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1、精品论文无线传感网络能量问题的研究进展李小敏，曹晓曼，臧英（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）5摘要：随着计算机技术、网路技术、半导体技术、传感器技术等的迅速发展，无线传感网络 孕育而生，而且得到了全世界范围越来越多的关注，并以非常迅猛的速度发展。但是能量问 题成为制约其发展的瓶颈问题，国内外的研究者针对此问题展开了深入的研究。本文从能量 的获取，协议节能等方面出发，总结了当前无线传感网络解决能量问题的方案。 关键词：无线传感器网络；能量获取；协议；数据融合10中图分类号：S24The progress of Wireless sensor netwo
2、rk energy questionLi Xiaomin, Cao Xiaoman, Zang Ying(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment (South China15Agricultural University), Ministry of Education, GuangZhou 510642)Abstract: With the development of computer、network、semi-conductor、sensor technique, thewireless
3、sensor networks comes out and gets more and more attention in the whole world, and develop at fast speed. But the energy problem always is its bottleneck problem. So the domestic and international researchers aimed at this problem to launch some research. This paper from20energy harvesting and proto
4、col discussed the wireless sensor networks and pointed at present solutions for the energy problem.Keywords: wireless sensor networks; energy harvesting; protocol; data fusion0引言25无线传感网络(Wireless Sensor Networks)是由无线传感节点、网关、服务器等组件构成 的，通过无线技术采集的数据的网络，如图 1 所示。近年来，无线传感网络得到了迅猛的发 展。同时无线传感网络技术作为物联网重要的支撑几时
5、引起全世界的关注，各国纷纷加大投 入进行了相关的研究。随着以 Zigbee 为代表的无线传感网络的成熟，（WSNs）其在军事、 动物追踪、工业测绘、环境检测、农业等方面得到了很好的应用1, 2。30图 1 典型的无线传感网络Fig.1 Typical wireless sensor network基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助（20094404120001）；国家 863 科技计划项目（2011AA100704）作者简介：李小敏，（1981-），男，硕士研究生，主要从事无线传感器网络方面的研究。通信联系人：臧英，(1973-)，女，副教授，主要从事农业工程方面的研究。E-mail
6、: yingzang- 11 -无线传感网络，是一本多学科交叉的技术。网络拓扑控制、网络协议、能量控制、数据融合、数据管理等技术成为其关键技术3-5 。一般无线传感网络中的节点（图 2 所示）一般35都是具有有限的能量的、有限计算能力的、有限的通信能量，所以无线传感网路节点也有其 自身的限制问题：(1)电源能量；(2)有限的计算能力；(3)通信能量有限，其中能量问题是 限制 WSNs 的最主要的问题6，因为节点能量的耗尽就意味着节点的死亡；也就意味着无线 传感网络功能的丧失。所以能量问题就理所当然成为了无线传感网络的研究热点之一。，如 何解决无线传感网络能量问题，国内我的研究者对此做了很多的研
