 由于无线传感器网络中存在着严重的能量约束，所以能量管理是w s n 中最 重要的问题之一。解决这一问题可以从以下两个方面考虑：一方面考虑如僻从应 用环境中获取新能量，如日照强烈地区的太阳能，处于振动和应变形式的光能和 热能都可以作为传感器节点能量补充的来源；对于安装在建筑物内的传感器节 点，存在着大量并可靠的机械能；由于压电材料性能的迅速提高，机械应力也可 以是一种镁好的能量补充来源f 忆扭篮埘。另一方面是如何高效利用现有能量， 目前无线传感器网络能量管理主要有两类节能方式：动态电压调节( d y n 锄i c l t a g es c a l 协g ，e i v s ) 和动态功率管瑷( 功艘嘲西ep 嘶惯m 翘a g 鼬毗d p m ) 。 d v s 工作原理：当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而 降低处理能力。可以节约微处理器的能耗。传感器节点大部分时间计算负载较低， - 5 - 江苏大擘硕士学杖论文 同时，r 饥c ，“柚gc h a 01 、l 和o g s 西提出了双层d p m 的概念，此 策略综合考虑节点的功率管理策略和网络层的能耗管理，使用异步唤醒机制使网 络节点中模块轮流睡眠，使网络系统的能量管理更加合理【蚓。d p m 的思想还应 用于处理器自身管理、系统层的d p m 建模与分析h 珊以及数据融会技术等方面， 是无线传感器网络能量管理的重要手段。 l5 本课题研究的主要内容及论文组织结构 本文将光线传感网络技术应用于温室测控系统中，提出了一种低成本、低功 耗的无线温室测控系统实现方案。重点研究了具体温室测控系统应用中无线传感 器网络能量管理问题。主要内容包括： ( 1 ) 低功耗传感器节点的硬件设计； ( 2 ) 能量实验平台的软硬件设计： ( 3 ) 传感器节点能耗的实验研究； ( 4 ) 低功耗传感器节点的通信能力研究； ( 5 ) 传感器节点寿命预估； ( 6 ) 测控系统无线传感器网络的能量管理策略分析。 本文的缀织结构大致如下： 第l 章，介绍了本课题豹提出及研究背景，阐述了温室测控系统和无线传感 器网络的基本概念、应用领域及发展情况，介绍了无线传感器网络能量管理的研 究概况，最后给出了本文研究的主要内容及文章的组织结构。 第2 章主要介绍了无线传感器网络应用的核心问题能量管理。给出了 目前对传感器节点能耗研究现状，并结合动态功率管理策略提出了一种新的传感 器节点节能策略，为低成本低功耗传感器节点的设计提供重要依据。分析了网络 层动态功率管理策略，为无线温室测控系统传感器网络能量管理提供依据。 第3 章，系统详细地介绍了温室w s n 测控系统网络能量管理实验平台的实 现包括低功耗无线传感器节点设计、m e e 8 0 2 1 5 4 通信标准及其在硬件实验平 台的应用。讨论了传感器节点布置组网闯题，介绍了l 基龆8 0 2 。1 5 。4 标准的网络 模型及此标准规定的物理层和m a c 层协议，对传感器节点的模式配置、动态变 结构星型网络组孵、汇聚节点中转通信及监控中心通信进行了软件设计。 一 江苏大学硕士学位论文 第二章无线温室测控系统传感器网络雒量管理策略分析 无线传感器节点由容量十分有限的电池供电，使得无线传感器网络中存在着 严熏的能量约束。因此，高效使用节点能量，延长网络系统的生存周期成为传感 器网络设计的首要目标。只有对传感器节点能耗有了准确认识，才能提出有效的 系统能量管理策略，从丽提高节点能量使用效率。同时，还要在对传感器节点通 信能力有准确认识的耩础上制定高效低能耗控制算法和通信协议，以降低网络系 统能量消耗，延长系统使用寿命。因此，网络能量管理策略研究对无线传感器网 络的成功应用至关重要。 2 1 传感器节点能量研究 传感器节点能量研究主要有能量获取方式和供电电源能量消耗模型研究、节 点各模块能耗分析致节点通信能耗研究三个方面。 2 1 1 能量获取与电池消耗模型 无线传感器网络设计的重要指标之一是延长节点和网络系统工作寿命。设网 络系统平均寿命为研三】，则研】可鑫式2 i i 绘出： m ，= 勰 ) 式2 l 中岛为鼹络系统初始总能量，盈疋】是系统平均浪费能量( 即在网络 死亡时仍未用的能量) 斥是整个网络持续功率消耗常数，五为传感器平均报告 速度定义为每个单位时河肉采集的数据数，目占，】是所有传惑器蘧机数据采 集的平均报告能量消烈2 3 1 。 由式2 。