双模式休眠模式.pdf

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1、无线传感器分级休眠模型的研究*郑誉煌，李迪，叶峰（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）摘要：为了提高无线传感器的有效工作时间，在无线传感器处于等待状态时，令其休眠是重要的一种降低功耗策略。分析已有的两种无线传感器分级休眠能耗模型的特点，指出这两种模型是单部件无线传感器分级休眠模型，它们不适用于多部件组成的无线传感器。从而分析由双部件组成的无线传感器分级休眠能耗模型，推导了最小有效休眠时间公式，并指出了这个模型的改进之处。由已有的实验数据计算可知，双部件模型较单部件模型的最小有效休眠时间公式有较大的改进。关键词：无线传感器网络；节点；休眠；低功耗 中图分类号:TN401 文

2、献标识码：B Research on Sleep-state Transition Policy In Wireless Sensor Network Node ZHENG Yuhuang,LI Di,YE Feng(School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou Guangdong,510640)Abstract In order to increase life time of wireless sensors,when wireless senso

3、r is in waiting mode,sleep mode is an important state for lower power consumption of wireless sensor.In this paper,two wireless sensor models of different sleep states and power consumption are analyzed.These models are classified in the single component wireless sensor model of different sleep stat

4、es and these models are not suitable to the wireless sensor which is composed of more components.We consider double components wireless sensor model of different sleep states and power consumption model,deduce the minimum effective sleep time formula,and compare this model with the model above.From

5、the experimental data,the minimum effective sleep time formula of double components wireless sensor is better than that of single components model of wireless sensor.Keywords Wireless Sensor Network;Node;Sleep mode;Low-power 1 引言引言 无线传感器网络（WSN：Wireless Sensor Network）是新一代传感器网络，WSN节点能够协同地监测环境中的信息，并传送

6、给用户。在很多场合，WSN节点需要便携式电源(例如电池)供电。当电能降低到一定程度后，无线节点就不能正常工作，显然传感器节点的寿命就取决于电源的寿命，因此必须设法降低传感器的功耗来延长传感器的可靠工作时间。低功耗设计是无线传感器节点设计必须重点考虑的问题之一。1 无线传感器节点主要有两种架构：片上系统（SoC）架构和多部件组合架构。顾名思义，SoC 架构就是将微处理器、寄存器、数模转换和无线收发等部件集成为一块芯片，系统高度集成，如 CC2431 等。多部件组合架构就是将每个具有独立功能的芯片，如微处理器、寄存器、无线收发等芯片有机组合，组成一个新的节点，如 iMOTE2 等就是这种架构。在

7、WSN 节点中，传感器部件的功耗很低，绝大部分能量消耗在无线通信部件上，微处理器在处理数据时也消耗了相应的能量。然而无线传感器节点在大部分时间内是空闲的，因此在这时候使其休眠，可以节省功耗，延长节点寿命。节点休眠是无线传感器网络低功耗设 *项目颁发部门：广东省科技厅；项目名称：广东省教育部产学研结合项目；编号：2007B090400075 项目申请人：李迪 计的常用方法。目前，无线传感器节点一般提供多个工作状态，如正常工作态、空闲态、休眠态等。12 WSN 节点的部件一般也支持上述模式，尤其是微处理器和无线通信模块。虽然多工作状态原理很简单，但是如何合理的切换这些工作状态却是一个关键的问题，因

8、为工作状态间的切换需要消耗额外时间和能量。节点在满足什么条件下进入休眠状态，才会比保持正常状态状态节能是一个关键的问题3。也就是说，无线传感器必须保证足够长的休眠时间，才能实现节能，这就存在节点最小有效休眠时间的问题。2 相关研究相关研究 目前的无线传感器分级休眠模型有两个特点，一是将无线传感器节点作为一个整体分析，二是把无线传感器节点的工作状态分成多种。根据节点的休眠策略，无线传感器分级休眠模型可以分为两种类型：直接状态转移模型（如图 1）和递进状态转移模型（如图 2）。文献3采用了直接状态转移模型，这个模型设定节点是直接从工作状态 S0到达其余任意一种工作状态 Sk。为了实现有效节能，节点