7、究。主要是从下面 MAC40层协议的设计、路由协议设计、能量获取手段、数据融合等几个方面研究。图 2 给出无线传 感网络的结构框图。图 2 无线传感网络节点框图Fig.2 Diagram of node451基于软件的能量控制方法国内外的研究是如何解决的能量问题；下面本文分别从 MAC 层、路由协议、能量获取、 软硬件的具体设计等方面出发，对此问题进行了的探讨。1.1MAC 层协议的节能设计50MAC 层（Medium accesss copntrol）即介质访问控制协议，是 WSNs 网络通信协议的物 理层部分，以解决 WSNs 网络节点以怎样的规则共享媒体才能获取满意的网络性能7。通常 对
8、于 MAC 层协议的研究依次从节省能量、可扩展性、公平性、实时性、网络吞吐量以及信 道利用率等几个方面考虑协议的性能。而节省能量成为传感器网络首先考虑的问题8。无线 传感网络的 MAC 协议的主要功能是管理好无线网络的信道，进而直接关系整个网络的能量55消耗。无线通道的管理对于无线传感网络的基础，也解决能耗问题的重要手段。下面我们就 注重接受典型的 MAC 协议如何来提高能量的利用率。从图 3 可以知道在整个图形可以清楚 的看到再整网络中传感节点的大部分能量都消耗在无线通信模块方面5,9。于是无线传感网 络的 MAC 算法中大部分多采用睡眠机制来降低功耗。而且无线通信的能耗和通信的距离的E =
9、 k d n关系为5：60大。其中 d 为传输距离，,2n竞争信 道的时间+RTS 分组的时间+CTS 准备时间。85图 4 给出 S-MAC 和 T-MAC 之间工作机制。T-MAC 协议动态的安排睡眠时间节省了能 耗；但是由于网络中不对称通信模式的存在，早睡问题就出现在 T-MAC 协议；解决早睡问题问题的方法有两种，提前通知机制和慢缓存优先法4文献23做了也做了相关的改进。图 4 S-MAC 和 T-MAC 工作机制的对比90Fig 4 Comparison of S-MAC and T-MAC951001051101.1.2分配类的 MAC 协议基于竞争机制的 MAC 协议可以最大化的
10、利用好无线信道的，但是当无线传感网络中的 传感节点很多时。传感节点之间竞争信道就会很激烈，会引起大量数据的碰撞，从而引起丢 包和重传，这样就会大大加重 WSNs 网络能耗。为了解决该问题，信道分配协议孕育而生。 分配型的 MAC 协议，规划出各个节点的发送和接受时间，很好解决了竞争 MAC 协议的数 据碰撞等问题。DMAC 协议24是一种层间交错调度机制，采用树形拓扑结构的来处理数据在网络中的 传输，子节点的发送时期对应父亲节点的接收时期。在整条通信路径上，数据包在传输上由 于采用父节点和子节点的传输接收时序的交错，,很好的解决了早睡问题, 很好的解决了网络 时延而造成的能效消耗问题，图 5
11、给出了 DMAC 协议个交错机制。同时 DMAC 协议还采用 数据预测机制、MTS 分组机制来达到其效果。当数据量较大时，网络层次很多时，网络数 据的传输就会很繁杂，而且要真正实现 DMAC 协议，还有很多的有很多缺陷，而且协议的 许多细节需要做深入的研究，对此文献25对 DMAC 协议进行改进和研究。图 5 DMAC 协议的交错机制Fig.5 The mechanism of DMAC protocolGWMAC 协议4是针对简单的星形拓扑结构的无线传感网络而提出的 MAC 协议。该 协议已经成为结构简单的星型结构重要 MAC 协议。该协议采用大部分时间睡眠，时间较短 通信的机制来降低功耗4
12、。TRAMA26 采用自适应的算法，让不相关的节点进入睡眠状态，从而达到降低整个网115120125130135络功耗的效果。TRAMA 协议把时间分为随机访问和调度访问，图 6 给出其时间划分。TRAMA 协议将时间划分为连续时隙，网络节点根据两跳内的邻居节点信息，采用分布选 举机制确定每个时隙的无冲突发送的每一个间隙。根据数据数据流量，将时隙分配给没有流 量的节点，并让其他无关的传感节点处于睡眠状态达从而达到节省功耗。随机访问周期和调 度访问周期的时隙个数根据具体实际应用情况而定。TRAMA 协议根据具体节点的网络数据 量大小，动态的设计节点活动和休眠时间，避免了无数据发送的节点占用时隙，
