IPv6無線傳感器網絡節(jié)點——電子科技大學

1、IPv6無線傳感器網絡節(jié)點無線傳感器網絡節(jié)點電子科技大學電子科技大學 汪文勇汪文勇項目背景項目背景n 國家項目支持國家項目支持 中國下一代互聯(lián)網示范工程中國下一代互聯(lián)網示范工程CNGI 2005年研究開發(fā)、產業(yè)化及應用試驗項目年研究開發(fā)、產業(yè)化及應用試驗項目 信息產業(yè)部信息產業(yè)部2006年年“電子信息產業(yè)發(fā)展基金電子信息產業(yè)發(fā)展基金” 項目目標項目目標n 總體指標總體指標研究研究WSN節(jié)點的系統(tǒng)組成結構、網絡協(xié)議、數據匯聚等關鍵技術。節(jié)點的系統(tǒng)組成結構、網絡協(xié)議、數據匯聚等關鍵技術。提供不少于提供不少于30個無線傳感器網絡節(jié)點，完成在個無線傳感器網絡節(jié)點，完成在CNGI上的試驗和應用。上的試驗

2、和應用。推動推動WSN技術產業(yè)化。技術產業(yè)化。n 核心處理器核心處理器CPU字長：字長：8bitCPU工作時鐘：工作時鐘：4 MHz片內片內RAM：4KBytes ；片內；片內ROM：128K13bits芯片低功耗：工作模式峰值芯片低功耗：工作模式峰值 10mW，休眠模式峰值，休眠模式峰值 2mWn 節(jié)點節(jié)點n 節(jié)點支持節(jié)點支持IPv6協(xié)議協(xié)議n 功耗：發(fā)送模式峰值功耗：發(fā)送模式峰值 50mW，接收模式峰值，接收模式峰值 25mW，休眠模式峰值，休眠模式峰值 15mW工作內容工作內容n研究實現(xiàn)研究實現(xiàn)WSN節(jié)點的節(jié)點的6個關鍵技術構件：個關鍵技術構件：自主知識產權的節(jié)點自主知識產權的節(jié)點數據獲

3、取單元接口數據獲取單元接口自主知識產權的自主知識產權的核心處理器芯片核心處理器芯片自主知識產權的自主知識產權的嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)無線通信物理層和數據鏈路層無線通信物理層和數據鏈路層組網路由技術組網路由技術數據處理技術數據處理技術網絡體系結構網絡體系結構n無線傳感器網絡節(jié)點以自組織形式構成多跳中繼的分級結構網絡無線傳感器網絡節(jié)點以自組織形式構成多跳中繼的分級結構網絡節(jié)點功能結構節(jié)點功能結構n節(jié)點結構節(jié)點結構電源電源數據獲取單元數據獲取單元DAU數據處理單元數據處理單元DPU數據發(fā)送和接收單元數據發(fā)送和接收單元DSRU數據獲取單元接口數據獲取單元接口nADC器件器件 8位位SAR（逐次比

4、較）型（逐次比較）型 采樣速率最高可達采樣速率最高可達2MSPS 模擬電壓輸入：模擬電壓輸入：02.7V 多路輸入切換開關多路輸入切換開關 n TaraxCore：自主設計與實現(xiàn)：自主設計與實現(xiàn)n 0.18um CMOS工藝，由中芯國際流片工藝，由中芯國際流片n 性能指標性能指標字長：字長：8bitsRAM：4KBytesROM：128K13bits功耗：功耗： 工作模式峰值工作模式峰值10mW 休眠模式峰值休眠模式峰值2mW工作頻率：工作頻率：4MHz工作電壓：工作電壓：2.0V3.6V端口：端口：56個雙向三態(tài)個雙向三態(tài)I/O端口，支持喚醒休眠和觸發(fā)中斷功能端口，支持喚醒休眠和觸發(fā)中斷功能

5、堆棧：堆棧：64級堆棧，可支持級堆棧，可支持64級調用級調用時鐘：獨立時鐘源的時鐘：獨立時鐘源的Watchdog計數器，可用于系統(tǒng)復位和休眠喚醒計數器，可用于系統(tǒng)復位和休眠喚醒定時：定時：8位帶預分頻器的定時計數單元位帶預分頻器的定時計數單元TCC，可以觸發(fā)中斷，可以觸發(fā)中斷核心處理器芯片核心處理器芯片TaraxCoreTaraxCore內部結構框圖內部結構框圖TaraxCore 裸片和封裝片裸片和封裝片105 pins QFPTarax Node現(xiàn)狀現(xiàn)狀n節(jié)點現(xiàn)狀節(jié)點現(xiàn)狀嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)TaraxOS 高度模塊化：由一系列組件模型組成高度模塊化：由一系列組件模型組成 靈活重用性：

