CN101932086A - 一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制，属于无线传感器网络应用技术领域。该机制对传感器节点的动态能量管理策略进行了扩展，在休眠状态中增加了一个融合动态电压调节的低电压工作状态。当事件发生的时间间隔不能满足优化后的进入休眠状态的时间门限时，通过降低处理器工作电压来达到降低功耗的目的。本发明可以有效降低基于多跳路由方式的无线传感器网络中的能量消耗，延长传感器网络寿命。

Description

一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制

技术领域

本发明涉及无线传感器网络应用技术领域，特别涉及一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制。

背景技术

无线传感器网络融合了传感器、无线通信、嵌入式计算、微型机电系统和信息处理等技术，通过传感器节点协作地感知、采集、处理和传输监控区域中感知对象的信息，完成对目标区域进行监控的目的。无线传感器网络与传统的网络不同，它的节点数目更为庞大(上千甚至上万)，通常密集分布在恶劣的环境或无人区域，网络中存在大量重复覆盖的冗余节点，这些冗余节点的监控区域相同，当出现部分节点坏死时利用这些冗余节点来保证网络的连通性和可靠性。并且由于受到硬件条件的限制，传感器网络节点一般由电池供电，基于目前电池容量和能量补充设备的限制以及人工更换电池的不可操作性，能量有限成为制约无线传感器网络发展的最大瓶颈，因此无线传感器网络的首要设计目标是能量的高效利用。

为了取得令人满意的网络寿命，研究人员在许多方面致力于减少传感器网络的能耗，例如硬件设计、网络协议、数据处理、操作系统等。一旦整个系统的设计确定了，额外的能量节省可以通过采用动态电压调节和动态能量管理的方法来获得。动态电压调节技术通过降低处理器的工作电压来降低节点功耗。这个方法的原理是处理器的功耗可近似用公式P＝CV_dd ²f_c表示，其中P表示处理器功耗，C表示电路中的电容，V_dd表示工作电压，f_c表示时钟频率。处理器的工作电压和工作频率成正比关系，降低处理器的工作电压增加了事件处理时间，减少了节点的能耗。

动态能量管理通过关闭没有事件发生的传感器节点来有效降低系统的功耗。这个方法的原理是将传感器节点分成四个单元，分别是存储单元，处理单元，传输单元和感知单元，让当前不需要的单元进入休眠状态，当需要再次使用的时候再将其唤醒。这四个单元可以分别处于不同的状态，节点的每个休眠状态是这些独立单元不同状态的特定组合。节点的休眠状态越深，能耗就越小，但同时唤醒延时就越大。在目前所提出的传感器节点休眠状态中，在最深度休眠状态下传感器节点无法感知到事件，处于“假死”状态，只能通过内部时钟定时器唤醒，若此时有事件发生将会造成事件丢失，降低了传感器网络的可靠性。因为在传感器网络中存在大量监测区域相同的冗余节点，利用节点定位技术通过节点的地理位置来判断哪些节点是冗余节点，只让这些冗余节点进入最深度休眠状态，而让其余节点处于浅度休眠状态则可以避免感知事件丢失。

虽然这种动态能量管理方法看起来能够有效的降低节点功耗，但是需要注意的是打开或关闭某个节点单元需要消耗额外的能量，如果盲目的在每个空闲时隙都让传感器节点进入休眠状态，过一段时间后会比让节点一直保持在工作状态更加消耗能量。

一些论文针对这个问题提出的解决方法是设定一个时间门限T_th，k，

$T_{\mathrm{th},k}=\frac{1}{2}({\mathrm{\τ}}_{d,k}-{\mathrm{\τ}}_{u,k})+\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{k,0}}{P_0-P_k}$

其中T_th，k表示进入S_k休眠状态的门限时间，P₀和P_k分别表示S₀和S_k状态下节点的功耗；τ_d，k表示节点从S₀状态进入S_k休眠状态的延时；τ_u，k表示节点从S_k休眠状态进入S₀状态的唤醒延时；ΔE_k，0表示在S_k休眠状态下唤醒节点所需额外消耗能量。

只有当所预测的节点发生事件的时间间隔大于T_th，k时，节点才进入某个低功耗休眠状态。但是如果事件发生的时间间隔过小，无法满足休眠阈值，节点将一直处于高功耗的工作状态，这在减少能耗方面是没有效果的。目前关于进入休眠状态的时间门限计算公式并不完善，如果事件发生间隔刚好等于进入某个休眠状态的门限值，那么进入该休眠状态后所节省的能量将会是0，此时进入更浅度的休眠状态会更加节省能量。此外单纯的采用动态电压调节方法只能降低处理器的能耗，不能有效降低整个节点能耗。因此需要一种更高效的无线传感器网络节点休眠机制来降低传感器节点功耗，延长网络寿命。

