Iv无线传感器网络节点研究

1、Iv无线传感器网络节点研究Iv无线传感器网络节点研究国家项目支持 中国下一代互联网示范工程CNGI 2005年研究开发、产业化及应用试验项目 信息产业部2006年“电子信息产业发展基金” Iv无线传感器网络节点研究项目目标 总体指标研究WSN节点的系统组成结构、网络协议、数据汇聚等关键技术。提供不少于30个无线传感器网络节点，完成在CNGI上的试验和应用。推动WSN技术产业化。 核心处理器CPU字长：8bitCPU工作时钟：4 MHz片内RAM：4KBytes ；片内ROM：128K13bits芯片低功耗：工作模式峰值 10mW，休眠模式峰值 2mW 节点n 节点支持IPv6协议n 功耗：发送

2、模式峰值 50mW，接收模式峰值 25mW，休眠模式峰值 15mWIv无线传感器网络节点研究工作内容研究实现WSN节点的6个关键技术构件：自主知识产权的节点数据获取单元接口自主知识产权的核心处理器芯片自主知识产权的嵌入式操作系统无线通信物理层和数据链路层组网路由技术数据处理技术Iv无线传感器网络节点研究网络体系结构n无线传感器网络节点以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络无线传感器网络节点以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络Iv无线传感器网络节点研究节点功能结构n节点结构节点结构电源电源数据获取单元数据获取单元DAU数据处理单元数据处理单元DPU数据发送和接收单元数据发送和接收单元DSRUI

3、v无线传感器网络节点研究数据获取单元接口ADC器件 8位SAR（逐次比较）型 采样速率最高可达2MSPS 模拟电压输入：0 多路输入切换开关 Iv无线传感器网络节点研究 TaraxCore：自主设计与实现 0.18um CMOS工艺，由中芯国际流片 性能指标字长：8bitsRAM：4KBytesROM：128K13bits功耗： 工作模式峰值10mW 休眠模式峰值2mW工作频率：4MHz工作电压：端口：56个双向三态I/O端口，支持唤醒休眠和触发中断功能堆栈：64级堆栈，可支持64级调用时钟：独立时钟源的Watchdog计数器，可用于系统复位和休眠唤醒定时：8位带预分频器的定时计数单元TCC，

4、可以触发中断核心处理器芯片TaraxCoreIv无线传感器网络节点研究TaraxCore内部结构框图Iv无线传感器网络节点研究TaraxCore 裸片和封装片105 pins QFPIv无线传感器网络节点研究Tarax Node现状节点现状Iv无线传感器网络节点研究嵌入式操作系统TaraxOS 高度模块化：由一系列组件模型组成 灵活重用性：应用程序通过连接配置文件，实现可重用组件连接 基于事件驱动：实现节点工作状态的切换 调度方式：FIFO调度、优先级调度 提供类C结构化语言编译器 内核代码量小于10K ByteIv无线传感器网络节点研究无线通信模块 采用标准。 载波频率。 实际测试，无线通信

5、模块的最大通信距离为125m，最大数据传输速率250Kbps。Iv无线传感器网络节点研究组网路由技术路由协议：改进的AODV自组织：支持网络拓扑动态变化负载均衡：支持多sink点间的负载均衡单向链路识别：选路时自动避免选择单向链路算法效率高：计算量小，内存空间占用小广播控制：一跳范围内广播，无需全网广播 Iv无线传感器网络节点研究组网与路由技术组网与路由技术完成AODV和DD路由协议的设计，代码编写和仿真完成，大规模组网实验正在进行。目标是实现至少三种路由协议。 Iv无线传感器网络节点研究组网路由技术路由总体上分成两部分： 上行路径：从信息采样节点到信息汇聚节点sink 下行路径：从信息汇聚节

6、点sink到信息采样节点Iv无线传感器网络节点研究上行路径的建立12345有线网有线网/骨干网骨干网1. Sink节点向周围广播入网信息节点向周围广播入网信息2. 一跳邻居范围内的节点建立到一跳邻居范围内的节点建立到sink节点的路径节点的路径Sink节点节点采样采样节点节点3. 一跳邻居节点广播入网信息一跳邻居节点广播入网信息4. 二跳邻居节点建立到二跳邻居节点建立到sink节点节点的路径的路径5. 按照这样的规则，各点依次入按照这样的规则，各点依次入网网6. 如果出现多如果出现多sink节点的情况，节点的情况，节点将就近接入自己临近的节点将就近接入自己临近的sink点，自动形成负载均衡点，

