权力意识到使用PSoC无线传感器节点的设计

虚假的P Nayse1,穆罕默德·Atique2 Anita Agrawal3
研究生的SGB Amravati大学India1副教授,部门计算机科学,SGB Amravati大学Amravati, India2 EEE部门助理教授,比特——Pilani株式会社贝拉果阿Campus3

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文摘

本文探讨了可重构体系结构的特点和可编程序功能是可用的混合阵列技术和性能开发无线传感器节点的工作结果。一个传感器节点集成了传感、处理和通信子系统。几个研究人员演示了运作节点低功耗消费。本文我们主要关注的是使用的策略调度过程。在传感器节点及其网络范围安排按应用程序的目标处理器的任务。使用这种方法结果表明,整体功耗降低,是观察到的20 _50%,相比传统的环境和实践。

关键字

权力有效节点、传感器节点设计、系统芯片,传感器网络

介绍

传感器节点是电池驱动的元素,因此操作极其经济的能源预算。进一步,他们必须有一个终生的几个月到几年,由于更换电池不是一个选择网络与嵌入式节点成百上千的身体。在某些情况下,这些网络可能需要操作只在能量回收从环境到地震,光伏或热转换。这将能源消耗转化为最重要的因素,决定了传感器节点寿命[1]。传统的低功耗设计技术和硬件架构可以提供解决方案,这些高度能源系统的不足。能源优化,在传感器网络的情况下,不仅要复杂得多,因为它涉及到减少单个传感器节点的能量消耗也最大化整个网络的生命周期。可以最大化网络的生命周期只有将能源意识融入到每一个阶段的无线传感器网络的设计和操作,从而让系统能够使动态能耗之间的权衡,系统性能和操作忠诚. .

二世。背景

本文描述了建筑的利用率和片上可编程系统平台的算法设计者可以使用它来提高无线传感器网络的节能意识。本文的范围是有限的设计基于应用程序的传感器节点和它的固件。分析典型的传感器节点的能耗特征架构和各种影响因素的识别系统生命周期已经[2]。他们遵循一套提出的技术执行积极的能量优化,针对传感器节点设计的各个阶段。有几个推论,可以从他们的结果。

•使用低功率组件和交易掉不必要的性能对权力储蓄在节点设计可以显著影响到几个数量级。

•节点功耗强烈依赖于组件的操作模式。例如,表1显示了获胜节点消耗只有大约六分之一的力量当单片机在睡眠模式下,比在主动模式。

•由于非常小的传输距离,电力消耗而接收数据通常可以大于消耗的功率传输数据包时,从图就很明显。2。因此,传统的网络协议,通常假设接收功率是可以忽略不计,对传感器网络不再有效,自定义协议,明确接收功率占开发。

•电力消耗的节点广播的空闲模式大约相同的无线电接收模式。因此,操作收音机在空闲模式下不提供任何优势的力量。先前提出的网络协议往往忽略这个事实,导致谬误的节省功耗,指出在[3.4]。因此,应尽可能完全关闭收音机获得节能。

我们建议的方法将有助于最大化网络的生命周期中需要使用能源利用结构良好的设计方法,使设计和操作的传感器网络的方方面面,从底层硬件平台基于特定的应用程序的网络协议。采用这种方法可以确保能源意识不仅是合并成单个传感器节点通信节点的分组和整个传感器网络。图1显示了简单的建筑块的一个典型的传感器节点。规范的无线传感器节点的系统架构由四个子系统组成:1)计算子系统组成的微处理器或微控制器,2)通信子系统组成的短程无线通信电台,iii)传感子系统(包括一组传感器和装备)数据采集系统链接节点物理世界和iv)电源子系统,这房子电池,直流-直流转换器和其余的节点。这些都是呈现在图1。