l 可见，对一个确定网络系统来讲分母中的三项是固定不变的，因此， 网络系统平均寿命耳三】的延长包含有各种可能形式的能量= 、给( 增大岛) 和有 效利用现有能量( 减小研艺】和日e ，】) 两方面。 江苏大学硕士学位论文 目前，传感器节点的能量补给主要有干电池供电和太阳能电池供电两种。对 于低成本的传感器节点来说，由于无线传感器网络中传感器节点数量众多且布置 环境复杂，所以尽量使用电量容量大的干电池。一般传感器网络都采用性能稳定 的碱性干电池供电。一般应用条件下可使用六个月以上。然而，对于设计制造成 本较高的传感器节点，使用一次即报废的做法显然是不合适的。而且由电池寿命 来决定节点的使用时间也是一种不科学的做法，能持续供电的太阳能电池就是最 好的选择。为了能大范围地捕捉太阳能，太阳能面板最好做成端机外壳大小，并 附着于端机外壳上，以取得最大限度的面积。同时，在阳光充足的时候太阳能电 池必须能储存足够的电能以备恶劣天气或者是夜晚的电能需求。 另外，随着对传感器节点能量研究的深入，一些靠自身从周围环境获取能量 的设计方法不断被提出，处于振动和应变形式的热能和机械能都可以成为能量的 来源。对于安装在建筑物内的传感器节点，存在着大量并可靠的机械能；由于压 电材料性能的迅速提高，机械应力也可以是一种很好的能量补充来源。通过对无 线传感器节点和网络进行节能管理以达到延长网络系统工作寿命的方法将在下 节内容中详细分析。 本课题设计的低成本传感器节点应用于温室测控系统中，故采用干电池供 电。对于电池，我们关心的主要是电池输出电压和电池容量两方面。理想的电池 输出电压在整个放电周期t 内为一常数v ，放电完毕后输出电压降为o ( 如图2 1 中a 图所示) ，而实际使用中电池放电性能却并非如此，如图2 1 中b 图所示( 南 孚5 号电池放电性能) 。图2 1 中c 图为g i u l i 锄oc a s t e l l i ，砧b e n 0m 撕i 和黜c c 莉o s c a r s i 测量的电池实际使用中连续放电和间歇放电情况。 由图可见，实际使用中电池输出电压是随放电时间而降低的，但是电池在放 电周期内的间断休息可以恢复部分电量。g i u l i a n 0c a s t e l l i 等根据电池的这个特性 提出了电池驱动闭环动态功率管理策略，即根据电池自身状况自动调节放电速率 以延长电池使用时间。其闭环动态功率管理策略中提出了最大化电池寿命尸的 最佳电压圪的概念。电池寿命p 可表示为： 肚脚丧协2 ，e + 瓦口w u 吃， 其中，舰丁为电池的规格寿命，为电池正常放电时间，为电池休 江苏大学硕士学位论文 息时间。试验结果显示，电池工作时问和节点工作寿命都得到了延长【3 5 1 。电池的 能量消耗特性是传感器节点和网络系统能量管理策略制定过程中必须要考虑的 一个方面。 雹 乱理想电池放电情况 1 5 o 9 l 茹趴、 电器不能正常使用 iii 61 21 82 4 放电时间( 小时) b 南孚聚能环5 号电池1 0 q 电器连续放电 ! | 三霁n tl觏| = 。 巡逊 逊邀趣 避巡憋 数 糯“ ! l l l e ： 02 0 04 6 8 0 01 咖1 。2 1 4 1 6 0 0 1 鲫 日a p d 蜘憾硝也s c h a r 9 e s ) c 电池间歇工作放电情况 图2 1电池输出电压随放电时间变化情况 在满足节点低成本低功耗的前提下，为了延长节点使用寿命，双电池设计和 双内核设计也将是节点设计一个很好的发展方向。 4 3 3 3 3 3 譬璺要 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 节点能耗分析 节点能耗分析是对节点进行有效能量管理的前提。传感器节点的能量消耗模 块主要有传感器模块、处理器模块、无线通信模块。能量供应模块为整个节点提 供能量。 下图2 2 是d e b o r a l le s t i 诅在m o b i c o n l 2 0 0 2 会议的特邀报告( w i r e l 伪ss 饥s o r n e t 、o r l ! ( s p a n ：s s o rn e 觚。订( sp r o t o c o l s ) 中给出的传感器节点各部分能量消 耗情况。从图中可以看出，无线通信模块功率消耗明显大于传感器模块和处理器 模块功率消耗。同时，由于传感器节点存储、计算、数据融合和工作策略等都要 由处理器模块来执行，处理器模块工作时间明显大于传感器模块和无线通信模 块，所以处理器模块能量消耗也不容忽视。