自動(dòng)配置的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用和軍用方面具有極高的價(jià)值，可以在大范圍內(nèi)用于收集、處理和發(fā)布復(fù)雜的環(huán)境數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，可以使用的電量非常有限，而且對(duì)于有成千上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，對(duì)電池的更換是非常困難的甚至是不可能的。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間卻要求長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 節(jié)點(diǎn)組成及能耗分析

規(guī)范的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。節(jié)點(diǎn)由四部分組成：（1）由微處理器或微控制器構(gòu)成的計(jì)算子系統(tǒng)；（2）用于無(wú)線通信的短距離無(wú)線收發(fā)電路，即通信子系統(tǒng)；（3）將節(jié)點(diǎn)與物理世界聯(lián)系起來(lái)，由一組傳感器和激勵(lì)裝置構(gòu)成的傳感子系統(tǒng)；（4）能量供應(yīng)子系統(tǒng)，包括電池和AC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1） 計(jì)算子系統(tǒng)

微處理器（MicroController Unit， MCU）負(fù)責(zé)控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)的算法。MCU的選擇會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的電池消耗帶來(lái)很大的影響，比如，Intel的StrongARM常用于高端領(lǐng)域，在執(zhí)行指令時(shí)功耗達(dá)到400mW，而ATmega103L AVR的功耗就只有16.5 mW，不過(guò)提供的性能也要弱的多。出于電源管理的目的，MCU通常有活躍、空閑和睡眠等多種操作模式，每種模式有不同的電源消耗。比如，StrongARM在空閑模式功耗為50 mW，而在睡眠模式時(shí)只有0.16 mW。在不同操作模式之間切換也有電源和延遲開(kāi)銷，因此，不同的操作模式、模式之間的切換和MCU在每種模式的時(shí)長(zhǎng)對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗有很大的影響。

2） 通信子系統(tǒng)

影響無(wú)線收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節(jié)點(diǎn)采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等。通常，無(wú)線收發(fā)電路可以工作在四種狀態(tài)，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)?？臻e狀態(tài)也具有很高的功耗，幾乎與接收模式不相上下，所以在無(wú)線收發(fā)電路處于空閑狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該盡可能將其關(guān)閉（即置于睡眠狀態(tài)）。

3） 傳感子系統(tǒng)

包括一組傳感和激勵(lì)裝置，將周圍環(huán)境的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)輸出可以分為模擬和數(shù)字兩類。在無(wú)線傳感器中，能量消耗來(lái)自多個(gè)部分，包括（1）信號(hào)采樣以及物理信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換　　　?。?）信號(hào)調(diào)制（3）信號(hào)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換。

4） 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗分析

現(xiàn)在分析無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。表1是Rockwell的WINS項(xiàng)目中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)，表2是MEDUSA-II項(xiàng)目中節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù)，從中可以看出：

采用低功耗模塊、在性能與耗電量之間進(jìn)行折中對(duì)系統(tǒng)整體功耗影響巨大。

節(jié)點(diǎn)的能耗在很大程度上取決于各個(gè)組成部分的工作狀態(tài)。

由于傳輸距離很短，接收時(shí)的能耗可能比發(fā)送時(shí)還大。

無(wú)線收發(fā)電路在空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)的耗電量相差無(wú)幾。

在分析了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成和能耗特點(diǎn)之后，讓我們看看在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上可以采取哪些措施來(lái)節(jié)約能耗。

1） 節(jié)能計(jì)算

除了在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中采用低功耗硬件之外，通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理（Dynamic Power Management， DPM）等技術(shù)使系統(tǒng)各個(gè)部分都運(yùn)行在節(jié)能模式下也可以節(jié)約大量的能量。最常用的電源管理策略是關(guān)閉空閑模塊，在這種狀態(tài)下，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)或其一部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有感興趣的事件發(fā)生。DPM技術(shù)的核心問(wèn)題是狀態(tài)調(diào)度策略，因?yàn)椴煌臓顟B(tài)有不同的功耗特征，而且狀態(tài)切換也有能量和時(shí)間開(kāi)銷。

在活躍狀態(tài)下，則可以采取動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整（Dynamic Voltage Scaling， DVS）技術(shù)來(lái)節(jié)約能量。在大多數(shù)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算負(fù)載是隨時(shí)間變化的，因此并不需要微處理器所有時(shí)刻都保持峰值性能。DVS技術(shù)就是利用了這一點(diǎn)，動(dòng)態(tài)改變微處理器的工作電壓和頻率使其剛好滿足當(dāng)時(shí)的運(yùn)行需求，從而在性能和能耗之間取得平衡。

2） 節(jié)能軟件

如果操作系統(tǒng)、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等系統(tǒng)軟件針對(duì)能耗進(jìn)行了專門的優(yōu)化，那么無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間也能得到有效的延長(zhǎng)。

