引言

      传感器网络与传统无线网络有显著的区别[1]。无线自组网、蜂窝、蓝牙等无线网络首要设计目标是提供高性能的服务质量，由于移动节点可以不断的获得电能补充，节点的能量考虑放在次要位置。而数目巨大分布范围广的传感器节点不能补充能量，存在严重的能量约束。高效使用节点的能量，延长网络系统的生存期成为传感器网络的首要设计目标。本文对无线传感器网络的主要节能策略进行分析说明。

      1 低功耗设计和硬件结构设计

      超低功耗的设计是一个综合硬件技术和软件技术为一体的技术,在单片机和射频模块组成的无线传感器节点中, 降低功耗能够大大的节约电能,而且还可以简化电源部分的设计。

      1) 降低功耗从MCU选型开始，一开始选型的时候就应该考虑选择低功耗的MCU。

      2) 射频模块选用待机电流小、收发电流稳定的芯片。

      3) 电源选用较低的输出电压,且本身消耗功率较小。

      4) 降低工作频率可以有效降低电流消耗。

      5) 系统工作电压,降低对系统的功耗也有较明显的影响,因此在保证系统可靠工作时可以选用较低工作电压。

      6) 尽量使用中断让处理器进入更深的睡眠，众所周知睡眠模式和掉电模式能够大大的降低MCU的工作电流。

      7) 动态能量管理（DPM）[2]，DPM 的工作原理是，当节点周围没有感兴趣的事件发生时，部分模块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到更低能耗的状态（即休眠状态），这种事件驱动能量管理对于提高传感器节点的生存期非常重要。

      8) 动态电压调节（DVS）[2]，DVS的工作原理是，当计算负载较低时，通过降低微处理器的工作电压和频率从而降低处理能力，可以节约微处理器的能耗。

      9) 降低收发模块的启动时间。

      2 节能软件设计

      如果操作系统、应用层和网络协议等系统软件针对能耗进行了专门的优化, 那么无线传感器网络的生存时间也能得到有效的延长。在操作系统中进行动态电源管理和动态电压调整是最合适的, 因为操作系统可以获取所有应用程序的性能需求并能直接控制底层硬件资源, 从而在性能和能耗控制之间进行必要的折中。操作系统的核心是任务调度器, 负责调度给定的任务集合使其满足各自的时间和性能需求, 通过在任务调度中考虑节能问题, 系统生存时间可得到明显的延长。鉴于传输中不可避免的数据丢失, 无线传感器网络应能根据当时的网络环境提供不同精度的数据, 从而获得一定的弹性。另一方面, 监测对象的属性是随时间变化的, 从而导致网络中的计算和通信需求也随之改变。这样, 我们就可以在实时调度算法中进行某种程度的预测, 对能耗进行主动式的管理。另外, 应用层可以设计成将主要的计算任务及早执行, 然后在算法正常结束前提前中止, 这样就能在对数据精度影响不大的情况下节约能耗。

      无线传感网络的节能效率关键在于它运行的软件。虽然电路设计可以节能，软件控制和应用程序同样能够减少能量消耗。

      2.1 操作系统

      嵌入式操作系统通过在没有兴趣查询的时候关闭节点或者降低节点能耗能够减少系统能量消耗。在操作系统中进行动态电源管理和动态电压调整是最合适的, 因为操作系统可以获取所有应用程序的性能需求并能直接控制底层硬件资源, 从而在性能和能耗控制之间进行必要的折中。操作系统的核心是任务调度器, 负责调度给定的任务集合使其满足各自的时间和性能需求, 通过在任务调度中考虑节能问题, 系统生存时间可得到明显的延长。

      2.2 应用程序接口（API）[3]

      API是一个抽象的概念，它将复杂的实现部分封装起来。因此，无线传感网络的API是用户管理如此庞大网络的关键部分。用户不希望被内部的网络结构所困扰。通过定义上层的对象，函数接口和相关的语义，API使得应用开发变得相对容易。

      API包括函数借口，抽象对象和详细的语义。这些部分一起定义了应用开发者使用这个系统的方法。函数接口本身被分成如下几种：

      1) 搜集状态的函数（节点、网络、两节点之间的连接等）。

      2) 设置状态的函数（节点、簇、协议等）。

      3) 允许节点和基站之间数据传输的函数。

      4) 在基站处获取用户所需信息的函数。

      5) 用户用于定义自己的模式的函数（能量，时延等）。

      考虑能量消耗的计算和通信是获得较长网络生存时间的关键。API的功能不仅在于它能使用户能够建立节能的系统并且能够促使这种方法。在一个高质量的网络API中函数具有清晰的能量、质量、时延和操作点注释，我们可以要求一个特定的函数满足一定的要求（时间、能量、质量限制等等）。另外，API具有基本的能量模型允许用户检测各部分的能耗情况。另外，设计良好的无线传感网络的API应该可以使系统工作在最优化状态，来节省能量。

      3 无线通信对能耗的影响

      3.1 调制方式选择[4]

      通常在16进制QAM调制时每比特能耗最小，但在传感器网络中，使用这么高调制等级的无线收发器会大大增加制造成本，因此一般最高选用4进制QAM调制。当传输数据减少时，可以降低调制等级，降低传输速度来降低能耗。

