无线传感器网络的功率控制与调度技术

第２６卷第９期　２０１３年９月　传感技术学报　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＮＳＯＲＳ　ＡＮＤ　ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ　Ｖｏ１．２６　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２０１３　

１１１ｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｍ　Ｃ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＹＵ　Ｋａｉ。ＸＩＥ　Ｚｈｉｊｕｎ　，】ｌＮ　Ｇｕａｎｇ，ＴＡＮＧ　Ｊｉａｎｈｕａ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｉｎｇｂｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３１５２１１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＡＰＣ—ＳＭＡＣ）ｆ０ｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔ．Ａｔ　ｆｉｒｓｔ，　ＡＰＣ—ＳＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｔａｂｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｎｅｉｇｈｂｏｒ　ｎｏｄｅｓ，ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　

ｃｈａｎｎｅｌ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｈａｎｄ，ｓｅｎｄｉｎｇ　ａ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｆｌａｍｅ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｉｎｇ　ｎｏｄｅｓ　ａｓｌｅｅｐ，ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　

ｌａｔｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＡＰＣ—ＳＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｈａｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ，　

１３６　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２０１８年第３７卷第６期　

ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１８）０６－０１３６－－０３　

无线传感器网络节点传输功率控制算法　

吴名星　，谢英辉　，单康　（１．长沙民政职业技术学院软件学院，湖南长沙４１０００４；　２．浙江大学信息技术中心，浙江杭州３１００２７）　

摘要：提出基于传输功率控制器（ＰＴＰＣ）的无线传感器网络（ＷＳＮｓ）的功率控制算法，记为ＰＴＰＣ—ＰＭ，算　法依据无线信道变化情况，动态地调整传输功率等级。并通过基于ＰｏｗＷｏｗ软件的真实ＷＳＮｓ平台进行　实验，将节点安装于机器人，并引用ＣＣ２４２０ＲＦ作为发射器。实验数据表明：提出的Ｐ１’Ｐｃ—ＰＭ算法能够有　效地维持较高的数据包传输率，并降低能耗。当机器人的移动速度为０．４ｍ／ｓ时，ＰＴＰＣ—ＰＭ算法每传输一　个数据包的能耗比固定传输功率算法下降了２３．６％。　关键词：无线传感器网络；传输功率；功率控制；传输功率控制器；能耗　中图分类号：ＴＮ９２９．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－－９７８７（２０１８）０６－０１３６－０３　

Ｎｏｄｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌａｎｓｍｉｓｓｉ０ｎ　ｏｗｅｒ　ａｌｇｏｒｉｔ—ｈｍ　Ｉ“ｏｒ　ＷＳＮｓ　ｐ　Ｗ　Ｓ　

ＷＵ　Ｍｉｎｇ—ｘｉｎｇ　．ＸＩＥ　Ｙｉｎｇ．ｈｕｉ　．ＳＨＡＮ　Ｋａｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｓｏｃｉａｌ　Ｗｏｒｋ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１０００４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｚｈ￣ｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ），ｔｈｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　ｔｈｅ　ｎｏｄｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ，ｔｈｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｅｎｏｒｍｏｕｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ—ｂａｓｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ（ＰＴＰＣ—ＰＭ）ａｐｐｒｏａｃｈ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ＰＴＰＣ—ＰＭ　ｉｓ　ｔｏ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　ｒｅａｌ　ＷＳＮｓ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰｏｗＷｏｗ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａ　ＣＣ２４２０　ＲＦ　ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，ａｎｄ　ｍｏｂｉｌｅ　ｎｏｄｅ　ａｔｔａｃｈｅｄ　ｔｏ　ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＰＴＰＣ—ＰＭ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｋｅｅｐ　ａ　ｈｉｇｈ　ｐａｃｋｅｔ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｒａｔｉｏ．ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎ　ｒｏｂｏｔ　ｉｓ　ｍｏｖｉｎｇ　ａｔ　ａ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　０．４　ｍ／ｓ，ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｉｘｅｄ　ＴＸ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｌｉｃｙ，　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＣ·ＰＭ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　２３．６％．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮｓ）；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｏｌ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用　２００７，４３（１９）　１４５　

