傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
基于電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)通常運(yùn)行在火山地帶、戰(zhàn)區(qū)等人無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境之中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源更換或再充電等工作通常無法進(jìn)行。廣泛分布于被測環(huán)境的傳感器節(jié)點(diǎn)既要負(fù)責(zé)收集敏感數(shù)據(jù),又要完成數(shù)據(jù)傳輸的路由等功能;而且,攻擊者還可能會(huì)利用侵占節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中注入大量的虛假數(shù)據(jù)包,致使節(jié)點(diǎn)在傳輸這些數(shù)據(jù)包時(shí)耗盡能量而失去效用。因此,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電源的無法替換性使能量消耗問題相對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他關(guān)鍵技術(shù)而言尤為重要;在不影響性能的前提下,設(shè)計(jì)有效的能量消耗控制策略成為傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問題。
1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成及其能量分析
典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)通常由分布的傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等構(gòu)成。其中,傳感器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立工作實(shí)體,其基本的功能子系統(tǒng)包括供電子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)、計(jì)算子系統(tǒng)和通信子系統(tǒng)等,如圖1所示。
1.1 供電子系統(tǒng)
供電子系統(tǒng)由電池和ac－dc轉(zhuǎn)換器等模塊構(gòu)成,其主要任務(wù)是為其他各個(gè)子系統(tǒng)供給能源。
電池作用節(jié)點(diǎn)最主要的能量來源,其性能與容量至關(guān)重要。雖然增加電池容量可以延長供電子系統(tǒng)的能量供給時(shí)間,但采用有效的再充電技術(shù)或是太陽能等再生性能源則更利于保證供電子系統(tǒng)的能量來源,為其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)持續(xù)性的能量供應(yīng)。一種新的基于i-bean無線技術(shù)和“能量獲得”技術(shù)、靠感應(yīng)振蕩能量轉(zhuǎn)換器工作的i-bean無線發(fā)射機(jī)[3],在沒有電池供電的情況下,能由在50～100mg力作用下的28～30hz振蕩產(chǎn)生1.2～3.6mv的電壓,并允許在30m距離上以115kbps速率發(fā)送數(shù)據(jù),為克服遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的電池工作時(shí)間短等問題提供了一種有效的解決途徑。
1.2 傳感子系統(tǒng)
傳感子系統(tǒng)由一組傳感器和adc控制器等構(gòu)成,主要任務(wù)是負(fù)責(zé)采樣/收集被測控對象的敏感信息,并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信息。
理想情況下,傳感子系統(tǒng)自動(dòng)檢測周期性和非周期性兩類事件時(shí)[4],其能量消耗總量可簡單概括為單次采樣消耗的能量與采樣次數(shù)的乘積。因此,要控制該子系統(tǒng)的能量消耗必須從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：一是控制單次數(shù)據(jù)采樣所消耗的能量,二是控制采樣頻率。前者可通過采用低功耗器件,從元器件本身有效控制單次數(shù)據(jù)采樣的能量消耗,對于后者而言,由于傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多分布節(jié)點(diǎn)中往往是成組節(jié)點(diǎn)去檢測相同的對象或敏感數(shù)據(jù),有選擇性地減少單個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣頻率并不會(huì)對被測數(shù)據(jù)有效性和完整性造成破壞,只要依據(jù)應(yīng)用需求合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)采樣任務(wù)的激活原則,就能在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下,較好地控制該子系統(tǒng)的能量消耗。
1.3 計(jì)算子系統(tǒng)
計(jì)算子系統(tǒng)包括微處理器/微控制器、存儲(chǔ)器和i/o接口電路等硬件;負(fù)責(zé)控制傳感器、執(zhí)行通信協(xié)議和處理傳感數(shù)據(jù)等軟件算法;是節(jié)點(diǎn)的控制和計(jì)算核心。
