王丙元，劉錫盟，呂忠義

（1.中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津　300300；2.大連市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，大連　116001）

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低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)與壽命評估

王丙元1，劉錫盟1，呂忠義2

（1.中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津300300；2.大連市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，大連116001）

摘要：機(jī)場助航單燈監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存在能量約束問題。為降低節(jié)點(diǎn)能耗、延長網(wǎng)絡(luò)壽命，從硬件能耗、軟件控制、路由算法3個(gè)方面討論了節(jié)點(diǎn)的節(jié)能設(shè)計(jì)。壽命評估可為傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)維護(hù)提供依據(jù)。通過差分采樣能耗測試方法測試了節(jié)點(diǎn)能耗，為系統(tǒng)整體壽命評估提供了初步依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；助航燈光；低功耗；能耗

為保障飛機(jī)的安全飛行，要求每天對助航燈光定時(shí)巡檢［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其部署靈活、安裝方便、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外機(jī)場運(yùn)營的諸多方面已有研究和應(yīng)用［2-3］。針對機(jī)場助航燈具數(shù)量眾多、人工巡檢不便的情況，已有研究采用自動化巡檢的單燈狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢方法［4］。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到助航燈光自動監(jiān)控應(yīng)用中，不僅可以將維修人員從繁重的人工巡檢工作中解脫出來，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，適時(shí)進(jìn)行視情維修，以提高機(jī)場安全保障能力［5］。

《國際民用航空公約》附件14中規(guī)定：附加監(jiān)測設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)不能影響原燈光系統(tǒng)的工作狀態(tài)［6］。為保障燈光系統(tǒng)可靠性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用電池供電，與助航燈光的供電回路隔離。同時(shí)，機(jī)場進(jìn)近區(qū)助航燈光數(shù)量較大且分布范圍較廣，使得監(jiān)控節(jié)點(diǎn)不便于維護(hù)。因此，助航燈光監(jiān)控節(jié)點(diǎn)存在著能量約束問題。本文通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的能耗特點(diǎn)，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能措施，并以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)了低功耗的助航燈光監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。通過差分采樣的能耗測試方法測試了節(jié)點(diǎn)能耗，為系統(tǒng)的整體壽命評估提供了初步依據(jù)。

1　助航燈光監(jiān)控節(jié)點(diǎn)能耗分析

1.1節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析

助航燈光監(jiān)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)助航燈光的位置分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，主要由處理器、無線通信、傳感器和電源4個(gè)模塊構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

助航燈光監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊各部分協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基本功能。處理器模塊是核心，負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)處理、實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議；通信模塊接收上位機(jī)發(fā)送過來的指令，同時(shí)發(fā)送采集到的燈光狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)采集部分收集助航燈光工作狀態(tài)數(shù)據(jù)并判斷相應(yīng)助航燈光工作狀態(tài)；電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，保障節(jié)點(diǎn)正常工作。

圖1　單燈監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊框圖Fig.1　Module diagrarn of single-lamp monitoring node

1.2節(jié)點(diǎn)能耗分析

由圖1可知節(jié)點(diǎn)的能耗來自3個(gè)硬件模塊。其中，處理器模塊的能耗主要來自CPU與存儲器。傳感器模塊能耗由單次采樣能量消耗和采樣頻率決定。由于電子集成工藝的快速發(fā)展，高度集成的處理器和傳感器的能耗已變得相當(dāng)?shù)?。通訊模塊的能耗與其調(diào)制方式、發(fā)射功率和操作周期等因素密切相關(guān)。通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠4種狀態(tài)，發(fā)送狀態(tài)的消耗遠(yuǎn)大于空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)的消耗，而在休眠狀態(tài)下的能量消耗是最小的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)借助路由算法引導(dǎo)各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過協(xié)作完成傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。就整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，路由算法決定節(jié)點(diǎn)的收發(fā)活動，其算法優(yōu)劣影響節(jié)點(diǎn)能耗的大小。就單個(gè)節(jié)點(diǎn)來講，節(jié)點(diǎn)軟件需要在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)路由功能的前提下對上述硬件資源的使用進(jìn)行有效調(diào)度。

綜上所述，通過合理的節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)及高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信路由協(xié)議，可有效降低助航燈光系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能耗。

2　低功耗設(shè)計(jì)

2.1硬件低功耗設(shè)計(jì)

1）選用超低功耗、高集成度、片內(nèi)資源豐富的處理器芯片，充分利用處理器自身資源代替其他硬件電路來降低儀器功耗、簡化系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)。