无线传感器网络中基于对策论的功率控制　

王　琳　，陈　涤　，陈宁林　

ＷＡＮＧ　Ｌｉｎ　，ＣＨＥＮ　Ｄｉ　，ＣＨＥＮ　Ｎｉｎｇ—ｌｉｎ　

１．山东大学信息科学与工程学院．济南２５０１００　

２．山东经贸职业学院机电工程系，山东潍坊２６１０１１　

１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ’ｎａｎ　２５０１００，Ｃｈｉｎａ　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｒａｄｅ　ａｎｄ　Ｅｃｏｎｏｍｙ，Ｗｅｆｆａｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　２６１０１１，Ｃｈｉｎａ　

Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｌｉｎｇ＿５００＠ｍａｉｌ．ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　

ＷＡＮＧ　Ｌｉｎ，ＣＨＥＮ　Ｄｉ，ＣＨＥＮ　Ｎｉｎｇ－ｌｉｎ．Ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｇａｍｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，４３（１９）：１４５－１４７．　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ａ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｌｉｎｋ　ｏｆ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）ｂａｓｅｄ　

ｏｎ　ＴＤＭＡ—ＣＤＭＡ　ｗｉｔｈ　Ｓｔａｃｋｅｌｂｅｒｇ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ＷＳＮ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＤＭＡ—ＣＤＭＡ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｂｕｉｌｄｓ　ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｉｎ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｈｅａｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｓ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｎｏｄｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｌｕｓｔｅｒ　ｔｏ　ｍａｘｉｍｉｚｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　

