国际先进研究期刊》的研究在电子、电子、仪表工程
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| Neetu Kumari1,尼基塔Patel2 Satyajit Anand3,帕Pratim Bhattacharya4 |
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在无线传感器网络(WSN),节点是小功率的设备,因此设计一个低功耗传感器网络是高度重要的越来越长。在这篇文章中,我们已经讨论了几个方面的低功耗传感器网络的设计和操作。我们回顾了和批判性分析了不同的设计问题,如动态电源管理,超低能耗的节点设计、工作周期任务和介质访问控制。
关键字 |
| 无线传感器网络,网络的生命周期,动态电源管理,超低功率节点设计、工作周期和介质访问控制 |
介绍 |
| 无线传感器网络(网络)是指高度分散的小型和轻量级无线网络节点部署在大量监测环境或系统通过测量物理参数如温度、压力、湿度等,每个传感器节点都有一个微处理器和少量的内存用于信号处理和任务调度。每个节点有一个或多个传感设备,如声学麦克风阵列,照相机或摄像机,红外线,地震或磁传感器。每个传感器节点无线通信与当地其他一些节点在其无线电通信范围。传感器网络的结构视图是图1所示。 |
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| 无线传感器网络是由四个组成部分:传感单元、处理单元、传输单元和电源单元[1]。 |
| ¯·传感单元:传感装置包括传感器和模拟到数字转换器(adc)。传感器物理现象转换成电信号。传感器产生的模拟信号转换为数字信号通过ADC |
| 一个¯·处理单元:处理单元由微处理器或单片机的主要任务是控制传感器、通信协议和信号处理算法的执行收集传感器数据。 |
| ¯·传输单元:从CPU传输单位接收信息,然后传送到外面的世界。 |
| 动力装置:在无线传感器网络中,电池是能量的主要来源。所以动力装置调节传感器节点的电池能量。 |
| 答:传感器网络实现需求 |
| 为了使这些网络成为现实,应优化节点硬件和实现三个特点 |
| 一个¯·低成本:网络的效用取决于高密度的节点。为了使大规模部署在经济上可行的,节点必须非常低的成本 |
| 一个¯·小尺寸:出于同样的原因,小尺寸的大小的模块必须这网络是不引人注目的。 |
| 一个¯·低功率:与许多大型网络节点,电池的更换是非常困难的,昂贵的,甚至是不可能的。节点必须有高效的能量函数,以便它可以长时间没有耗尽力量。 |
| b的应用网络 |
| 无线传感器网络的应用, |
| ¯·安全和监视:安全与监测是无线传感器网络的重要应用。传感器可以用来改善道路安全的通过提供的警告接近十字路口的汽车[2]。图像或视频传感器可以是非常有用的识别和跟踪移动的实体 |
| ¯·工业监控:无线传感器可以用来监控工业设备的制造过程和条件提醒即将失败。这减少了服务和维护成本,增加机器正常运行,提高客户满意度,甚至挽救生命。 |
| 一个¯·农业:无线传感器网络允许用户进行精确监测作物的经济增长[3]。因此,农民可以立即知道项目在所有阶段的状态将缓解决策过程的时间收获 |
| 一个¯·智能家居监控:无线传感器嵌入到日常使用对象形成一个无线传感器网络在智能家居监控活动执行 |
| 一个¯·环境监测:空气质量传感器可用于监测和跟踪环境污染物,火灾或其他自然或人为灾害。传感器还可以监测生物或化学危害提供早期预警。 |
二世。在无线传感器网络低功耗设计的重要性 |
| 无线传感器网络使用大量的传感器节点部署在目标区域来执行一些任务,如环境监测、军事侦察、动物跟踪等。通过感应周围的每个传感器节点收集信息,然后将信息传输通过无线传输一个水槽。不同于其他电池驱动的设备,充电一个传感器的电池通常是不可能完成的任务。虽然可以使用太阳能和风能,但这样的能源供应是不可靠的。因此,网络生命周期是无线传感器网络中传感器节点的一个关键问题,通常分布在遥感领域,是由有限的能源电池不容易更换或充电。这些有限的能源电池的损耗会导致网络拓扑的改变或结束的网络生活本身。因此,延长无线传感器网络的生命是重要的[4]。这些有限的能源电池的损耗会导致网络拓扑的变化或最后的网络生活本身。能源消耗在无线传感器节点可以为目的的传感、处理和交流。 |