9、的休眠时间必须满足 tiTth,k。P0t1d,kS0tPk+1PkSkSk+1d,k+1t2u,ku,k+1tiPP0t10,kS0tPk+1PkSkSk+10,k+1t2k,0k+1,0tiP 图 1 节点的直接状态转移模型 图 2 步进状态转移模型 其中，)(21,00,kukkkdkthPPPPT+=(1)d,k节点从状态 S0到状态 Sn的切换时间，n0，1，k，k1；u,k节点从状态 Sn到状态 S0的切换时间，n0，1，k，k1；Tth,k节点从状态 S0到状态 Sk的最小有效休眠时间。文献4采用递进状态转移模型。如图 2 所示，模型中认为节点的休眠过程是从工作状态 S0到浅度休

10、眠 Si到深度休眠 Sj的过程。节点的最小有效休眠时间必须满足 tiTth,k.其中，kkkkkthPPET+=00,0,0,)(21(2)0,n节点从状态 S0到状态 Sn的切换时间，n0，1，k，k1;n,0节点从状态 Sn到状态 S0的切换时间，n0，1，k，k1;Ek,0节点从状态 Sk到状态 S0所消耗的额外能量;P0、Pk节点分别在状态 S0、状态 Sn的功耗。可以看出递进状态转移模型是直接状态转移模型的改进，但是这两种模型都认为节点是统一的整体，或者只是考虑到节点的其中一个部件。本质上，这两个模型都是单部件的无线传感器分级休眠模型。对于 SoC 架构的无线传感器，单部件的无线传感

11、器分级休眠模型是比较符合的。但是对于多部件组合架构的无线传感器，上述模型就不符合了，因为这种架构的无线节点工作中，微处理器和无线收发模块是协调工作的。在无线传感器节点工作时，微处理器是控制无线收发模块的工作状态的，微处理器必须在无线收发模块休眠后才可以休眠，微处理器必须被唤醒后才可以唤醒无线收发模块。微处理器的唤醒时间又与其工作频率成正比，因此在微处理器的工作频率足够快时，上述模型是准确的。然而，无线传感器节点普遍采用低压的微处理器以降低功耗，低压的微处理器导致其工作频率降低，从而导致微处理器的唤醒时间就相应增大。因此，如果无线传感器节点采用低压的微处理器时，其唤醒时间不可忽略。因此，必须结合

12、微处理器和无线收发模块的状态切换过程来综合分析，并建立两个部件协调工作的双部件无线传感器分级休眠能耗模型。3 双部件无线传感器分级休眠能耗模型双部件无线传感器分级休眠能耗模型 一般无线传感器都会提供正常工作和休眠两种状态，而有的无线节点还提供空闲或更多的工作状态5。为了研究的方便和从实际的应用考虑，这里只考虑节点正常状态和休眠状态的切换。微处理器和无线收发模块的状态切换过程，如图 3 所示。从这个切换过程可知，微处理器必须控制无线收发模块休眠后才进入休眠。当唤醒事件发生后，微处理器必须先被唤醒，才能唤醒无线收发模块。Pactive_mcuPactive_wmt1down_wmdown_mcuP

13、sleep_mcuPsleep_wmup_mcuup_wmteventtP 图 3 改进的节点状态转移模型 在时间 t1，为了减少功耗，微控制器从正常状态（功耗 Pactive_mcu）到休眠状态（功耗Psleep_mcu），无线通信模块从正常状态（功耗 Pacvtive_wm）到休眠状态（功耗 Psleep_wm）。表 1分析了节点在各种时段中的能耗。若保持休眠状态且下一事件在 tevent内发生，则微控制器和无线通信模块正常工作状态消耗的总能量：Eactive=(Pactive_mcu+Pactive_wm)(tevent t1).表 1 节点在各种时段中的能耗 时段 节点能耗 down_

14、wm E_down_wm=Pactive_mcudown_wm+0.5(Pactive_wm+Psleep_wm)down_wm down_mcu E_down_mcu=Psleep_wmdown_mcu+0.5(Pactive_mcu+Psleep_mcu)down_mcu(tevent t1down)Esleep=(Psleep_mcuPsleep_wm)(teventt1down)up_mcu E_up_mcu=Psleep_wmup_mcu+0.5(Pactive_mcu+Psleep_mcu)up_mcu up_wm E_up_wm=Pactive_mcuup_wm+0.5(Pact

15、ive_wm+Psleep_wm)up_wm 可节省能耗：Esaved=EactiveE_down_mcuE_down_wmEsleep；额外消耗能量：Eoverhead=E_up_mcu+E_up_wm；由于部件在休眠状态向正常状态切换期间，部件是不能正常工作的，这时的功耗是额外。若EsaveEoverhead或等价地发生下一事件的时间间隔足够大时，则切换到休眠状态才有效。可得最小有效休眠时间公式如下：)(21)(21_1downupsleepactiveupsleepactivedowneventttPPPPtt+（3）其中：PacvtivePactive_mcuPacvtive_wm；P

