[发明专利]一种降低WSN系统功耗的方法

说明书

技术领域

本发明涉及WSN（无线传感器网络）技术，尤其涉及一种降低WSN系统功耗的方法。

背景技术

由于无线传感器网络工作在比较恶劣的环境中，节点能量一般由电池供应，电源无法更换；但是无线传感器网络的生存时间需要长达数月甚至数年，因此，节点能量受限成为其最大制约因素。

传感器节点是WSN的基本构成单位，由其组成的硬件平台和具体的应用要求密切相关，因此节点的设计将直接影响到整个WSN的性能。WSN通常包括传感器节点、汇聚节点（SinkNode）；大量传感器节点随机部署在感知区域内部或者附近，能够通过自组织方式构成网络，传感器节点将采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集到的数据可能被多个传感器节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到服务器端进行集中处理。

如图1所示，WSN节点主要有4大组成块：MCU（微控制单元）模块、传感器模块、通信模块（一般为无线通信模块）、电源模块（能量供应模块）。传感器模块负责监测区域内采集信息和转换数据；MCU模块负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理本身采集的数据与其他节点发来的数据；通信模块负责与其他传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集的数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。由于传感器节点体积微小，通常携带的电池能量十分有限；由于传感器节点个数多，成本低，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达；所以，传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感网络面临的重要挑战。

据研究表明，节点的瞬时功耗主要来源于无线通信模块。图2所示是传感器节点各部分能量消耗的情况，从图中可知，传感器节点的绝大部分能量消耗都是在无线通信模块，传感器节点传输信息时要比执行计算时消耗更多的电能。无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，而在睡眠状态的能量消耗最小。无线通信功耗计算如下式：

P_c＝N_T[P_T(T_ON+T_ST)+P_OUTT_ON]+N_R[P_R(R_ON+R_ST)]

其中，P_c为无线通信功耗，P_T和P_R分别为发送和接收的器件功耗，P_OUT为发送功耗，T_ON和R_ON分别为发送和接收的时长，T_ST和R_ST分别为发送和接收的启动时长，N_T和N_R为单位时间内接收和发送的次数。

WSN节点处于发送状态、接收状态以及空闲状态都要消耗大量的能量，表1、2为典型的无线通信模块的工作电流以及典型处理器的工作电流比较。

表1典型的无线通信模块性能参数