传感器模块的能量消耗相对而言是非 常少的。传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块和处理器模块。传感器节 点传输信息时要比执行计算时更消耗能量，将1 比特信息传输1 0 0 米距离需要的 能量大约相当于执行3 0 0 0 条指令消耗的能量。 p o w e rc o n s u m p t l o no fn o d es u b s y s l e m s e 】：r e 置j e 正比 e 锄 n e e dt os h u t d o w nt h er a d i o 图2 2 传感器节点能量消耗情况 r a d i o 为了最大限度地节约能量，在硬件设计方面，要尽量采用低功耗器件，在没 有通信任务的时候，切断射频部分电源，使其进入休眠状态；在软件设计方面， 各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标， 江苏大学硕士学撼论文 以获得更高韵电源效率。 目前传感器节点设计中，微控制单元多选用朋嘲e l 公司的a 、佩系列，像 a 妞1 c g a l 2 8 l 。t i 公司的m s p 4 3 0 超低功耗系列处理器，功能完整。集成度高， 而且根据存储容量多少提供多种引脚兼容的处理器，能很容易根据对象平滑升级 系统，在传感器节点设计中也越来越多地被使用。新一代无线传感器节点t 0 l o s 使羽的就是这种处理器。本课题设计的传感器节点处理器模块选用的即为该系列 的m s p 4 3 0 f l3 5 型单片机；传感器节点的无线通信模块目前主要有：c l i p c o n 公 司的c c 2 4 2 0 和r f m 公司的t r l o 。本课题选用支持l e e e 8 0 2 1 5 4 标准的 c c 2 4 2 0 。传感器节点的硬件设计将在第三章详细阐述。 2 1 3 节点通信能力研究 传感器节点能量大部分清耗在无线通信模块，雨且，各网络摇遥信协议节能 主舞针对无线通信模块而言，因此必须对节点的通信能力，即节点能量消耗与通 信距离进行深入研究。嚣前，无线传感器瘸络中采震的无线通信能量消耗与通讯 距离关系式为：e = m 月其中以大于2 小于4 。力的取值与很多因素有关，例 如，传感器节点部署贴近地面，障碍物多时，干扰就大，取值也随之增大；空气 湿度和天线质量对信号发射质爨的影响也是! 常大。考虑诸多因素，露通常取3 。 由此可见，随着通信距离的增加，节点能耗将以级数方式急剧增加。因此，在满 足通信连通度的前提下应尽量缩短单跳通信距离。一般甜言，传感器节点的无线 通信半径在l o o 米内比较合适。本文第四章将对传感器节点通信能力进行实验研 究，以获得较准确的温室无线传感器网络控制系统传感器节点能量溃耗与通禳距 离关系。 由于节点通信能力对无线传盛器网络非常重簧，各无线传感器雕络项目大都 对此进行了深入研究。表2 1 为r o c k w d l w s 节点的通信功耗数据，表2 2 为m e d u s a 节点的通信功耗数据，m e d u s a 是s m 刚n 喊( 美冒匿防部资助的 一个传感器网络项目) 项目的一部分。它是目前使用最为广泛的两个传感器节点 系捌之一，另外一个广泛应用豹传感嚣常点也是由美国军方资助的m 嘛节点系 列，是由加州大学伯克利分校主持开发的低功耗，自组织，可重构无线传感器节 江苏大学硕士学位论文 又不影响系统性能的方法。其工作原理是当节点周围没有感兴趣的事件发生时， 部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态( 休眠状态) ， 这种事件驱动能量管理对于提高传感器节点的生存周期非常重要。由于状态转换 需要一定能耗，并带有延时，所以状态转换策略对d p m 非常重要。动态功率管 理的核心在于动态调节，能够实时地根据外部任务及内部状态改变系统的工作功 率状态使功耗最小化。 2 2 1 节点层d 蹦 无线传感器节点d p m 基本原理是构成传感器节点的各个模块有不同的功率 状态，通过d p m 等技术使系统各个部分都运行在节能模式下可以节约大量能量。 最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器节点或其一 部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。 