无线传感器网络节点研究背景意义及国内外现状

无线传感器网络节点研究背景意义及国内外现状1研究背景及意义2 国内外研究现状1研究背景及意义 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems， MEMS）以及相关的接口、信号处理技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器网络引起了人们的极大关注。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息妙理技术和通信技术，它是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国技术评论2003年1月号上，技术评论的编辑们认为，有十种新兴技术在不远的将来会产生巨大影响、其中第一项就是无线传感器网络。美国国防刻和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视。在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战标情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。在民用领域，2002年，美国 Intel公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。今后，Intel将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。伯克利实验室和大西洋学院的研究人员计划部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境。这些传感器由温度、湿度、气压等芯片和红外线传感器组成。科学家们使用这些设备可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境。然而，新的技术又会引发新的问题，这主要是无线传感器节点的供电问题，无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣。而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。在网络节点有些模块不工作或者处于休眠状态时，就可以将其供电电路断开以节约用电，当有指令将其唤醒时，则接通其供电电路以保证系统的正常工作。这样便可有效节约电能，延长电池的供电时间和使用寿命，同时也保证了整个网络系统的工作质量。无线传感器网络节点的四个主要组成部分分别是传感器模块，处理器模块，无线通讯模块和电源模块。一般来说，在节点中传感器模块的电源消耗被设计得非常低，只有处理模块和通讯模块中的电源消耗才做更深入的研究。一些典型的节点中，低压差稳压器只用于保持稳定的电池输出，但许多其他国家都直接由电池供电。虽然相同的节点使用的处理器和通信模块具有很广电源电压范围，但是电源电压对处理性能却有巨大影响（例如，电源电压下降会同时降低敏感性和加速度计ADXL202的带宽），自我耗散功率模块，以及如何最好地使用电池却不太令人关切。在无线传感器网络节点的电源设计上人们很少考虑到节能问题。2 国内外研究现状节点的能量成为无线传感器网络发挥效能的瓶颈。当前的研究主要集中在节点硬件设计和路由算法上节省能量，以延长网络传感器的生命周期。以下为几种电源管理系统的方法。 其一是采用一种电源管理芯片，从而来降低功耗，但现有电源管理芯片较少考虑无线传感器网络的特点，如能源供应十分有限，低成本、小体积等；功能上或者冗余或者不足，具有针对性的电源管理研究成果较少，使一些降低功耗的策略实施困难。其二是一种基于太阳能、风能等无限能源的能量供给系统。如基于太阳能的能量供给系统，这种系统利用太阳能电池板、锂电池和智能充电芯片构成电源。利用二极管降压给节点数传模块提供其工作电压，利用升压芯片为传感器提供不同工作情况下的电压。实现了在有阳光的环境中为无线节点永久性供电和无线传感器网络无限使用的目的。如CN3063,它是可以用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片。该器件内部包括功率晶体管 ,应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。内部的 8位模拟2数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流 ,可最大限度地利用输入电压源的电流输出能力。充电电流通过一个外部电阻设置，当输入电压掉电时CN3063自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗非常小。其他功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态和充电结束状态结束指示等功能。当然本模块还需设计其他辅助电源输入端，以便在没有阳光或风能又有电压要求的情况下满足节点电压需求。这样设计实现了在有阳光的环境中为无线节点永久性供电和延长无线传感器网络使用寿命的目的。热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时候将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4. 2 V,也可以通过一个外部电阻进行调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时 , CN3063自动进入低功耗的睡眠模式 ,此时电池的电流消耗小于3A。其它功能包括输入电压过低锁存,自动再充电,电池温度监控以及充电状态 /充电结束状态指示等功能。CN3063只需要极少的外围元器件。 其三是一种基于DPM的高效设计。电源管理设计的重点是在实现现有功能的基础上使用技术减少能耗从而提高效率，节约能源的根本途径是降低能耗和减少工作时间，其主要消耗来自于阻抗耗散I2R和CMOS设备的动态耗散(Pd正比于V2f)，降低电压V和频率f是一个降低消耗有效途径，但是这个方法受限于节点的性能要求。为了节约能源在应用程序级的设计时，低功耗的设备是必要的，在低电压低频率的基础上，硬件和软件应该相结合从而实现DPM，但是良好的效果取决于有效的设计方法。DPM的基本思路是把空闲的模块调到低功耗模式，例如，在没有需要时把空闲的模块调到睡眠模式或者关机，需要时再将它开启，因此，在实施DPM之前，它要求每个模块有不同的功耗模式。根据节点的一般要求和电压调节器和电池的属性，基于DPM的原则提出了下面节电的节点电源设计的策略。在根据模块和负载设置电源前，应考虑以下情况：1) 如果小负载情况下能够由处理器的I / O端口驱动，则可以使用I / O端口提供电源，而轻负载要求一个准确而稳定的供电电压，所以必须提供一个电压基准。2) 如果该模块可以自动调节电压，或证实了它监测到的电池电压在其工作电压范围内，该模块就可以直接由电池供电。3) 如模块必须采用多电源供电的模式，则电源模块应该按照DPM的原则要求选择电力供应的模式。4) 根据容量、生命周期、尺寸、成本和环境要求来选择电池的类型和规格。在满足节点电源要求的情况下，节点电源的设计应该以低功耗、低成本、高效率以及节能战略为原则。其软件设计流程如下所述：为了执行低功耗电源管理，系统程序需要对电源电路进行控制和调整。当系统完成初始化后即进入低功耗工作模式状态，一旦有允许的中断请求，CPU将被唤醒进入活动模式，执行中断服务程序。执行完毕，系统返回到中断前的状态，继续低功耗模式。在主程序中，系统对模拟开关进行控制与调度，停止MCU外围部件的无效工作，同时调整电源管理模块，使系统电源降低到2V，维持MCU的低功耗工作状态。在中断程序中，实现电源能量监测，数据采集、发送及接收和转发。当监测到电量不足时，对同一地址节点的转发请求降低响应频率。