IPv無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

1、項目背景項目背景 國家項目支持 中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程CNGI 2005年研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用試驗項目 信息產(chǎn)業(yè)部2006年“電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金” 項目目標(biāo)項目目標(biāo) 總體指標(biāo) 研究WSN節(jié)點的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)匯聚等關(guān)鍵技術(shù)。 提供不少于30個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，完成在CNGI上的試驗和應(yīng)用。 推動WSN技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。 核心處理器 CPU字長：8bit CPU工作時鐘：4 MHz 片內(nèi)RAM：4KBytes ；片內(nèi)ROM：128K13bits 芯片低功耗：工作模式峰值 10mW，休眠模式峰值 2mW 節(jié)點 n 節(jié)點支持IPv6協(xié)議 n 功耗：發(fā)送模式峰值 50mW，接收模式峰值

2、25mW，休眠模式峰值 15mW 工作內(nèi)容工作內(nèi)容 研究實現(xiàn)WSN節(jié)點的6個關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)件： 自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)點數(shù)據(jù)獲取單元接口 自主知識產(chǎn)權(quán)的核心處理器芯片 自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式操作系統(tǒng) 無線通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 組網(wǎng)路由技術(shù) 數(shù)據(jù)處理技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以自組織形式構(gòu)成多跳中繼的分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點功能結(jié)構(gòu)節(jié)點功能結(jié)構(gòu) n節(jié)點結(jié)構(gòu) 電源 數(shù)據(jù)獲取單元DAU 數(shù)據(jù)處理單元DPU 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元DSRU 數(shù)據(jù)獲取單元接口數(shù)據(jù)獲取單元接口 ADC器件 8位SAR（逐次比較）型 采樣速率最高可達(dá)2MSPS 模擬電壓輸入：02.7V 多路輸入切換開關(guān) TaraxCo

3、re：自主設(shè)計與實現(xiàn) 0.18um CMOS工藝，由中芯國際流片 性能指標(biāo) 字長：8bits RAM：4KBytes ROM：128K13bits 功耗： 工作模式峰值10mW 休眠模式峰值2mW 工作頻率：4MHz 工作電壓：2.0V3.6V 端口：56個雙向三態(tài)I/O端口，支持喚醒休眠和觸發(fā)中斷功能 堆棧：64級堆棧，可支持64級調(diào)用 時鐘：獨立時鐘源的Watchdog計數(shù)器，可用于系統(tǒng)復(fù)位和休眠喚 醒 定時：8位帶預(yù)分頻器的定時計數(shù)單元TCC，可以觸發(fā)中斷 核心處理器芯片核心處理器芯片TaraxCore TaraxCore內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 TaraxCore 裸片和封裝片裸片和封

4、裝片 105 pins QFP Tarax Node現(xiàn)狀現(xiàn)狀 節(jié)點現(xiàn)狀 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)TaraxOS 高度模塊化：由一系列組件模型組成 靈活重用性：應(yīng)用程序通過連接配置文件，實 現(xiàn)可重用組件連接 基于事件驅(qū)動：實現(xiàn)節(jié)點工作狀態(tài)的切換 調(diào)度方式：FIFO調(diào)度、優(yōu)先級調(diào)度 提供類C結(jié)構(gòu)化語言編譯器 內(nèi)核代碼量小于10K Byte 無線通信模塊無線通信模塊 采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。 載波頻率2.4GHz。 實際測試，無線通信模塊的最大通信距離為125m，最大數(shù)據(jù)傳輸速率 250Kbps。 組網(wǎng)路由技術(shù)組網(wǎng)路由技術(shù) 路由協(xié)議：改進(jìn)的AODV 自組織：支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化 負(fù)載