在操作系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整是最合適的，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)可以獲取所有應(yīng)用程序的性能需求并能直接控制底層硬件資源，從而在性能和能耗控制之間進(jìn)行必要的折衷。操作系統(tǒng)的核心是任務(wù)調(diào)度器，負(fù)責(zé)調(diào)度給定的任務(wù)集合使其滿足各自的時(shí)間和性能需求，通過(guò)在任務(wù)調(diào)度中考慮節(jié)能問(wèn)題可，系統(tǒng)生存時(shí)間可得到明顯的延長(zhǎng)。

鑒于傳輸中不可避免的數(shù)據(jù)丟失，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能根據(jù)當(dāng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供不同精度的數(shù)據(jù)，從而獲得一定的彈性。另一方面，監(jiān)測(cè)對(duì)象的屬性是隨時(shí)間變化的，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算和通信需求也隨之改變。這樣，我們就可以在實(shí)時(shí)調(diào)度算法中進(jìn)行某種程度的預(yù)測(cè)，對(duì)能耗進(jìn)行主動(dòng)式的管理。另外，應(yīng)用層可以設(shè)計(jì)成將主要的計(jì)算任務(wù)及早執(zhí)行，然后在算法正常結(jié)束前提前中止，這樣就能在對(duì)數(shù)據(jù)精度影響不大的情況下節(jié)約能耗。

3） 無(wú)線收發(fā)電路能耗管理

雖然嵌入式處理器的電源管理已經(jīng)得到深入研究，但無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)卻研究得不夠。由于無(wú)線通信占了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗主要部分，因此對(duì)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的能耗管理非常重要。

無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)電源消耗主要來(lái)自兩部分，取決于傳輸距離和調(diào)制參數(shù)的射頻部分以及進(jìn)行頻率合成、濾波等操作的基帶電路部分。無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)很復(fù)雜，因?yàn)樯漕l部分和基帶電路部分的電源開(kāi)銷是相當(dāng)?shù)?，降低射頻部分的速率反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。另外要考慮的問(wèn)題是，無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的初始化開(kāi)銷很大，這一切都加大了無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的難度。關(guān)于無(wú)線通信方面的能耗優(yōu)化將在下一節(jié)詳細(xì)討論。

4） 節(jié)能報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)

除了發(fā)送自身感知的數(shù)據(jù)之外，每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)又都是路由器，需要為其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。在典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)接收的大部分報(bào)文（大概有65％）需要轉(zhuǎn)發(fā)給其它節(jié)點(diǎn)。通常情況下，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將絕大部分協(xié)議處理功能交由MCU執(zhí)行。這樣，不管其最終目的地是哪里，每個(gè)接收到的報(bào)文都會(huì)經(jīng)過(guò)相同的處理步驟到達(dá)計(jì)算子系統(tǒng)并得到處理，導(dǎo)致不必要的能耗開(kāi)銷。利用智能無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，需要轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文可以直接在通信子系統(tǒng)標(biāo)識(shí)和轉(zhuǎn)發(fā)，甚至在計(jì)算子系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)時(shí)也能正常工作。

3 無(wú)線通信的節(jié)能優(yōu)化

與單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗管理類似，在節(jié)點(diǎn)間通信過(guò)程中考慮節(jié)能措施同樣對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的電源使用效率有重要作用，而且，使通信過(guò)程對(duì)能耗敏感可以將節(jié)能優(yōu)化的范圍從單個(gè)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到參與通信的多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1） 調(diào)制模式

在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線鏈路上使用的射頻技術(shù)對(duì)無(wú)線通信的能量消耗也有重要影響。調(diào)制模式的選擇決定了無(wú)線鏈路在總體能耗與靈敏度、延遲等方面的平衡。

調(diào)制級(jí)別直接影響功率放大器的能耗，與DVS類似，根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)改變調(diào)制級(jí)別是節(jié)約能耗的有效手段。由于無(wú)線收發(fā)電路的啟動(dòng)開(kāi)銷較大，因而每次發(fā)送報(bào)文的長(zhǎng)度越大越好，這樣可以將啟動(dòng)開(kāi)銷平攤到更多的數(shù)據(jù)上，但將數(shù)據(jù)積累到一定長(zhǎng)度再發(fā)送對(duì)信息交換的延遲有影響，需要在兩者之間進(jìn)行平衡。

2） 鏈路層優(yōu)化

負(fù)責(zé)錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正的鏈路層影響報(bào)文的發(fā)送次數(shù)，從而影響系統(tǒng)功耗，特別是對(duì)于與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等遠(yuǎn)距離通信而言。對(duì)給定的誤碼率（Bit Error Rate， BER），錯(cuò)誤控制機(jī)制可以減少發(fā)送報(bào)文消耗的能量，但相應(yīng)的增加了發(fā)送者和接收者的處理能耗。總的來(lái)說(shuō)，鏈路層技術(shù)在降低能耗中所起的作用是間接的，好的錯(cuò)誤控制模式可以降低報(bào)文重傳次數(shù)，從而節(jié)約收發(fā)兩端的能耗。