基于MSP430的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)功率管理研究

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)帶有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn)組織而成的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵谲娛�、工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景而成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常工作在人們難以觸及的環(huán)境中，并且節(jié)點(diǎn)能量有限，難以補(bǔ)充，所以降低功耗、延長(zhǎng)使用壽命成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、算法、電路和感知都必須滿足能量有效性。就降低單個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗而言，除在硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用低功耗元件外，動(dòng)態(tài)功率管理(Dynamic Power Management，DPM)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Supply，DVS)都能有效地降低系統(tǒng)功耗。DPM的基本原理是傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備根據(jù)需求在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，減少節(jié)點(diǎn)不必要的開(kāi)支，DPM能盡可能使系統(tǒng)各部分運(yùn)行在節(jié)能模式下，從而降低系統(tǒng)功耗。本文從低功耗設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，介紹了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成，分析了DPM原理及其算法，研究了混合自動(dòng)控制并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，最后通過(guò)在MSP430和nRF905無(wú)線加速度傳感器系統(tǒng)中介紹了改進(jìn)的混合自動(dòng)控制算法的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成及低功耗設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成如圖1所示，數(shù)據(jù)處理單元采用TI公司MSP430系列單片機(jī)，無(wú)線收發(fā)模塊采用Nordic公司的nRF905。目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)，其中MSP430系列單片機(jī)以其卓越的性能和超低功耗特性，在電池供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其低功耗特性有：CPU和外圍模塊可以在不同時(shí)鐘下運(yùn)行，外圍模塊在不使用時(shí)可以關(guān)閉以節(jié)省能耗；處理器的功耗與工作頻率成比例，工作在低頻方式下將大大降低處理器的功耗；CPU功耗可以通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制：正常運(yùn)行時(shí)電流為160μA，備用時(shí)僅為O．1-μA，功耗極低，為設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)提供了有利的條件。nRF905無(wú)線收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡(jiǎn)單、可自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，MSP-430通過(guò)SPI接口及相關(guān)指令訪問(wèn)nRF905的內(nèi)部寄存器。SCA3000-D1是VTI公司的全數(shù)字化低功耗三軸加速度傳感器，量程±2g，電源電壓3．3 V，64組緩沖存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)一級(jí)上面，有先進(jìn)的性能和有效節(jié)能方式，頻響可選，SPI數(shù)字串口通信，抗沖擊力強(qiáng)，可以運(yùn)用于許多惡劣的條件下，但是其沒(méi)有低功耗模式，通過(guò)對(duì)其電源模塊的關(guān)斷管理進(jìn)行節(jié)能處理。根據(jù)傳感器測(cè)得的傾斜角的連續(xù)變化，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合適的操作，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)變化到臨界點(diǎn)時(shí)，使nRF905，MSP430進(jìn)入不同的功耗模式，通過(guò)MSP430控制SCA3000的數(shù)據(jù)采集，從而有效地降低功耗。整個(gè)系統(tǒng)具有電路簡(jiǎn)單、功耗低、操作靈活、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 DPM基本原理

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部模塊存在著多種工作狀態(tài)，假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有相同的模塊元件，如CPU、存儲(chǔ)器、傳感器、無(wú)線收發(fā)器，DPM通過(guò)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，使系統(tǒng)各個(gè)部分運(yùn)行在節(jié)能模式下。把節(jié)點(diǎn)的功率狀態(tài)分為Sk(k=O，1，2，3，4)五個(gè)部分。其中：S0表示活動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)消耗的功率最大；S4表示睡眠狀態(tài)，此狀態(tài)下大部分元件處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)的功耗最小。假設(shè)節(jié)點(diǎn)Nk在某時(shí)刻有事件發(fā)生，Nk在t1時(shí)刻完成事件的處理，下一事件發(fā)生在 t2=t1+ti時(shí)刻，在t1時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)決定從狀態(tài)S0轉(zhuǎn)換到狀態(tài)Sk，如圖2所示

狀態(tài)Sk的功率為Pk，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為τd,k和τu,k，定義i>j，τd,i>τd,j和τu,i>τu,j，則節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入狀態(tài)Sk節(jié)省的能量為Esave,k，可由等式確定：

只有當(dāng)Esave,k>O時(shí)。式(1)才有意義。式中：P0為傳感器處于激活狀態(tài)時(shí)的功率；Pk為睡眠狀態(tài)為Sk時(shí)的傳感器節(jié)點(diǎn)功率；τd,k(τu,k)為傳感器從激活狀態(tài)S0(睡眠Sk)到睡眠狀態(tài)Sk(激活狀態(tài)S0)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

理想狀態(tài)下，傳感器節(jié)點(diǎn)在完成任務(wù)后迅速進(jìn)入睡眠狀態(tài)并在下一事件到達(dá)時(shí)迅速進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)，能最大程度地節(jié)省能耗，根據(jù)式(1)可得門限時(shí)間：

但事實(shí)上，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換也存在較大的能量消耗和延遲。因此，在進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)首先在寄存器上保存之前的數(shù)據(jù)和參數(shù)。同時(shí)，激活節(jié)點(diǎn)仍然需要大量的能耗和額外的時(shí)間，低功耗模式下消耗的能量越少，轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式時(shí)帶來(lái)的延遲就越大，所以，應(yīng)考慮到狀態(tài)轉(zhuǎn)換額外的能耗Padd。當(dāng)且僅當(dāng) Esave,k>Padd時(shí)，系統(tǒng)才有意義，因此，可以得出門限時(shí)間：

Tth,k代表傳感器節(jié)點(diǎn)的門限時(shí)間。在節(jié)點(diǎn)的非完全關(guān)閉狀態(tài)，事件到達(dá)，系統(tǒng)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)入激活的工作狀態(tài)，對(duì)于完全關(guān)閉的狀態(tài)S4，由于節(jié)點(diǎn)的大部分元件都處于關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)無(wú)法檢測(cè)到事件和收到信息，所以一些事件將會(huì)丟失，根據(jù)剩余能量，得出S4的門限時(shí)間為：

式中：Vstd代表標(biāo)準(zhǔn)工作電壓，Vpre代表當(dāng)前電壓。