p 图2 3节点工作状态转换图 根据c h 啪l i l i ，y 觚- a n gh e ，n a i ) 【u ex i o n g 关于动态功率管理策略研究成 果【4 5 1 提出节点d p m 策略如下：假定节点探测到一个事件并在时刻完成对此事 r 弓 江苏大学硕士掌盏论文 采用i e 嚣e 8 0 2 1 5 4 标准的星型网络拓扑结构。传感器节点部署在温室内各个敏 感区域，采集温度、湿度、二氧化碳浓度及光照度等信息；汇聚节点部署在温室 上方，逶过在固寇轨道上移动，不断与覆盖蒎围内传感节点、控制节点进行通信， 收集传感节点数据，以及中转控制中心的控制信息等；控制节点负责将控制信息 送执行机构以调节温室参数；控制中心翼i j 负责整个监控算法的执行任务。 图2 4 温室骼n 测控系统 如图2 ，4 所示，每个汇聚节点与若子个传感器节点或控制节点组成一个子网， 子网与予网之间相对独立，每个子网都有一个网络标识符，也就是砸e e 8 0 2 1 5 4 协议中用予划分网络的一种标识符，同一个予溪内的所有节点具有相网的蟋络标 识符。各汇聚节点与自己所管辖的传感器( 控制) 节点组成星型网络，汇聚节点 与网内节点进行通信，实现温室信息的采集及控制饪务。 由于温室测控系统对环境参数采集速率要求不高，依据d p m 策略思想，汇 聚节点采用移动王作方式，汇聚节点的电源能量不限( 出持续电力系统供电) 且 具有较强的通信能力，在温室上方的固定导轨上来回移动，依次与其下面的传感 器节点( 或控制节点) 进行通信，以完成信息采集和中转控到命令任务。 汇聚节点移动工作方式大大缩短了传感器节点的通信距离，由无线通信能量 江苏大学硕士学位论文 一个位置再次组建新的临时星型网络进行信息采集。无线温室测控系统w s n 能 量实验平台软件设计中将对星型网络通信算法有详细分析和设计。 汇聚节点与监控中心的通信以多跳方式实现。汇聚节点通过多跳链路将传感 器节点采集的温室环境因子信息发送给监控中心。监控中心对汇聚节点传来的信 息进行数据处理，执行控制算法，根据作物生长的最佳条件和当前温室环境制定 控制策略，然后将控制命令发送给汇聚节点。汇聚节点将控制命令转发至控制节 点，然后由控制节点根据控制命令控制相应的执行机构完成控制任务。 图2 5 所示为无线温室监控系统w s n 具体实现过程，通过分析温室应用环 境特点，应用优化理论，在满足覆盖率和连通性要求基础上优化部署各节点；根 据汇聚节点的覆盖范围和传感器节点选择的通信距离确定各汇聚节点的移动轨 道和运动速率；构建物理意义上的网络体系结构；运用故障诊断机制，保证系统 的可靠运行，最终形成可靠的变结构自组织温室无线传感网络体系结构。 2 3 本章小结 无线传感器网络存在着能量约束，本章详细分析了传感器节点能量消耗几个 主要方面目前研究情况，为传感器节点设计和关键器件的选择提供依据；详细阐 述了动态功率管理策略，并提出了基于动态功率管理的节点节能策略，为制定传 感器节点能量消耗实验方案提供了依据；分析了网络层动态功率管理策略，为网 络通信算法和能量管理策略提供依据。 江苏大学硕士学位论文 第三章无线温室测控系统传感器网络能量实验平台 温室w s n 测控系统能量实验平台由监控中心、可移动汇聚节点和传感器节 点( 或控制节点) 三个层面组成。本章首先分析了测控系统三个层面节点的模块 结构并具体给出了低能耗传感器节点的硬件实现。温室w s n 测控系统通信采用 i e e e 8 0 2 1 5 4 通信标准，因此在能量实验平台软件设计之前首先介绍了 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准网络及此标准物理层和m a c 层协议。随后，本文介绍了传感 器节点收发模式配置，设计了动态星型网络的通信算法并安排了通信时槽，给出 了汇聚节点和监控中心通信算法。 3 1 能量实验平台硬件设计 3 1 1 低能耗传感器节点模块设计及器件选择 温室无线传感网络测控系统中，汇聚节点包含三个模块：处理器模块、无线 通信模块和持续电力供电模块。控制节点与汇聚节点具有相同的模块结构。监控 中心收发节点的模块结构与汇聚节点类似，所不同的是它由监控中心的p c 机供 电。传感器节点相对于汇聚节点而言，增加了传感器模块及可设置自身物理位置 信息的位置设置开关，能量供应模块采用电池供电。 