5、均衡：支持多sink點間的負(fù)載均衡 單向鏈路識別：選路時自動避免選擇單向鏈路 算法效率高：計算量小，內(nèi)存空間占用小 廣播控制：一跳范圍內(nèi)廣播，無需全網(wǎng)廣播 組網(wǎng)與路由技術(shù) 組網(wǎng)與路由技術(shù) 完成AODV和DD路由協(xié)議的設(shè)計，代碼編寫和仿真完成，大規(guī)模組網(wǎng) 實驗正在進(jìn)行。 目標(biāo)是實現(xiàn)至少三種路由協(xié)議。 組網(wǎng)路由技術(shù)組網(wǎng)路由技術(shù) 路由總體上分成兩部分： 上行路徑：從信息采樣節(jié)點到信息匯聚節(jié)點sink 下行路徑：從信息匯聚節(jié)點sink到信息采樣節(jié)點 上行路徑的建立上行路徑的建立 1 2 3 4 5 有線網(wǎng)/骨干網(wǎng) 1. Sink節(jié)點向周圍廣播入網(wǎng)信息 2. 一跳鄰居范圍內(nèi)的節(jié)點建立到 sink節(jié)點的路

6、徑 Sink節(jié)點 采樣節(jié)點 3. 一跳鄰居節(jié)點廣播入網(wǎng)信息 4. 二跳鄰居節(jié)點建立到sink節(jié)點 的路徑 5. 按照這樣的規(guī)則，各點依次入 網(wǎng) 6. 如果出現(xiàn)多sink節(jié)點的情況， 節(jié)點將就近接入自己臨近的sink 點，自動形成負(fù)載均衡 下行路徑的建立下行路徑的建立 1 2 3 4 節(jié)點節(jié)點 下一跳下一跳 2 1 3 2 4 3 每個節(jié)點在向sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù) 的時候，都把自己的下一跳節(jié)點 告訴sink節(jié)點，這樣，sink節(jié)點就 能形成一個網(wǎng)絡(luò)的路徑表。 sink節(jié)點記錄的路徑表 形成路徑表以后，sink節(jié)點就能 計算到下行節(jié)點的路徑。 需要發(fā)送下行幀的時候，sink節(jié) 點確定幀的整個路徑，

7、采用源路 由的方式進(jìn)行發(fā)送。 組網(wǎng)與路由技術(shù) 組網(wǎng)與路由技術(shù) 跨層能量成簇算法CLEEC Cross-Layer Energy Efficient Clustering (CLEEC) algorithm 節(jié)點根據(jù)跨層最優(yōu)估計來確定節(jié)點簇首當(dāng)選概 率，并從理論上計算此概率值 采用分布式算法成簇，節(jié)點自主決定當(dāng)選簇首 的概率，不需集中控制。 這種分布式算法非常 適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 算法目標(biāo)就是盡力將能量消耗均攤在各個傳感 器之間，減少能量消耗過快而過早死亡的節(jié)點， 從而延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。 CLEEC場景 該算法場景：傳感器節(jié)點異構(gòu)，初始能量不同。 簇首節(jié)點比非 簇首節(jié)點含有更多的能量。既每一

8、個節(jié)點有不同的概率成為簇 首，保證整個網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點幾乎同時死亡。 CLEEC算法 在每輪最開始時，每一個傳感器節(jié)點以概率Pi選取自己 為簇首CH。 節(jié)點i以Pi 的概率被選為CH節(jié)點，非CH節(jié)點概率則為1- Pi 作為CH簇首節(jié)點i在一輪傳輸中使用的能量 作為非CH節(jié)點i在一次傳輸中使用的能量 i CH E i non CH E 節(jié)點 i在每輪中消耗的平均能量 0 (1) i ii iCHinon CH E PEP E R 0 i E R 節(jié)點的初始能量 網(wǎng)絡(luò)生命周期一共的輪數(shù) CLEEC算法 令ECH 表示每輪中簇首消耗的平均能量，Enon-CH 表示每輪非簇首節(jié)點的 平均能量消耗，通過