| 一个¯·基于传感器网络生命周期的报道:感兴趣的区域可以是一个二维面积或三维体积,面积或体积内每个点覆盖。这是称为面积或体积覆盖。如果只有一组有限的目标点在一个区域覆盖,覆盖的问题被称为目标覆盖。第三个叫做屏障覆盖覆盖问题。它描述了移动目标可以通过未被发现的机会通过传感器节点的一个障碍。有两种方法来描述覆盖冗余的程度,可以通过无线传感器网络。第一种方法只要求给定比例α,感兴趣的区域是由至少一个传感器。这是称为α-coverage。第二种方法旨在实现更多的冗余,因此要求每个点感兴趣的区域内覆盖至少k传感器。这是称为k-coverage。 |
| 一个¯·网络生命周期基于连通性: |
| 连通性是一个指标,常见的特设网络。特设网络生命周期的定义由Blough和桑蒂[5]定义了一生中最低的时候现场节点的比例或最大的网络连接组件的大小低于指定的阈值。然而,这个定义只考虑规模最大的网络中连接组件。这显然是不够的在网络连接到一个基站最重要。 |
| 在下一节中,我们已经讨论了低功耗设计和操作的不同策略。 |
三世。低功耗设计 |
| 无线传感器网络的低功耗设计是一个具有挑战性的问题,可以以不同的方式处理。其中的一些解决如下。 |
| 答:动态电源管理 |
| 动态电源管理(DPM)方案介绍了降低功耗而不降低性能。杜尔迦Prasad Bavirisetti [6], Nagendra Prasad Mandru和Sibaram和提出了一个算法,收益率降低功耗和满意的一生。在该算法中错过了事件当传感器节点是不被认为是在最深的睡眠状态。这个问题是受到我们的未来研究。DPM战略有三种不同的方法: |
| 1。动态的操作模式 |
| 2。动态扩展 |
| 3所示。任务调度 |
| 1)动态操作模式:动态电源管理(DPM)技术的主要目的是在不需要时关闭设备,必要时叫醒他们。然而,它是不容易的任务决定哪些节点应该保持活跃,哪些应该关闭在给定的时间。根据当前和预期的活动,一个无线传感器节点的子系统可以配置为在不同功率运行模式。存在不同的状态取决于不同的组件状态如表所示我[7]。如果所有的组件都是在活动状态,该状态叫做活动状态,是表示为S0。如果所有的组件都在关闭状态,叫做最深的睡眠状态,表示为S0。 |
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| 2)动态缩放:使用动态电压缩放(dv)和动态调整频率(DFS),电源电压和时钟频率的无线传感器节点是按比例缩小的子系统根据当前和预期的工作负载,以便计算每个任务计划的方式。减少操作频率导致节能以线性的方式。然而,降低电源电压导致二次节能。这两种方法适应处理器内核的性能时处于活跃状态 |
| 3)任务调度:电池意识到任务调度方法是一种系统级低功耗设计方案通常实现为嵌入式操作系统的一部分。这种方法是基于斜y的分析模型,对电池放电作为额外限制任务调度。达到最佳的调度效率由高水平算法,当一个任务正在运行,只有相关的硬件被激活。 |
| b .介质访问控制 |
| MAC层的主要目的是确保有效地利用物理通信信道的节点网络,免费提供错误数据传输网络层上面。MAC协议的设计可以面向几个的成就,往往相互矛盾的因素,最重要的是吞吐量,功耗、延迟和服务质量(QoS)。能源管理起到非常重要的作用在设计无线传感器网络MAC协议。因此,设计一个节能MAC协议应该基于以下指南: |
| •防撞:同时传输多个传感器节点和连续的传输需求,导致不良的能源浪费,减少了系统的吞吐量。因此,应该尽量避免。 |
| •空闲监听时期,在此期间节点听不接收数据的通信通道,应该取消。通过这种方式,用于监控的能量通道可以最小化 |
| •能源花费由于缺乏transmission-reception功率根据拓扑结构的具体标准,严重影响功耗。复杂和动态的决定这个级别可以确保两个节点之间的通信而不浪费能源。 |
| 提出的MAC协议即Lamprinos, a . Prentza e . Sakka和d Koutsouris[8]的主从架构,与所有医疗传感器节点被指定为奴隶,而个人喜好(移动接口单元)节点充当主患者的锅。最后节点正常启动数据交换通过传输设置信息,每个传感器节点。每个传感器被分配一个独特的传感器地址,系统有一个全球唯一的地址。传播从奴隶到大师是基于请求发送或允许发送计划。数据交换是选择性地承认并受误差校正,使用转发错误控制(FEC)和重新传输,以确保没有数据丢失。 |
| S-MAC: S-MAC是一种低功耗无线传感器网络的协议。Sensor-MAC协议[9]的主要贡献是,其固定频宽比的方法是简单而有效的减少空闲听开销。定期S-MAC睡觉,醒来,听英吉利海峡,然后返回睡觉。每个活动周期是固定大小的,一个变量的睡眠周期。睡眠周期的长度规定S-MAC的工作周期。唯一复杂的部分是节点的同步。节点定期广播同步数据包包括时间戳在槽的开始,它允许其他人来调整本地时钟补偿漂移。想加入新节点的自组网从听开始初始化时期跨越多个插槽等待同步数据包通知他们共同的时间表。如果没有同步数据包接收节点的结论是第一个开始形成一个所谓的虚拟集群和广播同步数据包以后所以别人可以加入。 |