3 1 1 1 传感器节点模块设计 传感器节点体系结构如图3 1 所示： 图3 1 传感器节点体系结构 传感器节点主要由五个部分组成：处理器模块、无线通信模块、传感器模块、 2 l - 江苏大学硕士学位论文 位置设置开关和能量供应模块。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转 换，根据应用要求可以选择温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳浓 度传感器等；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本节点采 集的数据以及其他节点转发来的数据；无线通信模块负责本节点与其他节点进行 无线通信，交换控制信息和收发采集数据；位置设置开关用来设置传感器节点在 温室中所处具体物理位置；能量供应模块为传感器节点提供工作所需的能量，采 用微型电池供电。 另外，在对传感器节点进行调试实验阶段需要增加一个j t a g 接口，通过 j t a g 接口将编辑好的实验程序下载到单片机的f l a s h 内，并可通过其读取c p u 状态信息，在软件开发阶段用于软件调试。 3 1 1 2 关键器件选择 处理器模块和无线通信模块是两个直接影响系统性能好坏的关键模块。 【a 1 微控制器m s p 4 3 0 处理器模块选用的是t i 公司推出的m s p 4 3 0 系列超低功耗单片机 m s p 4 3 0 f 1 3 5 。其特点如下： ( 1 ) 超低功耗满足终端传感器节点低功耗的要求 该单片机电源电压采用1 8 3 6 v 低电压，活动模式耗电2 5 0 删i p s ( m s ： 每百万条指令数) ，i o 输入端口的漏电电流最大仅为5 0 i 】a 。具有基本时钟系统 和d c o 数字振荡器时钟系统，能提供a c l k ( 辅助时钟) 、m c l k ( 主系统时钟) 和s m c l k ( 子系统时钟) 三种时钟输出给不同的模块，使整个系统实现真正的 超低功耗。 ( 2 ) 丰富的系统资源，满足低成本的要求 自带看1 6 位定时器、自带采样保持具有多种转换方式的1 2 位2 0 0 脚s 的 a d 转换器、1 2 c 总线、s p i 总线和最多4 8 个g p i o 口等，且具有内部温度传感 器，极大减少了终端外围设备数量，不但节约成本，而且使设备更加小巧。 ( 3 ) 处理能力强、工作稳定，使设备更耐用 该款单片机采用了目前流行的、颇受学术界好评的1 6 位对s c 结构，最高指 江苏大学硕士学位论文 图3 3 单片机通过s p i 访问2 4 2 0 流程图 2 5 江苏大学硕士学位论文 接收f i f o 缓冲区的状态。如果接收缓冲区有数据，f i f o 引脚输出高电平；如果 接收f i f o 缓冲区为空，f i f o 引脚输出低电平。c p u 可以通过p 2 2 引脚来查询 f i f o 引脚的状态。f i f o p 引脚在接收f 礤o 缓冲区的数据超过某个设定阀值或者 在c c 2 4 2 0 接收到一个完整的帧以后输出高电平，该阀值可以通过c c 2 4 2 0 的寄 存器设置。c c 2 4 2 0 启用地址确认后，接收到的数据帧如果没有通过地址确认则 f i f o p 引脚无论如何不会输出高电平。接收f i f o 缓冲区中的第一个数据开始被 读出时，f i f o p 引脚将立即变为低电平。f i f o p 可以用来向单片机产生中断输入， f i f o p 引脚连接的p 2 3 端口是作为中断输入用，在接收到一个完整帧后向单片 机触发上升沿中断。 单片机通过s p i 接口访问c c 2 4 2 0 的过程如图3 3 所示，单片机首先完成自 身s p i 模块端口设置，选择3 线s p i 主机模式，然后进行引脚初始化工作：p 3 o 、 p 3 1 、p 3 3 、p 4 3 设置为输出，p 3 2 、p 2 o 、p 2 1 、p 2 2 、p 2 3 设置为输入，开启 p 2 3 引脚中断触发功能；初始化工作完成之后，首先要置p 3 o 为低，选中c c 2 4 2 0 芯片后通过s p i 访问c c 2 4 2 0 ；对c c 2 4 2 0 的访问分为寄存器和蝴区两种方 式。寄存器访问又分状态控制寄存器、命令选通寄存器和f i f o 寄存器三种访问 方式。寄存器和删区的具体访问格式在下一小节具体讲述。