2）對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)電源管理，以系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作為前提，通過降低系統(tǒng)工作電壓、工作時(shí)鐘頻率或選擇進(jìn)入休眠模式以降低系統(tǒng)能耗。

在助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)選擇超低功耗MSP430G2553為處理器，該型號單片機(jī)可在1.8～3.3 V電壓下穩(wěn)定工作。該處理器有6種工作模式可供選擇，在低功耗模式3下工作電流僅為0.2 uA，使用內(nèi)部集成的低功耗A/D轉(zhuǎn)換模塊作為數(shù)據(jù)采集單元。選定低功耗CC1101作為無線收發(fā)模塊，其系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2　單燈監(jiān)控節(jié)點(diǎn)電路圖Fig.2　Circuit of single-lamp monitoring node

2.2軟件低功耗設(shè)計(jì)

低功耗軟件設(shè)計(jì)涉及兩個(gè)方面：①充分利用處理器的睡眠機(jī)制，利用中斷喚醒功能替代循環(huán)、查詢、動態(tài)掃描等工作方式。通過軟件設(shè)定工作模式，在低功耗模式下進(jìn)行定時(shí)、A/D轉(zhuǎn)換等工作。②對電路中用電模塊進(jìn)行電源管理，根據(jù)工作需要來接通相應(yīng)模塊的電源，待事件處理完畢后切斷相應(yīng)模塊的電源。

系統(tǒng)初始化完成之后處理器進(jìn)入低功耗模式3。無線收發(fā)模塊保持在無線喚醒狀態(tài)，周期性地從睡眠狀態(tài)經(jīng)中斷喚醒進(jìn)入接收模式接收數(shù)據(jù)，以降低無線收發(fā)模塊功耗。助航燈光的電源系統(tǒng)為恒流系統(tǒng)，需要采集燈光兩端的工作電壓來判斷燈光的工作狀態(tài)。MSP430G2553單片機(jī)內(nèi)部包含片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊，平常處于關(guān)閉狀態(tài)，在接收到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的采樣指令后開啟A/D轉(zhuǎn)換，完成采集任務(wù)后關(guān)閉A/D模塊。

2.3低功耗通信路由協(xié)議設(shè)計(jì)

高效的無線路由協(xié)議可通過降低通信能耗、平衡負(fù)載、融合傳輸數(shù)據(jù)來降低系統(tǒng)的能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。文獻(xiàn)5在LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上提出面向機(jī)場進(jìn)近區(qū)助航燈光單燈監(jiān)控系統(tǒng)的路由協(xié)議（AL-CADE），協(xié)議中簇頭的選舉使用節(jié)點(diǎn)剩余能量和傳輸距離雙重約束。仿真表明：AL-CADE協(xié)議顯著降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長了系統(tǒng)的工作周期。

3　節(jié)點(diǎn)能耗測試

3.1能耗測試方法

為評估系統(tǒng)的能耗、可靠性等參數(shù)和系統(tǒng)壽命之間的關(guān)系，需對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗測試［7］。目前的能耗測量方案大致可分為2類：全系統(tǒng)軟件仿真與硬件模擬實(shí)驗(yàn)。前者采用模擬仿真工具在給定參數(shù)下對節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)刻的能耗進(jìn)行分析評估，與實(shí)際情況有著一定的差距。進(jìn)行節(jié)點(diǎn)壽命評估時(shí)測試節(jié)點(diǎn)真實(shí)能耗數(shù)據(jù)更為合理，故采用外接硬件電路實(shí)驗(yàn)。外接硬件主要有下面2種方法：電流探針法和采樣電阻法，其電路原理如圖3和圖4所示。

圖3　電流探針法Fig.3　Current probe approach

圖4　采樣電阻法Fig.4　Sample resistor approach

電流采樣的精度易受到電流探針的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電流消耗為mA級，對電流探針要求較高，而且在測量過程中受到外界環(huán)境的影響導(dǎo)致測試誤差較大。電阻采樣測量方式，測量電路簡單易行，采用高精度采樣電阻，測量精度可滿足要求，且不易受外界環(huán)境干擾［8］。參考圖4可計(jì)算系統(tǒng)工作電流。圖4中采樣電阻R被選為阻值為0.5 Ω的小阻值精密電阻，大大減少了采樣電阻的壓降對被測系統(tǒng)的影響。差分放大器的增益為K，將采樣電阻上的弱信號V1放大為V2。微控制器上集成的AD轉(zhuǎn)換器對信號V2進(jìn)行采樣處理，并進(jìn)行相應(yīng)的功耗計(jì)算。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試