| 麦迪:S-MAC使用一个固定的工作周期有两个缺点。首先,应用程序开发人员留下的负担选择最优部署生效前工作周期。第二,流量波动只能处理通过设置责任周期的最大负载在任何时刻,在网络的任何位置。在这方面,基于事件的报道叶子S-MAC浪费大量的能量。所以,超时MAC(麦迪)协议面包车大坝和Langendoen[10]介绍了一种自适应活跃的时期。默认情况下节点只听在短时间的开始位置和回到睡眠当没有通信发生。另一方面,如果一个节点参与或无意中听到消息传输,它将安排另一个时间听后转移,以确定是否可以去睡觉。该节点将保持活跃,直到没有沟通 |
| DMAC:上面讨论的协议上妥协延迟。当应用程序注入消息网络,这个消息必须等待下一个槽出现,才能在第一时间发送。然后额外的延迟可能会遇到的每一个中间节点。与S-MAC消息可能旅游多个啤酒花根据活动周期的长度。每槽麦迪啤酒花的数量是有限的,三由于早期睡眠效果。 |
| 数据收集的MAC[11]地址converge-cast通信模式的延迟问题。DMAC最初旨在提高S-MAC和麦蒂。DMAC使用简单的CSMA确认。节点失去竞争不需要等待下一个向上流动,但可能会再试一次在一个流槽后安排任何占领接收/发送一对。占干扰流量高的树,这些在流对安排有三槽差距。在流槽本质上增加运力需求使DMAC自动适应交通负荷,就像麦迪的扩展的活跃时期。DMAC下来的一面是它缺乏支持通信模式的灵活性。 |
| c .超低功率传感器节点基础上 |
| 无线传感器网络(网络)由大量无线传感器节点随机部署在该地区,如图2所示。节点收集环境数据和发送他们通过网络向汇聚节点。构造节点运行很长一段时间没有更换电池。因此,在设计传感器节点的主要目标之一是减少功耗。为了减少传感器节点的力量,研究人员往往把小说架构解决方案和先进的节能技术[12]。 |
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| 1)传感器节点的架构: |
| 一个¯·CPU:处理器兼容TIMSP430x家庭控制器。所有的读写指令执行下半年控制器。处理器包括中断控制器和I2C调试端口。它是一个软核设计硬件描述语言(VHDL)。 |
| 一个¯·计时器:定时器分为内部和外部时钟。在内部,钟划分的比例2、4或8和外部选择时钟。 |
| 一个¯·I / O端口:I / O有8个输入输出引脚有中断能力的个体。 |
| ¯·SPI主:SPI主核心包含四个16位寄存器。它是用来支持选择和边缘破裂事务通过使用16位寄存器。 |
| ¯·基带控制器:它基本上是短程设备,运行在支持醒来时实现最大的效率 |
| ¯·内存子系统:它实现4 kb RAM的数据和一个接口外接闪光灯,我们还集成l kb内存块,可以用作启动内存[13]。 |
| 2)传感器节点的问题: |
| 一个¯·一些设计问题: |
| 一个传感器节点必须运作几个月或几年。 |
| b。它应该紧凑,尺寸小。 |
| c。必须低生产成本。 |
| d。应该考虑安全问题 |
| e。优化高寿命和单电池充电。 |
| 一个¯·一些权力问题是: |
| 总功率=静态功耗+动态功率 |
| 尽量减少功率损耗过程可以应用: |
| 系统组件必须优化。 |
| b。必须减少数据流量。 |
| c。实现时钟门控和动态频率和电压比例[14]。 |
| 3)节点功耗和优化: |
| 第一步确定哪一部分需要更多的电力供应在传感器节点比其他控制单元使智能传感器节点。传感器提供了无线通信的无线电模块外部世界。几个因素如调制方案,数据速率、工作周期和传动功率无线电模块功耗的影响。通常无线模块工作在四个不同的步骤:传输、接待、闲置和睡眠。现在我们知道的哪些部分传感器节点消耗大量的电池电流,减少电力消耗是必需的。实现,有必要实现节能设计方法和系统架构,让网络成为自治[15]。 |
| 一些技术,提供降低功耗: |
| •动态电源管理(DPM)算法来减少系统消耗的能量使组件有选择地进入低功耗状态。 |
| •动态电压缩放(dv)和动态调整频率(DFS)算法减少功耗不同功能特点:电压或频率,分别[16]。 |
| •动态热管理(DTM)技术提供减少能耗和增加系统延迟。然而,传感器网络并行处理能力如果算法计算在某些节点之间共享,允许延迟每一个更高 |
d .使用网络的中继节点: |