科技信息2012年第35期ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

0引言随着低功耗多功能传感器的快速发展，并与快速发展中的网络技术相结合，从而催生了无线传感器网络技术。目前，无线传感器网络技术已经成为了当前传感器技术领域的一个热点研究课题，它倍受军事、学术界和工业界的关注，迅速成为目前IT领域中的研究热点之一[1]。无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点组成，这些节点大面积分布，通过无线通信的方式形成了一个多跳的自组织的网络系统[2]，其目的在于协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者，为了减少无线链路中传送的数据量，数据的处理都由节点自身来完成，这就是无线传感器网络中的一个重要特点———网络的自动管理和高度协作性。无线传感器网络中每个节点的电源都是有限的，网络中的另一个特点———能源的使用上受到了限制。使得其能源不可能来自工业电源，能量来源大都为电池或太阳能，所提供的电能不能满足网络长时间工作需求；网络节点可能放置在远程恶劣的环境中，如:战场、沙漠或阴暗处。在这些情况下，难以完成电池更换或充电工作[3]。在这种背景下，研究无线传感器网络的能量供应技术将极大地扩展无线传感器网络的功能和应用范围，具有重要的意义。本文设计了无线传感器网络节点的供电系统，可以很好地满足自供电要求要求。1无线传感器网络节点自供电系统的组成如图1所示为该系统的硬件结构图，硬件系统采用太阳能电池板，超级电容、可充电电池多重供电方式，为了能够充分利用太阳光能电池板的效益，采用3块板并朝向不同方向，分别是侧面太阳能电池板和正面太阳能电池板。工作原理如下：在供电的时候，须考虑使用无线传感器网络节点的地点是否能够正常接收到太阳光，在有太阳光能够正常照射的情况下，传感器网络能够利用太阳能电池板接收正常的光线，经过稳压电路后，一方面给超级电容充电，另一方面给可充锂电池充电，锂电池的充放电次数可达500次以上。整个系统由单片机软件检测不同供电端的电压情况，从而控制选择器接通不同的供电端，这样可以极大地延缓锂电池的充放电过程，提高系统的耐用性[4][5]。由太阳能电池为超级电容组成的能量存储器充电，太阳能电池的充电能量与超级电容的容电能量与锂电池必须匹配，即在通常光照条件下，太阳能电池要具有为两级能量存储器充满电量的能力。能量供给系统必须与传感器节点结合，形成一个整体的系统，电源管理和控制部分为单片机，负责监控主级能量存储器———超级电容和次级能量存储器———可充锂电池的电量并监控能量存储器的能量大小状态，根据状态控制这些能量存储器为系统供电，并且控制太阳能电池为能量存储器补充能量。图1硬件结构图2无线传感器网络节点自供电系统的软件措施软件上节能降耗主要的措施包括：利用MAC层协议调节节点的工作机制，降低节点能量消耗；利用路由层协议实现整个无线传感器网络的能量均衡消耗；通过在数据传输过程中的数据融合，减少数据冗余达到减少能量消耗的目的；利用功率控制技术减少节点无线通信模块的能量消耗。利用MAC层协议方面主要使用了S-MAC协议，该协议采用以下工作机制:周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式，控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗；邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，减少节点的空闲侦听时间；采用带内信令来减少重传和避免监听不必要的数据；通过消息分割和突发传递机制来减少控制消息的开销和消息的传递延迟[6-8]。为了避免通信延迟，S-MAC协议采用了流量自适应侦听机制，即节点的邻居节点在完成数据传输后并不马上进入睡眠状态，而是继续处于侦听工作状态，若在这一段时间内，接收到RTS数据帧，则立刻进行数据传输，从而可以减少数据收发的延迟时间。这样利用周期性侦听和睡眠两种状态切换的方式达到节省节点能量的要求。利用路由层协议方面，采用的是一种能量多路径路由机制，该路由机制首先与一般路由协议相同，在源节点和目标节点之间搜索所有可能的路径，然后根据各路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况，给每条路径赋予一定的权重或选择概率，使得数据传输能均衡地消耗整个网络的能量，延长整个网络的生存期。能量多路径路由协议包括路径建立、数据传输和路由维护三个阶段。在路径建立过程中，每个节点通过广播消息，接收消息来确认所有到达目的节点的下一跳节点，并计算选择每一个下一跳节点传输数据的概率。能量多路径路由协议提出利用概率选择多条路径进行数据传输，将能量消耗在多条路径上，从而实现整个网络能量的平稳降级，最大限度地延长整个网络的生存期。在数据传输过程中，如果多个源节点发出的数据分组中确实存在冗余量，那在中心的路由方式中通过数据融合可以减少在数据传输链路中的数据量，因此将表现出很好的节能效果。例如，一定范围内，一段时间内所有节点所采集到的数据完全相同，当汇聚节点收到第一份数据时，就发出通告消息通知其他源节点和传输路径中的转发节点停止传输数据，可以减少传输过程中的冗余数据量，减轻数据汇聚过程中的网络拥塞，协助路由协议延长网络的生存时间。功率控制技术方面，通过软件设定了节点在工作模式和低功耗模式之间进行周期切换，从而达到减少能量消耗的要求，还要验证节点的生存期能符合无线传感器网络中节点生存期标准。3系统测试为了验证自供电系统的有效性，从硬件和软件上进行验证，硬件上主要从充电控制的有效性、供电控制的有效性、锂电池和主次级剩余能量估计的有效性等方面进行检验，得到充电的有效性如图2所示。图2充放电过程曲线图3数据融合前后传输量对比系统的能量来源主要为太阳能电池，控制太阳能电池为能量存储器供电，一旦能量存储器的电压升至某一阀值以上时，（下转第25页）无线传感器网络的自供电技术的研究李培江(衢州职业技术学院信息工程学院浙江衢州324000)【摘要】针对无线传感器网络中节点的电源制约网络使用效能的问题，对无线传感器网络节点自供电机理进行分析，硬件上采用太阳能电池板、超级电容、可充电锂电池多重供电方式，软件上利用MAC层协议调节节点的工作机制，降低节点能量消耗等多重机制，实验表明软硬件结合的自供电措施在无线传感器网络节点应用中达到了良好的效果。【关键词】无线传感器网络；自供电技术；超级电容；软件降耗○本刊重稿○