13、有效地提高 了传感节点能源的利用率，但是 TRAMA 协议算法复杂，实现不易、且计算和通信开销较 大。文献27就 TRAMA 协议的这些缺点提出了邻节点时间安排的多址接入协议。图 6 TRAMA 协议的时间划分Fig. 6 The time division of TRAMA protocol1.1.3综合性的 MAC 协议Z Z-MAC28是通过结合竞争机制和分配机制相结合占用信道的的 MAC 协议。当无线 传感网络的负担较小时，采用竞争机制，充分利用无线信道；当网络复杂、节点交多时才采 用信道分配的方法，用以解决竞争机制产生的数据碰撞等为题。然而这样以来就会造成协议 复杂，不易实现。除此之
14、外文献29提出基于预约和竞争相结合的协议。MAC 协议以竞争、分配机制或两者相结合的方式对 WSNs 中无线通道进行管理。每一 种典型的 MAC 协议基本都对能量消耗问题提出了相应的考虑。表 1 从能量利用率、降低功 耗的主要机制、网络性能等方面对上面介绍的 MAC 协议进行的对比。由此看出每个协议都 有其自身的优缺点。所以对不同应用场合、不同规模、不同侧重点的 WSNs 可采取相适应 的 MAC 协议，或是改进相关的协议。表 1 典型的 MAC 协议的对比主要机制吞吐量网络规模问题周期性活动与休眠动态调整占空比 树形结构的交错机制一般好 好小型小型 大型能耗较大、网路延时大早睡问题 父节点早
15、睡Tab. 1 Comparison of the typical MAC protocolMAC 名 称能量利用 率S-MAC 一般 T-MAC 较好 DMAC较好GWMAC 较好 长时间的睡眠和短时的活动 差 小型网络 信道利用率低 TRAMA 较好 自适应算法 好 大型时钟同步要求高 Z-MAC较好 竞争与分配相结合好大型算法较复杂1401.2路由协议的节能设计路由协议及将数据从传感节点传输到目的节点或基站的传输路径方案。路由协议也是降 低整个 WSNs 的能耗，提高无线传感网络的使用寿命的关键手段之一。在设计路由协议时，精品论文最佳路径是其设计的重要考量，但是能量问题是其重要考虑的因素
16、。无线传感网络的路由协议可分为数据中心的路由协议、层次、地理信息型等几种协议。下面就各种典型的路由协议 如何考虑能耗问题，做进一步的探讨。1451501551601651701.2.1数据为中心的路由协议SPIN30：是以防洪协议的缺陷（内爆和重叠），而设计的改进路由协议；该协议通过 节点之间的协商制度及资源自适应机制，有效的解决了传统协议的能量消耗过高、通信质量 过低等问题。 SPIN 协议有 ADV、REQ 和 DATA 三种类型的数据包。ADV 用于消息广播， REQ 用于数据发送请求，DATA 为数据包。SPIN 协议解决了传统协议的内爆和数据的重叠 问题，通过与邻居节点的协商，很好的
17、节省节点及整个无线传感网络的能量，但是 SPIN 还 是通过向整个无线传感网络广播完成传输的路由协议，其能量和时间的开销任然还很大。DD（定向扩散路由协议）31 ：是数据为中心并基于用户端兴趣为基础的查询路由算 法。图 7 给出了其定向扩散的工作过程，其分为兴趣扩散、梯度建立、路径加强三步。在该 协议通过路径加强机制可以很有效的提高数据传输速率，而且周期型的路由可以很好的均衡 整个网络的能耗，提高了整个网络的使用寿命，防止个别节点的由于能耗过高而造成的早死。 但是 DD 协议周期型的泛洪也会带来能量和时间开销的过大。于是 Boulis 等人在 DD 路由的 基础上提出谣传路由算法即:RR32。
18、谣传路由(rumor routing)是 DD 协议的一个改进路由协 议。通过单播随机转发机制降低功耗。该协议基于欧氏平面图上任意两条曲线交叉几率很大 的思想，即当传感节点将感知到数据保存本地存储空间中，将其按一条或多条随机路径在网 络中转发。图 7 定向扩散的工作过程Fig .7directional diffusion process1.2.2层次型的路由协议 层次路由协议是将网络中的传感节点按照特定的方式分为若干簇，每个簇都有簇头对本簇进行管理，其中簇头不仅对本簇进行管理而且要对数据进行融合。典型的层次路由协议有LENCH、APTENEN 等，下面就从能量的角度来说明，这些协议是通过哪些
