無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點研究背景意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點研究背景意義及國內(nèi)外現(xiàn)狀1研究背景及意義2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1研究背景及意義 隨著通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展進步，包括微電子機械系統(tǒng)（micro-electro-mechanical systems， mems）以及相關(guān)的接口、信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息妙理技術(shù)和通信技術(shù)，它是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪音和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并

2、對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、智能家居、工業(yè)生產(chǎn)控制以及商業(yè)等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術(shù)界的極大關(guān)注。美國技術(shù)評論2003年1月號上，技術(shù)評論的編輯們認為，有十種新興技術(shù)在不遠的將來會產(chǎn)生巨大影響、其中第一項就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。美國國防刻和各軍事部門都對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視。在c4isr的基礎(chǔ)上提出了c4kisr計劃，強調(diào)戰(zhàn)標情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事傳感

3、器網(wǎng)絡(luò)研究項目。在民用領(lǐng)域，2002年，美國 intel公司發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”。今后，intel將致力于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在預防醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領(lǐng)域的應用。伯克利實驗室和大西洋學院的研究人員計劃部署和使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來研究島上環(huán)境。這些傳感器由溫度、濕度、氣壓等芯片和紅外線傳感器組成。科學家們使用這些設(shè)備可以在不干擾野生動植物正常生活的情況下監(jiān)視它們及其生存環(huán)境。然而，新的技術(shù)又會引發(fā)新的問題，這主要是無線傳感器節(jié)點的供電問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大部分是采用電池供電，工作環(huán)境通常比較惡劣。而且數(shù)量大，更換電池非常困難，所以低功耗是無線傳

4、感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計準則之一。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有些模塊不工作或者處于休眠狀態(tài)時，就可以將其供電電路斷開以節(jié)約用電，當有指令將其喚醒時，則接通其供電電路以保證系統(tǒng)的正常工作。這樣便可有效節(jié)約電能，延長電池的供電時間和使用壽命，同時也保證了整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工作質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的四個主要組成部分分別是傳感器模塊，處理器模塊，無線通訊模塊和電源模塊。一般來說，在節(jié)點中傳感器模塊的電源消耗被設(shè)計得非常低，只有處理模塊和通訊模塊中的電源消耗才做更深入的研究。一些典型的節(jié)點中，低壓差穩(wěn)壓器只用于保持穩(wěn)定的電池輸出，但許多其他國家都直接由電池供電。雖然相同的節(jié)點使用的處理器和通信模塊具有很廣電源電壓范圍，但是

5、電源電壓對處理性能卻有巨大影響（例如，電源電壓下降會同時降低敏感性和加速度計adxl202的帶寬），自我耗散功率模塊，以及如何最好地使用電池卻不太令人關(guān)切。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電源設(shè)計上人們很少考慮到節(jié)能問題。2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀節(jié)點的能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮效能的瓶頸。當前的研究主要集中在節(jié)點硬件設(shè)計和路由算法上節(jié)省能量，以延長網(wǎng)絡(luò)傳感器的生命周期。以下為幾種電源管理系統(tǒng)的方法。 其一是采用一種電源管理芯片，從而來降低功耗，但現(xiàn)有電源管理芯片較少考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，如能源供應十分有限，低成本、小體積等；功能上或者冗余或者不足，具有針對性的電源管理研究成果較少，使一些降低功耗的策略實施

6、困難。其二是一種基于太陽能、風能等無限能源的能量供給系統(tǒng)。如基于太陽能的能量供給系統(tǒng)，這種系統(tǒng)利用太陽能電池板、鋰電池和智能充電芯片構(gòu)成電源。利用二極管降壓給節(jié)點數(shù)傳模塊提供其工作電壓，利用升壓芯片為傳感器提供不同工作情況下的電壓。實現(xiàn)了在有陽光的環(huán)境中為無線節(jié)點永久性供電和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無限使用的目的。如cn3063,它是可以用太陽能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。該器件內(nèi)部包括功率晶體管 ,應用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。內(nèi)部的 8位模擬2數(shù)字轉(zhuǎn)換電路,能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流 ,可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力。充電電流通過一個外部電阻設(shè)置，

7、當輸入電壓掉電時cn3063自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗非常小。其他功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)結(jié)束指示等功能。當然本模塊還需設(shè)計其他輔助電源輸入端，以便在沒有陽光或風能又有電壓要求的情況下滿足節(jié)點電壓需求。這樣設(shè)計實現(xiàn)了在有陽光的環(huán)境中為無線節(jié)點永久性供電和延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命的目的。熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時候?qū)⑿酒瑴囟瓤刂圃诎踩秶鷥?nèi)。內(nèi)部固定的恒壓充電電壓為4. 2 v,也可以通過一個外部電阻進行調(diào)節(jié)。充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。當輸入電壓掉電時 , cn3063自動進入低功耗的睡眠模式

8、 ,此時電池的電流消耗小于3a。其它功能包括輸入電壓過低鎖存,自動再充電,電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài) /充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。cn3063只需要極少的外圍元器件。 其三是一種基于dpm的高效設(shè)計。電源管理設(shè)計的重點是在實現(xiàn)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上使用技術(shù)減少能耗從而提高效率，節(jié)約能源的根本途徑是降低能耗和減少工作時間，其主要消耗來自于阻抗耗散i2r和cmos設(shè)備的動態(tài)耗散(pd正比于v2f)，降低電壓v和頻率f是一個降低消耗有效途徑，但是這個方法受限于節(jié)點的性能要求。為了節(jié)約能源在應用程序級的設(shè)計時，低功耗的設(shè)備是必要的，在低電壓低頻率的基礎(chǔ)上，硬件和軟件應該相結(jié)合從而實現(xiàn)dpm，但是良好的效果取決于

9、有效的設(shè)計方法。dpm的基本思路是把空閑的模塊調(diào)到低功耗模式，例如，在沒有需要時把空閑的模塊調(diào)到睡眠模式或者關(guān)機，需要時再將它開啟，因此，在實施dpm之前，它要求每個模塊有不同的功耗模式。根據(jù)節(jié)點的一般要求和電壓調(diào)節(jié)器和電池的屬性，基于dpm的原則提出了下面節(jié)電的節(jié)點電源設(shè)計的策略。在根據(jù)模塊和負載設(shè)置電源前，應考慮以下情況：1) 如果小負載情況下能夠由處理器的i / o端口驅(qū)動，則可以使用i / o端口提供電源，而輕負載要求一個準確而穩(wěn)定的供電電壓，所以必須提供一個電壓基準。2) 如果該模塊可以自動調(diào)節(jié)電壓，或證實了它監(jiān)測到的電池電壓在其工作電壓范圍內(nèi)，該模塊就可以直接由電池供電。3) 如模塊必須采用多電源供電的模式，則電源模塊應該按照dpm的原則要求選擇電力供應的模式。4) 根據(jù)容量、生命周期、尺寸、成本和環(huán)境要求來選擇電池的類型和規(guī)格。在滿足節(jié)點電源要求的情況下，節(jié)點電源的設(shè)計應該以低功耗、低成本、高效率以及節(jié)能戰(zhàn)略為原則。其軟件設(shè)計流程如下所述：為了執(zhí)行低功耗電源管理，系統(tǒng)程序需要對電源電路進行控制和調(diào)整。當系統(tǒng)完成初始化后即進入低功耗工作模式狀態(tài)，一旦有允許的中斷請求，cpu將被喚醒進入活動模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完