| 使用传感器节点感知环境并生成数据。通过使用无线传输媒体数据从传感器节点向基站[22]。中继节点执行三个部分的操作。包括无线电通信截面(RCS)传输/接收信息,信息记录部分(IRS)收到传感器节点的存储信息,和一个信息输送部分(ICS)确定目的地的信息。无线传感器网络更自配置,不需要手动配置,在传感器网络中使用中继节点将注意力从世界各地的研究人员。使用继电器节点主要提出了最大化网络寿命,节能数据采集、负载平衡数据采集以及网络容错[23]。 |
| 这样的部署的主要目的可能是[24]总结如下: |
| •延长传感器网络的寿命。 |
| •在传感器网络节能的数据收集。 |
| •平衡传感器网络的数据采集。 |
| •提供容错的传感器网络。 |
| 网络中传感器节点,传感器节点可以传播信息以两种形式:直接联系和节点到节点交付[22]。第二,不。使用中继节点的结果为减少电力消耗用于传输。传输数据从源节点到目标节点为节点,路由器将放大信号的数据并将数据转发给下一个邻居。接收、放大和转发的数据可以通过以下表示模型(25 - 28)。 |
| 1)中继节点辅助传感器网络架构: |
| 基本的传感器网络体系结构由几层与中继节点通信,如图3所示。 |
| 一个¯·物理(体育)层:物理层的主要功能是传输比特可靠的点对点的无线连接,调制和频率选择、编码、多样性和功率控制。 |
| 一个¯·介质访问控制(MAC)层:MAC层执行框架控制和错误检测。它控制不同用户频谱。 |
| 一个¯·网络层:它提供了传输数据序列从来源到目的地。 |
| ¯·应用层:它产生的数据通过网络发送和接收的数据通过网络处理的低功率的无线传感器节点和能源。中继节点负责数据包融合传感器节点的集群和传播他们的目标节点处理[22]。 |
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| e .占空比控制方案 |
| 责任周期定义为时间的比率,一种机制在一个活跃的状态,花在活动状态[29]。DCC协议提供了高效的管理职责内循环的WSN节点和MAC协议大多骑自行车去减少能源使用的责任。应用程序的工作周期是减少能源需要打开一个设备,只在必要的时候,否则保持它。因此,“时间的比例”“时间”被称为工作周期。需要更少的能量较低的直流[30]。它不需要连续抽样或沟通使其操作适用于WSN [31]。这是最有效的节能操作无线电收发机的放置在睡眠模式时不需要通信[32]。 |
| 减少能耗和增加一生轮介绍两种方法: |
| 责任。骑自行车 |
| b。数据循环控制 |
| 责任循环方法:工作周期的方法可以分为三类:异步,同步或预定直流和混合方法。低功率倾听是用于异步直流。定义的技术叫通道轮询,保持睡眠和活跃的广播时间。调整时间的序言和接收时间断断续续无线电网络中维护。它创造了拥挤的通道,因此不习惯使用有益。 |
| b。责任周期控制:责任自行车是根据固定的睡眠和减少变量活跃模式。掉期通常是固定的,周期是变量取决于是否有一个传输。这有助于减少传输之间的延迟。 |
| 1)多层次责任循环: |
| 为简单起见使用预定义的责任周期通过引入低和高直流分别闲置和活动模式。网络的优点是不需要使用相同的直流整个网络,图4所示 |
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| 工作周期速率控制区域和路径:占空比设置根据请求和控制消息收到。直流利率设置根据表中充满了直流请求。最高要求使用直流。如果表为空则默认使用最低的一个。需要两种主要形式:醒来或睡消息[30] |
| 2)DCC的方法: |
| 微分责任周期设计方法是基于能源消耗的流量和空闲听[33]。这对节点分配不同的责任周期在不同距离基站解决能源漏洞问题,提高网络的生命周期,还维护网络性能。 |
| 3)工作周期对预期的能源消费的影响: |
| 交通中继节点与它距离水槽,每个源节点,生成的包交通网络中源节点的数目和节点密度。所需的时间传输和网络的能源效率是密切相关的责任周期值使用。更高的工作周期值为数据提供更多的可用节点路由节点的能耗,从而会增加[18]。 |
四。结论 |
| 在这篇文章中,我们已经讨论了无线传感器网络的不同的低功耗设计技术。看到,DPM计划通过选择性地关闭闲置的组件的同时降低功耗。数据包碰撞,造成的S-MAC减少能源浪费空闲听、偷听、开销。工作周期控制减少能源需求指定最小延迟网络在一个网络或部分。未来的工作包括低功耗传感器网络的设计和仿真。 |
引用 |
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