傳輸距離是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。在助航燈光系統(tǒng)中需根據(jù)燈光位置分布選擇合適的發(fā)射功率。以某機(jī)場北進(jìn)近區(qū)為參考，將整個(gè)區(qū)域分為5個(gè)180 m×10 m的小區(qū)域，經(jīng)過路由協(xié)議簇頭選舉與簇頭優(yōu)化可得每個(gè)小區(qū)域內(nèi)含有4個(gè)簇頭［5］。為驗(yàn)證CC1101傳輸距離，在室外進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室外空曠地帶，天氣晴朗，溫度為攝氏0℃左右。測試結(jié)果如表1所示。

表1　不同發(fā)射功率下的節(jié)點(diǎn)傳輸距離Tab.1　Communication distance at different transmiting powers

傳輸距離是由發(fā)射功率來決定的。由測試結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)射功率為7 dBm時(shí)，傳輸距離達(dá)到100 m，能夠覆蓋簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)且丟包率不到2%，可滿足通信要求。因此文中設(shè)計(jì)發(fā)送功率采用7 dBm。

為評估節(jié)點(diǎn)的壽命，將差分放大器增益K設(shè)為20，采用阻值0.5 Ω的精密電阻作為采樣電阻對系統(tǒng)的功耗進(jìn)行了一系列測試。7 dBm發(fā)送功率下采樣電阻的電壓波形圖，如圖5所示。

圖5　7 dbm發(fā)射功率下采樣電阻上的電壓波形圖Fig.5　Voltage on sample resistor at 7 dbm transmiting power

經(jīng)過多輪測量，求得在7 dBm發(fā)射功率下平均電流消耗，如表2所示。

以同樣的測量方法對系統(tǒng)在休眠狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)以及片內(nèi)A/D采樣的功耗進(jìn)行了測試，結(jié)果如表3所示。

表2　7 dbm發(fā)射功率下電流值Tab.2　Current at 7 dbm transmiting power

表3　各狀態(tài)下系統(tǒng)工作電流Tab.3　Current consumption at different modes

從表3可得出如下結(jié)論：系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下能量消耗最低。故當(dāng)巡檢任務(wù)完成后，節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)入休眠模式以降低功耗。

3.3節(jié)點(diǎn)壽命評估

由于采集、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)間極短，數(shù)分鐘內(nèi)即可完成對所有燈光的巡檢。設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)每天發(fā)射工作1 min，由于CC1101無線喚醒的存在，則每天接收時(shí)間約為10 min，其余時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。在燈光兩端電壓采集過程中需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其中采用頻率為32.78 kHz，每次巡檢采樣16次。根據(jù)能耗公式可得每天消耗Cd為

其中：It為發(fā)射狀態(tài)電流大小，tt為發(fā)射時(shí)間；Is、ts分別為睡眠狀態(tài)的電流大小與睡眠時(shí)間；Ir、tr分別為接收狀態(tài)的電流大小與接收時(shí)間；Ia/d、ta/d分別為采樣電流與采樣時(shí)間。

經(jīng)計(jì)算可得Cd= 4.91 mAh，而3節(jié)干電池的容量C為6 000 mAh，經(jīng)過計(jì)算可得節(jié)點(diǎn)壽命Ln為

經(jīng)測試計(jì)算可得出節(jié)點(diǎn)能夠正常工作1 223天的結(jié)論，但由于每次巡檢時(shí)都要進(jìn)行簇頭選舉，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有成為簇頭的可能性。作為簇頭節(jié)點(diǎn)，需要管理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)，融合簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，此時(shí)能量消耗多，系統(tǒng)的工作壽命相應(yīng)縮短。節(jié)點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行壽命要比1 223天少，此數(shù)據(jù)可作為傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的初步依據(jù)。

4　結(jié)語

本文從系統(tǒng)硬件、軟件編程以及通信機(jī)制3方面進(jìn)行了助航燈光低功耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。對發(fā)射功率的傳輸距離進(jìn)行了室外測試，實(shí)驗(yàn)測試7 dBm發(fā)射功率可滿足機(jī)場助航燈光系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸距離的需求。采用電阻采樣方法測量了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗。根據(jù)所測的能耗數(shù)據(jù)初步估算了助航燈光監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的平均壽命，為進(jìn)一步的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：黃月）

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

中圖分類號：V351.32；TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674－5590（2016）02－0032－04

收稿日期：2015-07-02；修回日期：2015-09-23基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1333102）

作者簡介：王丙元（1968—），男，遼寧朝陽人，教授，博士，研究方向?yàn)闇y控自動化.