      3.2 使用多跳短距离无线通信

      无线通信能耗与通信距离n的关系为E=kdn，其中23.3 减少通信流量

      减少通信流量可以直接减少通信模块发送和接收的比特数，从而可以降低通信模块的能耗。减少通信流量的方法有以下几种：

      1) 减少控制包的开销和包头长度。

      2) 增加休眠时间。

      3) 减少冲突。
     
      4) 增加错误检测和校正机制。

      5) 在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。

      4 路由协议设计

      无线传感器网络的路由协议通常运用三种技术:数据存储、数据查询、数据命名、数据熔合和节点聚类。当我们进行数据传输时，内部一般先进行初步的处理，这时数据的存储的位置，对能量的消耗会有一定影响，因此有必要考虑地理位置信息存储。无线传感器网络数据众多，所以数据查询会对能量的消耗有很大的影响，这就要求数据查询要占用少的存储空间，并且能够快速响应。目前的数据命名方案对于复杂的询问是不能完全胜任的, 它们通常与应用相关。高效的数据命名方案是未来研究的一个热点。数据熔合对于消除数据冗余和提高带宽利用率起了至关重要的作用, 它也是一个研究的热点问题。节点聚类需要解决的问题是如何组织聚类从而使得能量消耗和通信度量(如反应时间) 最优化。影响聚类构成和聚类首领通信的因素是未来研究的重要课题。

      路由协议实行数据的融合，路由经过处理的数据到汇聚点。在设计路由协议时，应考虑两个问题：均匀使用节点能量和数据融合[5]。从整个网络来看，应该平衡使用各个节点的能量消耗，否则某些节点过早地耗尽能量会导致缺少某些区域的信息或者网络瘫痪。另外，路由过程的中间节点并不是简单的转发所收到的数据，由于同一区域内的节点发送的数据具有很大的冗余性，中间节点需要对这些数据进行数据融合，只转发有用的信息。数据融合有效降低了整个网络的数据流量。

      5 MAC层协议[6-7]

      由于节点能量受限，我们有必要在网络协议的设计中融合节能策略。在传感器网络中，网络协议的首要设计目标是延长网络系统的生存周期。MAC协议负责无线信道的使用控制，减少邻居节点广播引起的冲突。在传感器网络中，MAC协议更关心能量高效而不是服务质量。因此，在MAC协议的设计时，应考虑以下几个方面：

      1) 能量受限。MAC要尽可能的节约能源，如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比和尽量减少长距离通信。协议中还应该包括这种机制，使用户可以在节能和提高吞吐量，降低延迟之间做出选择。

      2) 可升级性。无线传感器包括数目众多的节点，因此使用的协议的可升级性是很关键的。

      6 网络优化

      最后, 让我们看看从整个网络的角度, 可以采取哪些措施进行能耗优化。

      6.1 流量分发

      对整个无线传感器网络而言, 需要从全局上考虑如何将流量从数据源传递到目的地, 这里的重要问题是如何在源和目的地之间找到一条节能的多跳路由。节能路由是在普通的路由协议基础上, 考虑相关的能耗因素, 引入新的与电源消耗有关的衡量指标, 实现能耗的节约, 这方面已经有很多研究成果。

      6.2 拓扑管理

      在典型的无线传感器网络部署中, 节点密度都比较高, 因为提高节点密度可以提高结果的精确度, 但如果系统生存时间更重要的话, 就可以对网络拓扑进行管理, 利用相对较少的节点进行跟踪。这样, 除了减少计算复杂度之外, 也降低了通信开销, 因为没有参与跟踪的节点不会发送数据。如果硬件支持可变发射功率的话, 采用低的发射功率也能够降低网络电源开销, 同时缓解共享空间信道的竞争, 提高网络容量。拓扑控制有专门的讨论, 这里就不多说了。

      6.3 计算和通信的折中

      除了智能的路由和拓扑管理协议, 缩减数据流长度也是有效的节能手段。在无线传感器网络中, 由于节点的高密度, 使得同一时间被多个微传感节点同时感知并捕获处理, 导致了数据采集的冗余性。在选定节点将一定区域内节点的数据进行汇聚或者融和, 然后再将结果传送出去, 不但可以提高事件/数据监测的可靠性, 也可有效降低通信流量, 从而节约能耗。

      7 能量收集技术[8]

      能量收集是利用环境中的能量进行收集并实现应用。从环境收集的能量转换后进行储存，随后分配到网络传感器的模数转换器、微控制器、射频收发器各部件，保证传感器的电源需求，实现长期有效的供电。能量收集可利用机械震动、光能、温度变化、电磁场、化学能、风、热等方法。前两种方法的应用技术成熟，应用范围广，相关器件的产品较多，现阶段具有较强竞争力和应用前景。因此,可以期待随着能量收集技术的发展,节点集成度的进一步提高,无电池的有无限生存周期的传感器网络是可能的。

      8 结束语

      无线传感器网络刚刚浮现出从学术研究进入到商用的迹象, 对其各方面的开发与研究都存在着巨大的机遇与挑战。能源问题始终是其核心问题, 能源管理策略的最优化涉及到网络从物理层到高层甚至包括物理层以下CMOS 电路的设计等方方面面。下一步可以设想一个有无限生存周期的节点, 因为节点的本质就是感知周围环境的能量, 传感器不能在运行的同时收获能量。传感器可以收集环境中的能量, 如振动、电磁波等, 然后将其转化为有用的电能。实验室已成功实现从机械振动中收集到10μW能量。这对一个低频率的DSP 已经足够。因此, 可以期待随着能量收集技术的发展, 节点集成度的进一步提高, 无电池的有无限生存周期的传感器网络是可能的。