19、方式来降低功 耗的。LEACH33:适用于层次性的 WSNs，采用以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络 的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存 时间。图 8 给出 LEACH 网络的结构图。每个节点在0,1之间的选择一个随机数，如果这个 值小于给定的触发值，那它就成为簇头，计算公示为：175T(n) =kN k rkmod(n)如n G0其他情况180185其中 N 为节点数，k 为网络中的簇头数，r 为 完成的回合数，G 为整个网络生存周期的回合数。LEACH 协议的工作周期分为簇头建立、数据传输两个步骤。 LEACH 路由协议优 化了网络数据传
20、输的质量、拓扑结构，而且网络的规模也相应的提高。但是 LEACH 路由协 议无法保证簇头节点能遍及整个网络，每个节点多能加入簇群。而 APTENEN 是 LEACH 协议改进协议，其加入硬软件的阀值，采用主动和响应两种 类型的数据传输模式。 通过阀值促动，来传输数据。但是数据低于阀值时，会出现无结果 的现象。BaseStation图 8 LEACH 的网络示意图Fig.8 The structure of LEACH1901951.2.3地理信息型的路由协议随随着无线传感网络的发展，对节点本省信息的也提出了相应的要求（如节点的位置信 息、能量信息等）。其中要求无线传感节点知道自己的地理信息最为
21、典型，地理信息路由协 议就是解决这些问题的路由协议，其中典型的协议有 GEAR 和 GPSR 等。GEAR34:利用位置信息向某一个特定的区域广播数据查询请求，根据位置信息和节点 能量剩余情况，将数据传输到汇聚节点。其前提是节点知道自己的位置信息和剩余能量，该 路由协议是采用选着能量最小代价的路径。GEAR 协议考虑了能量问题，能够达到路径的局 部最优化，但是会出现空洞问题，不适用于移动型的无线传感网络。200表 2 各种路由协议的对比Tab.2 Comparison of the typical routing protocol路由协议名称能量利用率主要机制数据发送方式网络主要问题 结构SP
22、IN较好与邻居的协商连续平面数据盲点 无法保证簇头节点能遍整个LEACH较好随机选取簇头连续层次网络APTENEN较好阀值触发连续层次低于阀值出现无结果现象DD较差信息查询路径加强查询驱动平面洪泛机制，能耗大 网络变化大，则网络性能会下RR较好单播随机转发查询驱动平面降GEAR较好最小能耗路径查询驱动平面空洞问题2052102151.3数据融合处理的节能设计由于大量冗余信息是存在与无线传感网络，这势必造成大量能量的浪费35。同时，还 会降低数据的采集和数据的有效性。数据融合技术，就是将数据采用的一定的技术去除冗余 信息，数据量变小、方便查询和传输，最后将有效的数据传输给用户。诚然，数据融合技术
23、 对于 WSNs 能量方面来说也是非常重要的36。可以从数据源之间的关系，数据融合技术可 以分为互补数据融合、冗余数据融合和协作数据融合。传统的无线传感网络的数据融合算法（平均值、最大值、最小值等）已经远远不能满足 用户的需求。随着无线传感网络的感知的数据越来越大，数据融合出现了新的算法。文献37 提出了一种 MAX-MIN 蚂蚁系统算法和自适应蚁群系统算法相结合的 MST 的 WSNs 数据融 合算法；文献38提出了采用两次估值多传感器观测值数据融合的算法；文献39采用分批估 计、自适应加权和方差估计算法对数据进行融合。2基于硬件的能量控制方法对于无线传感网络来说能量的获取是非常重要的，下面
