无线传感网节点的低功耗设计

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1、无线传感网节点的低功耗设计摘要：针对无线传感网的小体积和低功耗要求，分别对整个无线传感器网络的物理层、MAC层以及网络层进行了分析和研究，总结了一套低功耗的设计理念，最后给出了未来无线传感器网络中大量数据传输节点的低能耗设计方法。？关键词：无线传感网；网络节点；低功耗设计；能耗分析？中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302(2011)10-0082-03??Low-powerDesignofWirelessSensorNetworkNode?ZHANGXiao-hui,GAOHao,WA

2、NGHai?(CollegeofInformationEngineeringofCDUT,KeyLabofEarthExploration&InformationTechnologyofMinistryofEducation,Chengdu610059,China)??Abstract：Forthesmallsizeandlowpowerofwirelesssensornetwork,thephysicallayer,MAClayerandnetworklayeroftheentirewirelesssenso

3、rnetworkareanalyzed.Simultaneously,asetoflow-powerdesignissummarized.Finally,howtoreducenodeenergyconsumptionofalargenumberofdatainwirelesssensornetworkinthefutureisproposed.?Keywords：wirelesssensornetwork;networknode;low-powerdesign;energyanalysis??0引言？无线传感

4、器网络是近年来信息技术研究的一个重要研究领域，它融合了传感器、计算机科学、信号与信息处理、通信等多个领域的技术。无线传感器网络(WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，可通过无线通信方式形成一种多跳自组织网络系统，是当前国际上备受关注、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿研究领域。作为一项新兴的技术，无线传感器网络越来越受到国外学术界和工程界的关注，其在军事侦察、环境监测、医疗护理等众多领域展现了广阔的应用前景，被认为是21世纪产生巨大影响的技术之一。无线传感器网络具有低能耗、低成本、易于

5、实现、传输可靠等优点。而且由于其本身的冗余性、无线性、网络的自组织性，因而具有较强的抗破坏能力［1］。？1无线传感器网络简介？通常情况下，无线传感器节点由电池供电。供电布设完毕后，电池一般难以充电或进行更换。同时，无线传感器网络要求的工作时间较长，通常是几年甚至几十年，因此，提高能量效率以延长工作时间已成为无线传感器网络主要的设计原则之一。为了提高无线传感器的能量效率，必须设计出一套从硬件到软件的、完整的节点低功耗设计方案。？图1所示是一个无线传感器网络的基本结构。？由图可见，一个典型的传感器网络通常由分布在监

6、控区域的传感器节点、汇集节点、Internet或通信卫星、用户监控终端组成。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以采集外界数据，并通过“多跳自组织”方式传送汇集节点，汇集节点一方面通过自身的无线收发单元接收传感器节点的数据并上传到Internet网络或卫星通信终端，另一方面，可接收来自网络或卫星终端的命令并传达给传感器节点。用户监控终端可以通过Internet网络或卫星获取传感器节点采集到的信息，从而达到对布网区域的实时监控。？2WSN硬件及物理层的低功耗设计？无线传感器网络节点主要包括数据采集模块、

7、数据处理模块、无线通信模块和电源管理单元等等四部分［2］。其中数据采集模块由传感器和A/D转换单元组成，传感器将外界异动信息（如温度、湿度等）转换成电信号，再通过A/D转换单元将模拟量转换成数字量传送给数据处理模块。数据处理模块则通过对数据作适当的处理与存储，然后将信息通过无线通信模块发送给其他传感器节点或汇集节点。电源管理单元负责提供稳定的电压给其它各模块。具体的节点组成如图2所示。？数据采集模块的能耗主要由传感器的特性决定，传感器的种类很多，可以检测温/湿度、光照、噪声、振动、磁场、加速度等物理量，不同种类

8、的传感器及其不同性能要求会带来数据采集模块能耗的较大差异。例如温/湿度传感器STHxx系列能支持低功耗模式，采集完数据后可自动转入休眠模式，其电流小于1UA，加速度传感器ADX210可以测量双轴向加速度，能耗低于0.6mA，单电源供电范围为3〜5.25V，而图像传感器CIS-VF10则功率较高，通常可以达到100mW。？数据处理能耗主要来自于处理器和存储器两部分。以低端微控制器为代表的