7、自动形成负载均衡Iv无线传感器网络节点研究下行路径的建立1234节点节点下一跳下一跳213243每个节点在向每个节点在向sink节点发送数据节点发送数据的时候，都把自己的下一跳节点的时候，都把自己的下一跳节点告诉告诉sink节点，这样，节点，这样，sink节点就节点就能形成一个网络的路径表。能形成一个网络的路径表。sink节点记录的路径节点记录的路径表表形成路径表以后，形成路径表以后，sink节点就能节点就能计算到下行节点的路径。计算到下行节点的路径。需要发送下行帧的时候，需要发送下行帧的时候，sink节节点确定帧的整个路径，采用源路点确定帧的整个路径，采用源路由的方式进行发送。由的方式进行发

8、送。Iv无线传感器网络节点研究组网与路由技术组网与路由技术 Iv无线传感器网络节点研究跨层能量成簇算法CLEECCross-Layer Energy Efficient Clustering (CLEEC) algorithm节点根据跨层最优估计来确定节点簇首当选概率，并从理论上计算此概率值采用分布式算法成簇，节点自主决定当选簇首的概率，不需集中控制。 这种分布式算法非常适用于无线传感器网络。 算法目标就是尽力将能量消耗均摊在各个传感器之间，减少能量消耗过快而过早死亡的节点，从而延长网络生命周期。 Iv无线传感器网络节点研究CLEEC场景该算法场景：传感器节点异构，初始能量不同。 簇首节点比非

9、簇首节点含有更多的能量。既每一个节点有不同的概率成为簇首，保证整个网络中所有的节点几乎同时死亡。Iv无线传感器网络节点研究CLEEC算法 在每轮最开始时，每一个传感器节点以概率Pi选取自己为簇首CH。 节点i以Pi 的概率被选为CH节点，非CH节点概率则为1- Pi 作为CH簇首节点i在一轮传输中使用的能量 作为非CH节点i在一次传输中使用的能量iCHEinon CHE 节点节点 i在每轮中消耗的平均能量在每轮中消耗的平均能量 0(1)iiiiCHinon CHEPEP ER0iER节点的初始能量 网络生命周期一共的轮数 Iv无线传感器网络节点研究CLEEC算法 令ECH 表示每轮中簇首消耗的

10、平均能量，Enon-CH 表示每轮非簇首节点的平均能量消耗，通过计算上式的数学期望值，我们得： 0(1)iiCHinon CHEPEP ER0()iiCHnon CHnon CHEP EEER0()inon CHiCHnon CHEERPEE0()inon CHiCHnon CHEERPEEIv无线传感器网络节点研究CLEEC网络消耗能量 由上式我们可以看到，拥有高初始能量的传感器节点具有更高成为簇首的概率，这就使得拥有高能量的节点消耗更多的能量来保证网络中所有的节点几乎同时死亡。 整个网络每轮消耗的能量可计算为：4242(1) (2)() (2)roundCHnon CHelecDAmpto

11、BSfstoCHelecDAmptoBSfstoCHNEk EEklNk ENEkdNkdlNENEkdNdIv无线传感器网络节点研究CLEEC算法仿真实验结果1100012501500175020002250250027503000020406080100Number of nodes aliveTime (Round) LEACH DCHS DEECCLEEC网络运行时期节点存活的数目（网络运行时期节点存活的数目（N=100）Iv无线传感器网络节点研究CLEEC算法仿真实验结果21001502002503003504001800200022002400260028003000Round u

12、ntil final node diesNumber of nodes LEACH DCHS DEEC CLEEC不同网络规模中，最后一个节点死亡时网络运行的时间不同网络规模中，最后一个节点死亡时网络运行的时间 Iv无线传感器网络节点研究CLEEC算法结论仿真证明，CLEEC算法在延长网络生命期方面比当前重要的分簇算法表现更优。Iv无线传感器网络节点研究基于电池模型的低能耗任务调度算法基于电池模型的低能耗任务调度算法l 采用电池供电的大量节点一旦投入使用就很难再更换电池l 其目的是通过改善操作系统的任务调度机制来实现节能 定义l 超周期(super-period)，为给定任务集里所有任务周期的

