无线传感器与网络能量管理

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1、-无线传感器网络的能量管理班级：信息1502学号：2015485姓名：张蕊.---1进行能量管理的原因无线传感器网络节点密度大，一般部署在恶劣环境中，能源通常很难替代，节点能量供给大都是采用电池供电方式，并要求工作相当长的时间。因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的能量成为无线传感器网络软、硬件设计中的核心问题。通过能量管理机制尽量减少节点的能量消耗，可有效延长节点的工作时间和网络的整体寿命，达到应用的需求。因为节点的能量非常有限，所以能量消耗是WSN重点关注的问题。事实上，所有的无线设备都面临能量不足的问题，而以下原因使得WSN的能耗问题更加严重：1.与其承担的感

2、知、处理、自主管理和通信等复杂功能相比，节点的体积非常小，难以容纳大容量电源。2.一个理想的无线传感器网络由大量节点组成，因此，不能通过人工方式更换节点电池或者给电池充电。3.虽然学术界正在研究可再生能源和自动充电机制，但节点太小仍然是限制其应用的因素。4.部分节点失效可能会导致整个网络过早地分离成一些子网。在实现无线传感器网络能量管理方面普遍从每个节点出发，除了在无线传感器网络节点设计过程中采用低功耗硬件之外，还通过动态能量管理等技术使系统各个部分运行在节能模式，可以节约大量的能量。另外，还可以针对无线传感器网络不同应用进行专门的优化，并采用软、硬件整合设计、跨层网络协议设计等一体化

3、能量管理方案来为无线传感器网络节能。2无线传感器网络节点的能耗分析一个传感器节点主要由四部分组成：电源、传感器、处理器和射频模块。传感器感知各种信息，包括温度、湿度、压强、化学物浓度等物理量，然后交由处理器进行信息的处理和融合，最后通过射频模块对信息进行转发。传感器节点的射频模块不仅仅负责接收或发送数据包，还负责侦听通信信道，或控制射频模块的开/关以进入工作或休眠状态。除了产生能量的电源模块以外，传感器、处理器和射频模块都是传感器节点的能耗源。下面就这三个构成部分来详细分析它们对节点能耗所产生的影响。(1).---传感器的能耗主要来源于：变换器、前端处理与信号调节、模数转换器。传感器的

4、种类很多，测量不同的物理量时传感器所需要的能耗不同：感应温度和感应声音所需消耗的能量不同，感应声音和感应图像所需消耗的能量也不同。根据能量消耗量，传感器可大致分为三类：·低能耗类：温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、加速度传感器；·中等能耗类：声传感器、磁传感器；·高能耗类：图像传感器、视频传感器。此外，感应的时间长短不同，传感器所需要的能耗也不同；环境的复杂性同样决定了传感器节点感应外部环境信息所需的能耗。但是总体而言，感应所消耗的能量要远小于通信所消耗的能量。(1)在传感器节点中，数据处理的能耗要远小于通信所需的能耗。假设无线信号衰落服从的瑞利衰落，在100米距离上传输1KB的数据

5、所需要的能量大概与在100MIPS/W处理器上执行三百万个指令所需要消耗的能量相当。而在一些大型的传感器网络中，节点数目众多，它们产生的数据包数相当大，在节点上进行一定的数据处理能在少量增加处理器能耗的基础上大量减少数据的通信量，因此是减少传感器节点能耗的有效途径之一。(2)由上述对感应单元和处理单元的分析可知，传感器节点最大的能耗源是射频模块。经过对Telosb节点的简单测试可以发现，Telosb在工作状态下的能耗远大于休眠时的能耗：节点处于传输状态时的能耗为接收状态时能耗的2倍多。传感器节点在空闲、接收、传输这三种模式下的能耗比率为l：1：2.7。指出传感器节点处于空闲侦听状态下所

6、消耗的能量占整个能量消耗的90％以上。由此可见，射频模块在传输和接收模式下消耗能量最多，在空闲模式下运行也很浪费，因为射频电路在空闲状态下仍然处于开启状态，它对无线电信号进行持续的侦听来探测数据包的传入。因此，需要在没有数据包传输的情况下关闭射频模块，让传感器节点处于休眠状态以减少能耗。然而，射频的开启或是关闭同样需要消耗能量。3局部能量管理了解无线传感器节点中不同的子系统是如何消耗能量的，是开发一个局部能量管理策略的第一步。可以利用该信息来避免无用活动，并对如何节约能量进行安排。而且，它可以用来评估节点能量的整体消耗速率，以及该速率是如何影响整个网络的生存期的。下面将对构成一个节点的

7、不同子系统进行详细的介绍。3.1处理器子系统大多数现有的处理子系统都使用微控制器，尤其是英特尔的StrongARM处理器和Atmel的AVR处理器。通过配置，这些微处理器可以工作在不同的电源模式下。例如，ATmega128L微处理器有六种不同的电源模式：空闲模式、ADC.---降噪模式、节能模式、掉电模式、待机模式和扩展待机模式。空闲模式是在允许SRAM、计时器/计数器、SPI端口和中断系统继续工作的同时，停止CPU工作。掉电模式是在下一次中断