一种新型节能无线传感节点的设计与组网

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1、文章编号:1674-7070(2011)05-0391-07一种新型节能无线传感节点的设计与组网1111孙行行卢伟钱宇宁严如强摘要0引言设计了一种节能无线传感节点．该设计在智能节点的平台上，完成一个小随着系统微型化以及传感器技术、无线通信技术和片上信号处型无线传感网络的搭建，实现“节点级节理技术的发展，廉价、低功耗的智能无线传感器的制造已经成为现能”和“网络级节能”，从2个方面同时节约能耗，达到较好的节能目标．节点节能实，并在发展中不断得到优化．无线传感网络(wirelesssensornet-是通过传感节点的射频功率自适应来实

2、works)是一种分布式的测量系统，它由大量地理上分散的测量单元组现的，节点可以自动选取最小必要发射成．每一个测量单元都是一个低功耗的设备，其上集成了传感、数据功率，在保证可靠通信的基础上实现发射功率最小;而网络节能则是通过估计处理和无线通信等模块．这些测量单元从周围环境中感知相应参数，星型网络和分簇网络2种结构下网络通经过本地处理，发送给对应的数据收集点或者基站，进行进一步的数信的耗能，然后选取耗能较小的结构形［1-5］据汇集和处理．式来实现的．通过仿真和实验测试，证明这种节点和由这些节点构成的网络能够无线传感技术在环境监测中

3、得到了广泛的应用，包括工业生产、顺利实现节点发射功率自适应和组网结农业生产以及自然环境的监测等，因为无线传感网络具有自组织、微构自适应，达到了较好的节能效果．型化和感知环境的特点，并且可以在恶劣环境下进行长时间的数据关键词无线传感器网络;节能;发射功率自收集．近些年来，无线传感网技术在现实生活中的应用越来越广泛，适应;组网方式自适应并且呈现出迅猛增长的趋势．然而，当网络越来越大，需要监测的周期越来越长，这项技术的发展遇到了瓶颈———能量消耗，尽管电池可中图分类号TP393文献标志码A以通过太阳能或者其他的手段充电，但它仍然限制了

4、无线传感网技［6-9］术的发展．［10］传感器网络的节点设置具有随机性，只能确定网络的总体尺寸，在测量区域内，节点分布是随机的，因此无法确定某一个节点距离基站或者数据收集点的距离．无线通信功率与通信距离具有以下关系式:αPT=(εamp·R)d．(1)式中，PT(T—transmission，发射)表示发射功率，εamp(amp—amplifier，放大器)是功率放大器为满足最小误码率的一个增益因子，R表示数收稿日期2010-08-27据发送速率，d表示节点与通信目的地之间的距离，α与通信环境有资助项目教育部新世纪优秀人才支持计

5、划项目(NCET-09-0297)关，通常取2～5．在之前的研究设计中，总是优先考虑通信的可靠性，作者简介因此在设定节点的通信发射功率时，以与数据收集点的最远距离进孙行行，男，硕士生，研究方向为无线传感［11］行计算，即所有的节点发射功率均为器网络及其应用．hanghangsun@gmail．com严如强(通信作者)，男，教授，博士生导αPT=(εamp·R)dmax．(2)师，研究方向为制造系统、制造过程监测与诊断，无线传感器网络，生物医学信号处理．其中，dmax表示节点与通信目的地之间的最大距离．这样，对于那些距ruqian

6、g@seu．edu．cn离数据收集点或基站较近的节点来说，通信耗能一直处于溢出状态．随着网络尺寸的不断变大和节点数目的不断增加，被耗费的能量十1东南大学仪器科学与工程学院，南京，210096分巨大．从这个方面考虑，影响传感节点寿命的不仅包括电池的寿孙行行，等．一种新型节能无线传感节点的设计与组网．392SUNHanghang，etal．Designandimplementationofanewenergy-efficientwirelesssensornode．［12］命，更重要的是这种能量的浪费．给出了将这种结构应用到温室大棚

7、管理平台上的基于上文提出的这些问题，为了延长无线传感示意．器网络的寿命，降低能耗必然是一个十分重要的方面．有鉴于此，本文设计了一种无线传感节点，它能够通过动态调节发射功率来实现节能，同时还能根据网络中节点的分布自动调整组网方式，实现整个网络的节能．本文的第1部分将给出“节点级节能”和“网络级节能”的基本理论;第2部分详细介绍传感器节点的电路设计;为了实现网络的组建和通信，通信流程将在第3部分给出;第4部分给出实际测试的情况图2用于大棚监控的结构2组网方式Fig．2Structure2usedingreenhousemonitor

8、ing和实验数据;第5部分给出本文的结论和设计中有待改进的地方．这2种结构将在组网过程中被选择，网络级的1节能策略概述节能正是通过这2种组网结构的切换来实现的，而切换的依据是网络整体的能量消耗．为了得到这个本文将要实现的节能策略包括2个部分:节点级的节能和网络级