9、計算上式的數(shù)學(xué)期望值，我們得： 0 (1) i iCHinon CH E PEP E R 0 () i iCHnon CHnon CH E P EEE R 0 () i non CH i CHnon CH E E R P EE 0 () i non CH i CHnon CH E E R P EE CLEEC網(wǎng)絡(luò)消耗能量 由上式我們可以看到，擁有高初始能量的傳感器節(jié)點具有更高成為簇首的 概率，這就使得擁有高能量的節(jié)點消耗更多的能量來保證網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié) 點幾乎同時死亡。 整個網(wǎng)絡(luò)每輪消耗的能量可計算為： 42 42 (1) (2)() (2) roundCHnon CH elecDAmptoBS

10、fstoCH elecDAmptoBSfstoCH N Ek EE k lNk ENEkdNkd lNENEkdNd CLEEC算法仿真 實驗結(jié)果1 100012501500175020002250250027503000 0 20 40 60 80 100 Number of nodes alive Time (Round) LEACH DCHS DEEC CLEEC 網(wǎng)絡(luò)運行時期節(jié)點存活的數(shù)目（N=100） CLEEC算法仿真 實驗結(jié)果2 100150200250300350400 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Round until final n

11、ode dies Number of nodes LEACH DCHS DEEC CLEEC 不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中，最后一個節(jié)點死亡時網(wǎng)絡(luò)運行的時間 CLEEC算法結(jié)論 仿真證明，CLEEC算法在延長網(wǎng)絡(luò)生命期方面比當(dāng)前重要的分簇算法表現(xiàn)更優(yōu)。 基于電池模型的 低能耗任務(wù)調(diào)度算法 基于電池模型的低能耗任務(wù)調(diào)度算法 l采用電池供電的大量節(jié)點一旦投入使用就很難再更換電池 l其目的是通過改善操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制來實現(xiàn)節(jié)能 定義 l超周期(super-period)，為給定任務(wù)集里所有任務(wù)周期的最小公倍數(shù)。 l一個超周期由多個幀(frame)組成，每幀取值為最小的任務(wù)周期值，任務(wù) 調(diào)度間隔為一幀。 基于電

12、池模型的 低能耗任務(wù)調(diào)度算法 部件操作模式近似電流 TARAXCORE 工作3mA 睡眠10A ADC 采樣8mA 關(guān)閉2.5A CC2420 發(fā)送18mA 接收20mA 關(guān)閉0mA 濕度傳 感器 工作40mA 關(guān)閉0mA 溫度傳 感器 工作10mA 關(guān)閉0mA 工作模式-近似電流值 任務(wù) 相關(guān)資源與模式 近似 電流 （mA） TARAX CORE ADC CC242 0 濕度 傳感 器 溫度 傳感 器 計算工作關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉3 發(fā)送工作關(guān)閉發(fā)送關(guān)閉關(guān)閉21 接收工作關(guān)閉接收關(guān)閉關(guān)閉23 濕度睡眠工作關(guān)閉工作關(guān)閉48 溫度睡眠工作關(guān)閉關(guān)閉工作18 空閑睡眠關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉0 任務(wù)-放電電流分

13、析 基于電池模型的 低能耗任務(wù)調(diào)度算法 高級電池模型 電池的電荷總?cè)萘浚▎挝粸閹靵觯?與電池的擴(kuò)散率相關(guān)，描述電池非線性特性 表示時變電流， L 表示電池壽命。 m 為影響因子。 deidi m L m L L 1 00 (2 )(2)( 2 )(i （1） 基于電池模型的 低能耗任務(wù)調(diào)度算法 代價函數(shù) l定義執(zhí)行時間為T的任務(wù)所消耗能量的代價函數(shù) l電池壽命最大化與任務(wù)能耗最小化為等價命題 1 0 1 ),( N k kkk ttTFI )(i 表示完成任務(wù)所消耗的電荷能量， 采取分段取常數(shù)的方法近似代替。 Q 表示電池的剩余能量 （2） 低能耗任務(wù)調(diào)度算法分析 l每幀任務(wù)按任務(wù)到達(dá)時刻排序