16、sleepPsleep_mcuPsleep_wm；downdown_mcu+down_wm；upup_mcu+up_wm；sleepactivedownmcusleepmcuactivemcudowndownPPPPt+=)(_；sleepactivewmupactivesleepactivemcuupsleepsleepactiveupmcusleepwmactiveupPPPPPPPPPPt+=_)(.对比式（1）和式（3），其相差的时间是：t=0.5(t_downt_up).在考虑部件只有两种工作状态的情况下，式（2）和式（1）是一样，因此只需比较式（1）和式（3）即可。由于t 是非负值

17、，所以应用式（3）所得的最小有效休眠时间比式（1）所得的要大。从图 1 和图 3 的曲线可以直观的看出，式（3）综合考虑了微处理器和无线通信模块的状态切换时间，因此算得所需的时间必然较式（1）大。但式（3）所得的时间较式（1）的合理，较符合实际的节点工作过程。4 实验分析实验分析 下面以ATMega8和nRF2401A为核心的无线传感器节点来验证上述分级休眠能耗模型。节点要实现合理的休眠，关键是要分析其nRF2401A芯片和ATMega8的正常状态与休眠状态的切块时间。实验数据见表2，这些数据都是来自采用文献67的相关数据。表2 ATmega8L和nRF2401A的功耗 器件 状态 切换时间

18、能耗（mW）工作电压 ATmega8L 正常 正常休眠 250us 15 3V（晶振 4 MHz）ATmega8L 休眠 休眠正常 4ms 0.084 3V（晶振 4 MHz）nRF2401A 正常发送 正常休眠 50ns 2.4 3V nRF2401A 休眠 休眠正常 3ms 0.0027 3V 代入式（3）可得：teventt14.6585ms,即唤醒事件发生的时间与节点开始休眠的时间间隔必须大于 4.6585ms，或者节点的定时休眠间隔周期必须大于 4.6585ms，才实现节能。与公式（1）相比，计算出来的时间偏差为：t=0.5(t_upt_down)0.49925ms。时间误差接近 0

19、.5ms。可见，节点的状态切换时间越大，改进的最小有效休眠时间公式所提高的精度越大。5 结束语结束语 在现有无线传感器分级休眠模型的基础上，分析了双部件的无线传感器分级休眠模型，并指出这个模型的改进之处。实验结果表明，双部件的无线传感器分级休眠模型比现有的模型提高了最小有效休眠时间的精度。本文作者创新点：提出了双部件的无线传感器分级休眠模型，并推导了其相应的最小有效休眠时间公式。本文的研究结果对于无线传感器的休眠策略实施具有较好参考价值，并为确定多部件的无线传感器分级休眠模型建立了基础。参考文献参考文献 1 金福宝,曹军.无线传感器网络节点的低功耗设计J.传感器与微系统.2007,4:73-7

20、5 2 苏志雄,郭慧晶,吴一亮,周剑扬.无线传感器网络SOC芯片的低功耗设计J.微计算机信息.2007,2-2:133-134 3 Holger Karl,Andress Willig,邱天爽等译.无线传感器网络协议与体系结构（M）.电子工业出版社，2007.1 4 Chuan Lin;Yan-Xiang He;Naixue Xiong;An Energy-Efficient Dynamic Power Management in Wireless Sensor Networks Parallel and Distributed ComputingJ.ISPDC 06.The Fifth In

21、ternational Symposium.July 2006 5 袁勇.无线传感器网络节能传输技术研究D.华中科技大学博士学位论文.2005 年 11 月 6 ATMEL 公司.ATMega8 产品数据手册.2004.7 7 Nordic Semiconductor.nRF2401A PRODUCT SPECIFICATION.http:/www.nordicsemi.no.March 2006 作者简介作者简介 郑誉煌（1979.4），汉族，广东佛山人，在读博士研究生，研究方向是无线传感器网络。Biography ZHENG Yuhuang（1979.4）,male,the Han nationality，doctoral candidate,reasearch interesting is wireless sensor network.（510640 华南理工大学机械与汽车工程学院）郑誉煌，李迪，叶峰 通讯地址：（510640 华南理工大学机械与汽车工程学院光机电一体化研究所）郑誉煌 本单位已订阅本刊