发明内容

为了解决当事件发生的时间间隔过小，节点将一直出于工作状态的问题，本发明提出了一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制。当事件发生的时间间隔不能满足优化后的进入休眠状态的时间门限时，通过降低处理器工作电压来达到降低功耗的目的。在本发明所述的休眠机制中对当前的传感器节点休眠状态进行扩展，不同的休眠状态如下表1所示，其中S₁状态为本发明所述的新增状态。所述休眠机制包括以下步骤：

步骤1：当传感器节点感知到事件后，基于事件发生的概率预测下一事件发生的时间；

步骤2：判断其自身是否是冗余节点，如果是，则执行步骤3；否则，执行步骤6；

步骤3：所述当前感知到事件的节点向和它感知区域相同的其余冗余节点发送查询消息，判断它们是否都处于S₅状态，如果是，则执行步骤5；否则，执行步骤4；

步骤4：所述当前感知到事件的节点向未处于S₅状态的冗余节点发送指令，采用轮流的方式指定某一个冗余节点接收所预测的下一事件发生时间，同时指定其余冗余节点进入S₅状态5其自身也进入S₅状态；

步骤5：处于S₅状态的冗余节点休眠系统设定的时间T后，由节点内部定时器唤醒，只打开节点传输单元，等待接收步骤3中所述的查询消息，所述拥有下一事件发生时间的冗余节点执行步骤6；

步骤6：依次比较距下一事件发生的时间间隔与进入S₄、S₃和S₂休眠状态的门限时间，如果时间间隔大于该休眠状态的门限时间，则执行步骤7；否则执行步骤8；

步骤7：传感器节点进入S₀状态，处理当前事件，处理完毕后进入相应的休眠状态，跳至步骤9；

步骤8：传感器节点进入S₁低电压状态，此状态下采用动态电压调节技术，降低处理单元的工作电压，以低电压和低功耗的方式处理当前事件，将事件处理时间延长至下一事件发生前；从而在保证不影响下一事件处理的前提下达到进一步节约能耗的目的。

步骤9：本轮休眠过程结束。

所述不同的休眠状态如下表1所示。

表1  传感器节点休眠状态

状态	处理器	内存	感知	传输
					S0	工作	工作	打开	发射\接收
S1	低电压	工作	打开	发射\接收
					S2	空闲	休眠	打开	接收
S3	休眠	休眠	打开	接收
					S4	休眠	休眠	打开	关闭
S5	休眠	休眠	关闭	关闭

所述进入S₃休眠状态的门限时间是：

$T_{\mathrm{th},3}=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{2,0}}-{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{3,0}}}{P_3-P_2}-\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,2}-{\mathrm{\τ}}_{u,2})(P_2-P_0)}{2(P_3-P_2)}+\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,3}-{\mathrm{\τ}}_{u,3})(P_3-P_0)}{2(P_3-P_2)}$

所述进入S₄休眠状态的门限时间是：

$T_{\mathrm{th},4}=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{3,0}}-{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{4,0}}}{P_4-P_3}-\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,3}-{\mathrm{\τ}}_{u,3})(P_3-P_0)}{2(P_4-P_3)}+\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,4}-{\mathrm{\τ}}_{u,4})(P_4-P_0)}{2(P_4-P_3)}$

其中P₀、P₂、P₃、P₄分别表示S₀、S₂、S₃、S₄状态下节点的功耗；τ_d，2、τ_d，3、τ_d，4分别表示节点从S₀状态进入S₂、S₃、S₄休眠状态的延时；τ_u，2、τ_u，3、τ_u，4分别表示节点从S₂、S₃、S₄休眠状态进入S₀状态的唤醒延时；ΔE_2，0、ΔE_3，0、ΔE_4，0分别表示在S₂、S₃、S₄状态下唤醒节点所需额外消耗能量。

本发明提供的休眠机制的有益效果是：

1.通过动态电压调节技术，避免了当事件发生的时间间隔过小，无法满足休眠阈值时，节点将一直处于高功耗工作状态的问题。从而有效降低了传感器节点的功耗，提高了传感器网络的寿命。此外将事件处理时间延长至下一事件到达前，不会造成事件的丢失和阻塞。