14、 l每幀任務(wù)按放電電流遞增排列 l每幀按任務(wù)放電流非遞增排列 2003004005006000 電流(mA) 50 20 5 100 超周期=600ms 200300 400 500600 0 超周期=600ms 電流(mA) 50 20 5 100 1002003004005000 超周期=600ms 電流(mA) 50 20 5 任務(wù)調(diào) 度方法 一個超周期 消耗電荷（庫倫） 雜序28.5217 升序29.0339 非升序28.0749 由公式（2）算出 三種調(diào)度方法在一個超周期內(nèi) 所消耗的電荷 對于周期任務(wù)集，在幀內(nèi)按照任 務(wù)放電電流非升序排列進(jìn)行調(diào)度， 可降低任務(wù)消耗的能量，延長電 池壽

15、命。 低能耗任務(wù)調(diào)度算法結(jié)論 幀/最小周期 （比值） IIIIII 一個超周期 消耗電荷 （庫倫） 128.0749228.17351.2412e+003 220.3501141.8187763.4793 319.2398126.2109647.2104 610.33569.08504.1831 n不同周期任務(wù)集的調(diào)度結(jié)果 n由于電池的非線性特性： 對于同一任務(wù)集，幀的取值越大能量消耗越小。 當(dāng)幀等于超周期時，周期越大能耗反而越小。 此外周期越大能量消耗越大。 節(jié)點監(jiān)控界面 n監(jiān)控中心界面 節(jié)點監(jiān)控界面 n監(jiān)控中心界面 典型應(yīng)用節(jié)能環(huán)保典型應(yīng)用節(jié)能環(huán)保 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng) 典型

16、應(yīng)用空間探測典型應(yīng)用空間探測 對星球表面大范圍的、長時期、近距離的監(jiān)測和探索 下一步計劃下一步計劃 TaraxCore核心處理器： 集成ADC和部分MAC協(xié)議，實現(xiàn)核心處理器的SoC化。 增加RAM和ROM容量，并增強(qiáng)內(nèi)存管理模塊功能 針對WSN定義專用加速指令集 實現(xiàn)三種運行模式，支持靈活的能量管理策略 增強(qiáng)在系統(tǒng)調(diào)試及在電路調(diào)試功能 進(jìn)一步支持各類RTOS 多種形式及等級的封裝，支持軍用或更高級別 下一步計劃下一步計劃 TaraxOS 在線升級與參數(shù)配置 大規(guī)模組網(wǎng)支持 高效節(jié)能策略 開發(fā)環(huán)境 TaraxCompiler編譯器 TaraxSimer仿真器 TaraxDebugger調(diào)試器

17、n 組網(wǎng)路由技術(shù) 分級路由協(xié)議 高擴(kuò)展：支持大規(guī)模組網(wǎng)，20個域，1000節(jié)點 可管理：網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù) 可用性：穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)抗毀 HMIPv6：在分級移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 下一步計劃下一步計劃 謝 謝！ 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以自組織形式構(gòu)成多跳中繼的分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 組網(wǎng)路由技術(shù)組網(wǎng)路由技術(shù) 路由總體上分成兩部分： 上行路徑：從信息采樣節(jié)點到信息匯聚節(jié)點sink 下行路徑：從信息匯聚節(jié)點sink到信息采樣節(jié)點 上行路徑的建立上行路徑的建立 1 2 3 4 5 有線網(wǎng)/骨干網(wǎng) 1. Sink節(jié)點向周圍廣播入網(wǎng)信息 2. 一跳鄰居范圍內(nèi)的節(jié)點建立到 sink節(jié)點的路徑 Sink節(jié)點 采樣節(jié)點 3. 一跳鄰居節(jié)點廣播入網(wǎng)信息 4. 二跳鄰居節(jié)點建立到sink節(jié)點 的路徑 5. 按照這樣的規(guī)則，各點依次入 網(wǎng) 6. 如果出現(xiàn)多sink節(jié)點的情況， 節(jié)點將就近接入自己臨近的sink 點，自動形成負(fù)載均衡 低能耗任務(wù)調(diào)度算法分析 l每幀任務(wù)按任務(wù)到達(dá)時刻排序 l每幀任務(wù)按放電電流遞增排列 l每幀按任務(wù)放電流非遞增排列 2003004005006000 電流(mA) 50 20 5