24、介绍目前无线传感网络各种能量 获取方式，并加以比较。目前提供给 WSNs 的电池类型有锌锰碱性电池、镍镉充电电池、镍氢电池、聚合物锂 电池和锂离子电池。这些电池中各有优缺点，适应于不同的场合。表 3 对各种电池的性能进 行了对比。表 3 电池参数的比较Tab. 3 The comparison Cell对比参数 锌锰碱性电池 镍镉电池 镍氢电池聚合物锂电池锂离子电池提供电压 1.5 1.2 1.2 37 3.7一般能否充电 否 可以 可以 可以 可以优点结构简单、价格便 宜循环寿命 长电容量高、充电时 间短无电池漏液、容量 大重量轻，容量 大220缺点 内阻较大有记忆效 应能量密度低 价格昂贵
25、 价格贵除了传统的电池之外，太阳能、风能、热能、机械震动能也都成为了传感网络能量的重要来源。图 9 给出了常见无线传感网络中其他形式的能源转化为电能的示意图。225230图 9 太阳能转化示意图Fig.9 The diagram of solar energy conversion太阳能作为一种清洁高效的能源，在无线传感网络得到了很好的应用40, 41。太阳能作 为传感网络的能量获取方法，其关键问题是如何将太阳能转化为电能，同时还要实时检测充 电电压和充电电流，避免因过充而导致电池永损坏；此外还需要设计电池放电保护电路，对 放电电压进行实时监测，防止过放电导致电池损坏。风能作为自然常见的自然界
26、常见的能量之一，如何将这这种能源应用于 WSNs42-46,其精品论文中风能的功率计算公示为：P = 12AV 2P = 12AV 3235240245250255260其中为空气密度、A 为迎风面、V 为风速。许多研究者对此做了很多的研究，文献47将风能作为 WSNs 的供电能源做了一些尝试。热能也可以为 WSNs 提供能量48，尤其是地热能也可以作为传感网络能量获取的能源。 Nextreme Thermal Solutions 公司与 APEI（阿肯色国际电力电子公司）共同开发了一款用于 无线传感器网络的热能采集系统，该采集器将通过热量驱动无线传感器网络对引擎进行探 测、诊断和问题预报49
27、。随着电子技术的发展，将自然界的机械能（震动等）转化为电能成为可能。文献50应 用压电材料 PZT-5A、LTC3588-1 压电能量模块，实现了无线传感器节点模块供电。AdaptivEnergy 公司采用 Joule-Thief 技术能够收集交通工具经过大桥时产生的振动能 量，然后将桥梁上所有传感器的数据发送到收集点，在此进行分析，以监控结构牢固性。 Joule-Thief 驱动的无线传感器可在无需维护的情况下全年运行，收集并发送重要信息，帮助保护大桥、楼宇、车辆以及机械设备中的生命并节约其成本51。 除了上面讲到的这些可以为无线传感网络供电的能源除外，可以将电磁能、潮汐能、声波等能量转化可
28、以供 WSNs 使用的电能。这些能量获取的手段都受到自身或是自然条件的 限制，所以在选着是要根据网路的应用的具体环境加以取舍。采用低功耗的处理芯片、通信芯片、传感器、电子器件也是解决能量问题的手段。在在 整个 WNSs 系统的设计时还要根据应用的特殊的情况提出与之相适应的低功耗的 WSNSs 系 统3结论能量问题一直以来是无线传感网络关键问题之一,降低 WSNs 的能耗，提高能量的利用 效率是 WSNs 研究者所面临的以综合问题。本文从算法层面、能量获取等方面出发，探讨 了典型的 MAC 协议、路由算法是如何考虑降低功耗，而且总结传感网络能量获取的方式。 显然，当前无线传感网络如何处理能量问题
29、还存在一些不足。因此在设计无线传感网络时不 仅要从 MAC 协议、路由算法角度出发，还要根据传感网络应用的场合从能量的获取的手段、 软硬件的设计等多个综合方面考虑。正对不同的应用环境，需要采用不同的 MAC 和路由协 议，甚至要修改其协议适应不同的场合。参考文献 (References)2652701 Pottie G J, Kaiser W J. Wireless integrated network sensorsJ. Communications of the ACM. 2000, 43(5):51-59.2 Yick J, Mukherjee B, Ghosal D. Wireless
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