3 無線傳感器節(jié)點間傳播方式的節(jié)能管理

減少無線傳感器節(jié)點的能耗除可通過動態(tài)功耗管理來實現外，還可通過節(jié)點間傳播方式的節(jié)能管理減少節(jié)點工作負荷來實現。

無線傳感器網絡是由許多采集節(jié)點、若干匯聚節(jié)點及中轉器、控制中心(上位機)組成。其中，采集節(jié)點負責數據采集、數據處理并和其他節(jié)點進行通信；匯聚節(jié)點負責其他節(jié)點所上傳數據的收集，并下發(fā)有中轉器傳來的命令；中轉器負責上傳匯聚節(jié)點收集來的數據，并將控制中心的命令轉發(fā)給匯聚節(jié)點；控制中心負責整個網絡的廣利控制，并將處理后的數據轉達給用戶。

無線傳感器網絡的節(jié)點分布方式具有以下幾個特點：

(1)無線傳感器網絡中節(jié)點位置是隨機分布的，需其網絡協(xié)議具有自組織性。在實際工作環(huán)境中，傳感器節(jié)點通常不能精確定位，節(jié)點間的關系無法預先得知，這就需要傳感器節(jié)點具有自組織能力，能夠自行建立和組織網絡。

(2)無線傳感器網絡節(jié)點數量眾多，分布范圍廣。無線傳感器網絡為了保證獲取精確信息，在其監(jiān)測區(qū)域內需部署大量的傳感器節(jié)點。

(3)節(jié)點間通信距離不長。無線傳感器網絡節(jié)點間點到點通信距離通常只有幾十到幾百米。

從以上網絡組成和節(jié)點分布方式來看，要減少節(jié)點的工作負荷，需減少節(jié)點間的通信時間及通信距離。不同的傳播方式對無線傳感器節(jié)點間通信時間及通信距離有著重要的影響。在節(jié)點間的傳播方式中，良好的網絡協(xié)議和資源管理策略能有效地降低節(jié)點工作負荷，延長無線傳感器網絡的生命周期。為此，無線傳感器網絡的傳播方式應以數據為中心，采用自組織、多跳路由，其網絡結構采用動態(tài)拓撲。此外，還可采用快速的數據融合技術，進行快速的信息融合和分離，將提高網絡運行效率和隨機選擇最佳路徑的能力。

無線傳感器網絡協(xié)議由于傳感節(jié)點的計算能力、存儲能力、自身攜帶的能量十分有限而且拓撲結構不斷變化而有其特殊性。無線傳感器網絡協(xié)議因其特殊性，其中的路由協(xié)議和MAC協(xié)議是與傳統(tǒng)的無線網絡協(xié)議有很大的不同。無線傳感網絡的MAC協(xié)議決定無線信道的使用方式。MAC層協(xié)議在設計時需要考慮能源有效性，從而根據無線傳感器網絡的特點設計簡單高效的協(xié)議。無線傳感網絡的路由協(xié)議可分為能量感知路由、基于查詢的路由、地理位置路由、可靠路由協(xié)議幾類。根據無線傳感器網絡的特點和應用需求，宜采用自組織、多跳路由的路由協(xié)議。

傳統(tǒng)的網絡體系結構中節(jié)點只具有傳輸功能，以傳輸為目的，為各應用程序提供網絡傳輸上的支持，不對數據進行處理。而無線傳感器網絡以數據為中心，其目的是獲取被感知對象的長期、準確的特征信息。采用快速的數據融合技術可實現無線傳感器網絡節(jié)點傳感數據的快速、合理分組，減少數據冗余度，獲得到更合理的數據，從而提高網絡運行效率。

無線傳感器網絡節(jié)點數量眾多且分布密集，網絡結構應采用動態(tài)拓撲結構。在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，采用動態(tài)拓撲結構，通過功率控制和骨干網節(jié)點選擇，去除節(jié)點間不必要的通信鏈路，從而形成優(yōu)化的通信網絡結構。因此，良好的無線傳感器網絡拓撲結構應采用節(jié)點功率控制和層次型拓撲組織結構。節(jié)點功率控制根據節(jié)點通信距離及時間變化調節(jié)網絡中各個節(jié)點的發(fā)射功率，從而減少各節(jié)點不必要的發(fā)射、功率。層次型拓撲控制利用分簇機制，來減少單跳通信距離，由此降低能耗。