13、最小公倍数。l 一个超周期由多个帧(frame)组成，每帧取值为最小的任务周期值，任务调度间隔为一帧。Iv无线传感器网络节点研究基于电池模型的低能耗任务调度算法部件操作模式近似电流TARAXCORE工作3mA睡眠10AADC采样8mA关闭2.5ACC2420发送18mA接收20mA关闭0mA湿度传感器工作40mA关闭0mA温度传感器工作10mA关闭0mA工作模式工作模式-近似电流值近似电流值 任务相关资源与模式近似电流（mA）TARAXCOREADCCC2420湿度传感器温度传感器计算工作关闭关闭关闭关闭3发送工作关闭发送关闭关闭21接收工作关闭接收关闭关闭23湿度睡眠工作关闭工作关闭48温度

14、睡眠工作关闭关闭工作18空闲睡眠关闭关闭关闭关闭0任务任务-放电电流分析放电电流分析 Iv无线传感器网络节点研究基于电池模型的低能耗任务调度算法高级电池模型 电池的电荷总容量（单位为库仑） 与电池的扩散率相关，描述电池非线性特性 表示时变电流， L 表示电池寿命。 m 为影响因子。deidimLmLL100(2)(2)(2)(i（1）Iv无线传感器网络节点研究基于电池模型的低能耗任务调度算法 代价函数l 定义执行时间为T的任务所消耗能量的代价函数l 电池寿命最大化与任务能耗最小化为等价命题101),(NkkkkttTFI)(i表示完成任务所消耗的电荷能量，采取分段取常数的方法近似代替。Q表示电

15、池的剩余能量（2）Iv无线传感器网络节点研究低能耗任务调度算法分析l 每帧任务按任务到达时刻排序l 每帧任务按放电电流递增排列 l 每帧按任务放电流非递增排列 2003004005006000电流(mA)50205100超周期=600ms2003004005006000超周期=600ms电流(mA)502051001002003004005000超周期=600ms电流(mA)50205任务调度方法一个超周期消耗电荷（库伦）杂序28.5217升序29.0339非升序28.0749由公式（2）算出三种调度方法在一个超周期内所消耗的电荷 对于周期任务集，在帧内按照任务放电电流非升序排列进行调度，可降

16、低任务消耗的能量，延长电池寿命。 Iv无线传感器网络节点研究低能耗任务调度算法结论帧/最小周期（比值）IIIIII一个超周期消耗电荷（库伦）128.0749228.17351.2412e+003220.3501141.8187763.4793319.2398126.2109647.2104610.33569.08504.1831n不同周期任务集的调度结果不同周期任务集的调度结果 n由于电池的非线性特性：由于电池的非线性特性： 对于同一任务集，帧的取值越大能量消耗越小。对于同一任务集，帧的取值越大能量消耗越小。 当帧等于超周期时，周期越大能耗反而越小。当帧等于超周期时，周期越大能耗反而越小。 此

17、外周期越大能量消耗越大。此外周期越大能量消耗越大。Iv无线传感器网络节点研究节点监控界面n监控中心界面监控中心界面Iv无线传感器网络节点研究节点监控界面n监控中心界面监控中心界面Iv无线传感器网络节点研究典型应用节能环保无线传感器网络用于中央空调监控系统Iv无线传感器网络节点研究典型应用空间探测对星球表面大范围的、长时期、近距离的监测和探索对星球表面大范围的、长时期、近距离的监测和探索 Iv无线传感器网络节点研究下一步计划TaraxCore核心处理器： 集成ADC和部分MAC协议，实现核心处理器的SoC化。 增加RAM和ROM容量，并增强内存管理模块功能 针对WSN定义专用加速指令集 实现三种运行模式，支持灵活的能量管理策略 增强在系统调试及在电路调试功能 进一步支持各类RTOS 多种形式及等级的封装，支持军用或更高级别Iv