典型的传感器节点的工作寿命周期是按照以下顺序进行描述。基本操作的传感器节点是一个)的帮助下读物理参数传感器的电信号,电压、电流、脉冲等b)放大微弱信号和过滤噪音。c)数据转换与ADC的帮助下,d) e) Re_sampling进一步数据处理或验证的数据,如果需要f)数据存储在内存中,f)定时器来维持所需的采样率和同步进行进一步交流中心或其他元素的传感器网络。

三世。设计方法

广泛我们这些过程划分为四个部分传感器节点的操作或状态在其整个生命周期基于其操作。第一个是睡眠模式的节点处于空闲状态和最小功率消耗。将是在这种模式下的一个预定义的时期之后,它将在清醒状态,执行预定任务。预定的任务将是任何一个给定的模式。第二个模式传感器节点的数据采集模式(DA)的传感器节点将执行所需的任何操作从a到f如上所述。模式三种通信方式或数据传输模式DTM可能需要在任何情况下,如当内存已满,发生任何危急或可能安排在一个周期操作根据应用程序的需求。最后一个是同步模式。在这种模式下,传感器节点尝试更新自己的时钟与网络时钟,以同步方式与网络将进一步沟通,如果传感器网络通信是基于时间多路复用技术。在最坏的情况下,如果节点无法与网络同步时钟,那么传感器节点将在指导模式通用节点将优先同步和清醒,直到它接收到从网络引导信号。在例行,这种模式将不是一个生命周期的一部分。 The sequence of occurrence of the event and modes are shown in figure 2. This is derived for the green house underground water sensor node. This sensor node is collecting the soil condition data at an interval of 30 minutes as indicated by Sr in the figure. The synchronization period for this sensor network is 2 Hrs and the communication with the network is scheduled for every 3 Hrs. All of these values are typical for a specific application and are subject to change and programmable depending on the requirement of the application.

除了传感和自己的数据传递给其他节点,传感器节点还可以作为路由器,为其他节点转发数据包的意思。事实上,对于典型的传感器网络场景,大部分(约70%)的所有传感器节点收到的数据包需要转发到其他目的地。典型的传感器节点架构实现的协议处理功能的主要计算引擎。因此,每一个收到的数据包,无论其最终目的地,旅行到计算子系统和被加工,导致高能源开销。使用智能无线电硬件CyFi允许将需要转发的数据包识别和通信子系统本身的重定向,允许计算子系统仍在睡眠模式,节约能源。

虽然单个传感器节点的电源管理降低了能源消耗,重要的是节点之间的通信进行了以节能的方式。自无线传输的数据占能源消费总量的主要部分,电源管理决策,考虑节点间通信的影响产量显著提高节省能源。此外,将电源管理纳入能源意识的沟通过程使扩散从单个传感器节点的通信节点,从而提高整个区域的网络的生命周期。实现poweraware沟通需要识别和利用中存在的各种旋钮performance-energy权衡通信子系统。

采用能源意识在无线传感器及其通信网络,下面的一些问题可能考虑;一)在每个状态的节点功耗典型所需的任务。b)状态的频率发生在输入传感器节点的生命周期。c)为每个状态所需的时间。d)交通分布、e)和g)路由拓扑管理和通信网络协议

在我们提出的方法一个典型的传感器节点生命周期操作安排结构如图3。这些不同的工作阶段的节点在温室土壤监测环境中。为了这个目的,我们使用WUWSN *。(知识产权、知识产权应用。数字453 /妈妈/ 2013)。

节点状态图显示了四个不同的传感器节点的工作阶段。传感器节点的任务是收集信息与数据采样率Sr周围,在“数据采集模式”和黄色在图所示。3所示。这个图中显示的顺序流节点的状态。“INT”是初始化过程从上电或复位。在这个阶段,传感器校正本身在网络的帮助下指导模式。每个节点预先设置一个默认的配置,具有可重构能力时的网络。INT之后,它会检查标志和报时信号切换到其他的操作模式。有不同的时点,如B和C的预定义的睡眠和添加过程与实时应用程序延迟同步。其他方式如前所述即:DTM数据传输模式或通信模式,SM,同步模式和通用汽车,指导模式。