4 無線傳感器節(jié)點節(jié)能管理方案

從以上節(jié)點各部分能量消耗和節(jié)點間傳播方式的特點來看，為有效地達到節(jié)能目的，無線傳感器節(jié)點的節(jié)能管理可通過動態(tài)功耗管理和減少節(jié)點工作負荷的方法來降低無線傳感器節(jié)點的能耗。

無線傳感器節(jié)點管理方式的節(jié)能措施可從以下幾點來考慮：通過動態(tài)功耗管理和降低節(jié)點工作負荷來減少射頻模塊的工作時間，即減少節(jié)點之間的通信量；減少射頻模塊發(fā)射功率；減少微處理器的工作時間。要實現這幾點，不僅要從硬件設計來解決還要從軟件管理層來考慮。

無線傳感器節(jié)點的管理軟件包括傳感器網數據采集控制、無線數據傳輸控制、電池狀態(tài)監(jiān)測、充電控制程序等部分。減少微處理器的功耗可通過微處理器的動態(tài)功耗管理來實現，而能耗最大的射頻電路的收發(fā)則由無線數據傳輸部分軟件來控制。

無線數據傳輸部分軟件包括射頻和基帶兩部分，射頻部分提供數據通信的空中接口，基帶部分提供鏈路的物理信道和數據分組。微處理器負責鏈路管理與控制，執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關的處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。因此，在基帶部分采用自組織、多跳路由、層次式、動態(tài)拓撲組織結構的網絡協(xié)議，以減少通信量并均衡各節(jié)點能量，降低節(jié)點能耗，從而延長節(jié)點壽命。

為避免信息重疊而造成重復通信、浪費資源，自組織、多跳路由的協(xié)議采用層次式設計，使得節(jié)點間的通信時間及通信距離縮短。由于層次式設計中作為簇頭節(jié)點能量消耗最大，有可能提前消耗完而使部分網絡癱瘓，所以，為均衡各節(jié)點能量，路由協(xié)議要采用動態(tài)地隨機選擇簇頭節(jié)點及路徑的辦法。當某一簇頭節(jié)點的能量消耗過大時，傳感器網絡能根據簇頭節(jié)點的能量消耗狀況，動態(tài)地選擇能量消耗少的節(jié)點，平衡節(jié)點的能量消耗，延長整個網絡的生命周期。

網絡拓撲結構能夠提高網絡協(xié)議的效率，有利于節(jié)省能量來延長網絡壽命。采用動態(tài)拓撲結構在滿足網絡覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網節(jié)點選擇，去除節(jié)點之間不必要的通信鏈路，進行高效的數據轉發(fā)。

同時，在基帶部分功率模式管理中，采用動態(tài)管理的方式對功率模式進行控制，減少不必要的功率輸出。與傳統(tǒng)的功率控制不同，動態(tài)管理的方式使用啟發(fā)式的節(jié)點喚醒和休眠機制，使節(jié)點狀態(tài)在睡眠狀態(tài)和活動狀態(tài)之間轉換。這種方式能盡量節(jié)省空閑時間的能量消耗，在性能和能耗之間取得平衡。

數據采集控制部分軟件除控制傳感器進行數據采集外，基于節(jié)能考慮，可增加數據處理部分。數據處理部分采用快速的數據融合技術在傳感器節(jié)點對信息進行快速的融合和分離。由于無線傳感器網絡節(jié)點不必將數據以端到端的形式傳送給匯聚節(jié)點，只要有效數據最終匯集到匯聚節(jié)點就達到目的了。所以，為了減少流量和能耗，傳輸過程中的轉發(fā)節(jié)點經常將不同的入口報文融合成數目更少的出口報文轉發(fā)給下一跳。經過這樣的處理，整個網絡內的數據冗余度降低、通信量減少，節(jié)省了存儲資源和網絡帶寬。

5 結論

通過對無線傳感器節(jié)點的組成、各部分能量消耗和節(jié)點間傳播方式的分析，提出一種無線傳感器節(jié)點節(jié)能管理方案，該方案在動態(tài)選擇簇頭節(jié)點的自組織、多跳路由、層次式拓撲組織結構的路由協(xié)議下，采用快速的數據融合技術，并在實現硬件的低功耗設計的條件下進行動態(tài)功耗管理。