2.通过优化进入休眠状态的时间门限计算公式，避免了在休眠状态下节省能量为0的问题，进一步降低了传感器节点的功耗，提高了能量利用率。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制的流程图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例1的一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制的流程图。图1中，本发明的实现过程包括如下步骤：

步骤101.某个传感器节点感知到事件后，基于事件发生的概率预测下一事件发生的时间。

步骤102.判断其自身是否是重复覆盖的冗余节点，如果是，执行步骤103；否则，跳至步骤106。

步骤103：所述当前感知到事件的节点向和它感知区域相同的其余冗余节点发送查询消息。

步骤104：判断这些冗余节点是否都处于S₅状态。如果是，跳至步骤106；否则，执行步骤105。

步骤105：向未处于S₅状态的冗余节点发送指令，采用轮流的方式指定某一个冗余节点接收所预测的下一事件发生时间，其余冗余节点进入S₅状态，其自身也进入S₅状态。休眠时间由系统定义的时间T决定。

步骤106.拥有下一事件发生时间的节点判断距下一事件发生的时间间隔是否大于进入S₄休眠状态的门限时间。如果是，执行步骤107；否则跳至步骤109。

步骤107：该节点进入S₀状态处理当前事件。

步骤108：处理完毕后进入S₄休眠状态。休眠流程结束。

步骤109.拥有下一事件发生时间的节点判断距下一事件发生的时间间隔是否大于进入S₃休眠状态的门限时间。如果是，执行步骤110；否则跳至步骤112。

步骤110：该节点进入S₀状态处理当前事件。

步骤111：处理完毕后进入S₃休眠状态。休眠流程结束。

步骤112：拥有下一事件发生时间的节点判断距下一事件发生的时间间隔是否大于进入S₂休眠状态的门限时间。如果是，执行步骤113；否则跳至步骤115。

步骤113：该节点进入S₀状态处理当前事件。

步骤114：处理完毕后进入S₂休眠状态。休眠流程结束。

步骤115：该节点进入S₁低电压状态，采用动态电压调节技术，降低处理单元的工作电压，以低电压低功耗的方式处理当前事件，将事件的处理时间延长至下一事件发生的时间前，不影响下一事件的处理。休眠流程结束。

当节点进入休眠状态后可以重复上述步骤开始新一轮的休眠过程。

本发明通过动态电压调节技术，避免了当事件发生的时间间隔过小，无法满足休眠阈值时，节点将一直处于高功耗工作状态的问题。从而有效的降低了传感器节点功耗，提高了传感器网络寿命。通过优化进入休眠状态的时间门限计算公式，避免了在休眠状态下节省能量为0的问题，进一步降低了传感器节点的功耗，提高了能量利用率。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，并不用以限制本发明，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制，其特征是在传统的传感器节点休眠状态中增加S₁低电压状态，当事件发生的时间间隔不能满足进入休眠状态的阈值时，传感器节点进入S₁状态，采用动态电压调节技术降低处理单元的工作电压，以低电压低功耗的方式处理当前事件，将事件处理时间延长至下一事件发生之前。

2.一种融合动态电压调节和动态能量管理的传感器休眠机制，其特征是所述进入S₃和S₄休眠状态的门限时间分别是：

$T_{\mathrm{th},3}=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{2,0}}-{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{3,0}}}{P_3-P_2}-\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,2}-{\mathrm{\τ}}_{u,2})(P_2-P_0)}{2(P_3-P_2)}+\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,3}-{\mathrm{\τ}}_{u,3})(P_3-P_0)}{2(P_3-P_2)}$

$T_{\mathrm{th},4}=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{3,0}}-{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{4,0}}}{P_4-P_3}-\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,3}-{\mathrm{\τ}}_{u,3})(P_3-P_0)}{2(P_4-P_3)}+\frac{({\mathrm{\τ}}_{d,4}-{\mathrm{\τ}}_{u,4})(P_4-P_0)}{2(P_4-P_3)}$

其中P₀、P₂、P₃、P₄分别表示S₀、S₂、S₃、S₄状态下节点的功耗；τ_d，2、τ_d，3、τ_d，4分别表示节点从S₀状态进入S₂、S₃、S₄休眠状态的延时；τ_u，2、τ_u，3、τ_u，4分别表示节点从S₂、S₃、S₄休眠状态进入S₀状态的唤醒延时；ΔE_2，0、ΔE_3，0、ΔE_4，0分别表示在S₂、S₃、S₄状态下唤醒节点所需额外消耗的能量。

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