无论是访问寄存 器还是i 乙蝴区，在每次访问结束后必须立即将c c 2 4 2 0 的c s n 引脚拉高以释放 c c 2 4 2 0 的s p i 模块，以免对下次s p i 访问产生错误影响。 3 1 3c c 2 4 2 0 内部寄存器与l 砌区的访问 m s p 4 3 0 f 1 3 5 对c c 2 4 2 0 的访问有对内部寄存器访问和对m 蝴区访问两种 方式。 3 1 j 1 寄存器访问 c c 2 4 2 0 内部有5 0 个寄存器，分三种：控制状态寄存器3 3 个，命令选通寄 存器1 5 个，访问f i f o 缓存区寄存器2 个。处理器访问c c 2 4 2 0 时，首先通过 s i m o 向c c 2 4 2 0 发送一个字节的地址信息。访问c c 2 4 2 0 内部寄存器的地址格 式如图3 4 所示： 江苏大学硕士学位论文 3 2 2i e e e 8 0 2 1 5 4 标准物理层 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口， 提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务包括激活和休眠射频收 发器；信道能量检测( 嘲d e t e c t ) ，为网络层提供信道选择依据；检测接收数 据包的链路质量指示( l q il i l l l 【q u a l 时i i l d i c a t i o n ) ，为网络层或者应用层提供接 收数据时无线信号的强度和质量信息；信道空闲评估( c c ac l e a rc h 锄e l a s s e s s m e n t ) ，判断选择的信道是否空闲；收发数据。物理层管理服务维护一个由 物理层相关数据组成的数据库。 3 2 2 1 物理层载波调制 物理层定义了三个载波频段用于收发数据。三个频段一共2 7 个信道：8 6 8 m h z 频段1 个信道( 信道o ) ，9 1 5 m h z 频段l o 个信道( 信道1 1 0 ) ，2 4 5 0 m h z 频段 1 6 个频道( 信道1 1 2 6 ) ，具体分配如表3 1 所示。本文选用2 4 g 无线射频收发 芯片c c 2 4 2 0 ，通信信道选择信道1 1 。 表3 1 载波信道特性表 p h y 频段序列扩频参数数据参数 m h zm h z 片速率调制方式比特速率符号速率符号 k c h i p sk b p s1 【s y n l l ，o s ”n b o l 8 6 8 8 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 0 2 0 ， 二进制位 9 1 5 9 0 2 9 2 86 0 0b p s k4 04 0 二进制位 2 4 5 02 4 0 0 2 4 8 3 52 0 0 0 o - q p s k 2 5 06 2 5 十六进制 3 2 2 2 物理层帧结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的物理层协议数据帧格式如表3 2 所示： 江苏大学硕士学位论文 表3 3 超帧结构 时槽0时槽l n 1 5 g t sg t s 时槽0 不活跃时段 信标帧。竞争访问时段非竞争访问时段信标帧 活跃时段( 时槽肛1 5 )活跃时段 整个超帧周期分为活跃时段和不活跃时段两部分。活跃时段划分为1 6 个时 槽：信标帧占用时槽o ，时槽1 1 5 一般分为竞争访问时段c a p ( c o n t e i l t i o n a c c e s s p 耐o d ) 和非竞争访问时段c f p ( c o n t e i l t i o n 丘优p 甜o d ) 。在竞争访问时段，网络设 备使用带时槽的c s m a c a 访问机制进行通信，通信必须在竞争访问时段结束前 完成。此阶段任何设备可以自由收发数据，申请g t s ，新设备的加入等等。非 竞争访问时段由c 0 0 r d i n 咖r 根据上一个超帧期间网络设备申请有保证时槽 g t s ( g u 删l t e e dt i i i l es l o t ) 的情况，将非竞争访问时段划分为若干个g t s 。每个设 备必须在自己分配的g t s 内完成通信。 在不活跃时段网络中的设备不会相互通信，设备可以进入休眠状态以节省能 量。 3 2 3 2 数据传输模型 在i e e e 8