图2显示了广泛的无线传感器节点工作在四个阶段;理想情况下应该更多的睡眠模式和棕色块如图所示。传感器节点的典型架构使用PSoC作为主要控制器以混合阵列技术随着CPU核心。PSoC核心是一个强大的引擎,支持丰富的指令集以及不同的CPU核心M8C一样,8051年,手臂与低功耗架构。在此体系结构中用户的灵活性给不同能力不同的模块,模拟或数字。进一步的用户可以使用此块可编程增益放大器PGA等所需模块,模拟到数字转换器,SPI和I2C通信模块。每一块的力量可以开启或关闭的API。

在我们的工作我们使用这些模块和分组的节点组成的操作,比如DA模式工作的PGA和ADC和一些用于内存访问的过程。电源管理的策略如下图所示。

总之我们控制能力的块在使用和其他块,权力是断开连接的使用API和使用体系结构。在传统架构这个特性不存在。这一战略方法超出了这一模式的范围。为优化工作这种方法我们把一组数据在不同阶段的模型,并进行了一些实验,使用后观察。

上面的表格显示了典型的实验室读无线传感器节点在不同的工作阶段。这些读数显示所需的每个块或当前块的组合。这些模块是用户定义的组件,可以放置在SOC来执行特定的任务。节点的功耗在一个特定的模式取决于组块实际上是参与这一过程。阴影部分是用于广播模式被认为是在路由和沟通模式。为特定的任务或能耗的计算模式是一项复杂的工作。的电力消耗的节点对其整个生命周期可以定义如下:

Plc = n1 * t1 * p1 + n2 * t2 * p2 +…。+纳米* tm *点

在Plc -节点的总功耗的整个生命周期:

p -电力所需的过程或模式

t -时间由过程或模式

n -没有一次执行过程或模式

m -总没有流程或模式

给定表将是有用的锻炼每一个过程的p分量p1 p2等在给定的方程,我们可以假设p1是DM模式,p2 DTM模式和同样。一般来说所有节点的状态可以表示为p1, p2 p3等等。模式或过程的总没有将马„¢。在实验室可以计算这些值与实际节点替换这个数字与模拟,具体行为的功耗值进行浸出或其他权力意识到路由协议可以获得。所有段落必须缩进。所有的段落都必须合理,即左对齐和右对齐的。

四。结论

从上面观察,我们可以得出结论,那些传统的系统设计没有一个选项来控制权力在实时系统中,将在这两个阶段工作5、6或7上面的表。这将是平坦的消费权力在整个传感器操作如果我们应用提出战略解释如图2所示。如果传感器节点工作时间间隔以及切换机制,可在PSoC架构,然后整体功耗传感器节点将在不同阶段不同的操作。权力是当前和时间t的产物。在该方法,设计者可以关掉不需要其他设备时,这可以减少功耗PSoC块模拟或数字。可能需要一些更多的时间切换,但总体进度这是非常小的。比传统的平均功率将较小(平的权力,所有块得到的权力)方法由于瞬时电流切换开关的用户在PSoC块。使用上面的数据,它将在20 - 50%。确切的值很难被发现在实验室因为通信数据包所需的时间是不确定的。再次确认数据包等待期,它将在无线网络是不确定的。

表乍一看


表1

数据乍一看


图1	图2	图3	图4	图5

引用

Curt Schurgers Raghunathan,唱公园,玛尼b·斯利瓦斯塔瓦“节能意识无线微传感器网络”,IEEE信号处理杂志40至49页,(2002年3月)。
诉Raghunathan、p·斯帕诺和m·斯利瓦斯塔瓦”自适应power-fidelity能源意识到无线嵌入式系统,“在IEEE实时系统研讨会,2001。
y徐、j . Heidemann和d·埃斯特林Geography-informed节能特设路由,“Mobicom, 2001年,页70 - 84。
美国公园,a Savvides, m·斯利瓦斯塔瓦”使用硬币电池锂电池容量测量和分析,“ISLPED, 2001年,页382 - 387。