6、應用程序通過連接配置文件，實現(xiàn)靈活重用性：應用程序通過連接配置文件，實現(xiàn)可重用組件連接可重用組件連接 基于事件驅動：實現(xiàn)節(jié)點工作狀態(tài)的切換基于事件驅動：實現(xiàn)節(jié)點工作狀態(tài)的切換 調度方式：調度方式：FIFO調度、優(yōu)先級調度調度、優(yōu)先級調度 提供類提供類C結構化語言編譯器結構化語言編譯器 內核代碼量小于內核代碼量小于10K Byte無線通信模塊無線通信模塊 采用采用IEEE 802.15.4標準。標準。 載波頻率載波頻率2.4GHz。 實際測試，無線通信模塊的最大通信距離為實際測試，無線通信模塊的最大通信距離為125m，最大，最大數據傳輸速率數據傳輸速率250Kbps。組網路由技術組網路由技術n路

7、由協(xié)議：改進的路由協(xié)議：改進的AODV自組織：支持網絡拓撲動態(tài)變化自組織：支持網絡拓撲動態(tài)變化負載均衡：支持多負載均衡：支持多sink點間的負載均衡點間的負載均衡單向鏈路識別：選路時自動避免選擇單向鏈路單向鏈路識別：選路時自動避免選擇單向鏈路算法效率高：計算量小，內存空間占用小算法效率高：計算量小，內存空間占用小廣播控制：一跳范圍內廣播，無需全網廣播廣播控制：一跳范圍內廣播，無需全網廣播 組網與路由技術組網與路由技術n 組網與路由技術組網與路由技術l完成完成AODV和和DD路由協(xié)議的設計，代碼編寫和仿真完路由協(xié)議的設計，代碼編寫和仿真完成，大規(guī)模組網實驗正在進行。成，大規(guī)模組網實驗正在進行。l

8、目標是實現(xiàn)至少三種路由協(xié)議。目標是實現(xiàn)至少三種路由協(xié)議。 組網路由技術組網路由技術n 路由總體上分成兩部分：路由總體上分成兩部分： 上行路徑：從信息采樣節(jié)點到信息匯聚節(jié)點上行路徑：從信息采樣節(jié)點到信息匯聚節(jié)點sink 下行路徑：從信息匯聚節(jié)點下行路徑：從信息匯聚節(jié)點sink到信息采樣節(jié)點到信息采樣節(jié)點上行路徑的建立上行路徑的建立12345有線網有線網/骨干網骨干網1. Sink節(jié)點向周圍廣播入網信息節(jié)點向周圍廣播入網信息2. 一跳鄰居范圍內的節(jié)點建立到一跳鄰居范圍內的節(jié)點建立到sink節(jié)點的路徑節(jié)點的路徑Sink節(jié)點節(jié)點采樣節(jié)點采樣節(jié)點3. 一跳鄰居節(jié)點廣播入網信息一跳鄰居節(jié)點廣播入網信息4.

9、 二跳鄰居節(jié)點建立到二跳鄰居節(jié)點建立到sink節(jié)點節(jié)點的路徑的路徑5. 按照這樣的規(guī)則，各點依次入按照這樣的規(guī)則，各點依次入網網6. 如果出現(xiàn)多如果出現(xiàn)多sink節(jié)點的情況，節(jié)點的情況，節(jié)點將就近接入自己臨近的節(jié)點將就近接入自己臨近的sink點，自動形成負載均衡點，自動形成負載均衡下行路徑的建立下行路徑的建立1234節(jié)點節(jié)點下一跳下一跳213243每個節(jié)點在向每個節(jié)點在向sink節(jié)點發(fā)送數據節(jié)點發(fā)送數據的時候，都把自己的下一跳節(jié)點的時候，都把自己的下一跳節(jié)點告訴告訴sink節(jié)點，這樣，節(jié)點，這樣，sink節(jié)點節(jié)點就能形成一個網絡的路徑表。就能形成一個網絡的路徑表。sink節(jié)點記錄的路徑表節(jié)點記

10、錄的路徑表形成路徑表以后，形成路徑表以后，sink節(jié)點就能節(jié)點就能計算到下行節(jié)點的路徑。計算到下行節(jié)點的路徑。需要發(fā)送下行幀的時候，需要發(fā)送下行幀的時候，sink節(jié)節(jié)點確定幀的整個路徑，采用源路點確定幀的整個路徑，采用源路由的方式進行發(fā)送。由的方式進行發(fā)送。組網與路由技術組網與路由技術n 組網與路由技術組網與路由技術 跨層能量成簇算法跨層能量成簇算法CLEECn Cross-Layer Energy Efficient Clustering (CLEEC) algorithmn 節(jié)點根據跨層最優(yōu)估計來確定節(jié)點簇首當選概率，節(jié)點根據跨層最優(yōu)估計來確定節(jié)點簇首當選概率，并從理論上計算此概率值并從理

11、論上計算此概率值n 采用分布式算法成簇，節(jié)點自主決定當選簇首的采用分布式算法成簇，節(jié)點自主決定當選簇首的概率，不需集中控制。概率，不需集中控制。 這種分布式算法非常適用這種分布式算法非常適用于無線傳感器網絡。于無線傳感器網絡。 n 算法目標就是盡力將能量消耗均攤在各個傳感器算法目標就是盡力將能量消耗均攤在各個傳感器之間，減少能量消耗過快而過早死亡的節(jié)點，從之間，減少能量消耗過快而過早死亡的節(jié)點，從而延長網絡生命周期。而延長網絡生命周期。 CLEEC場景場景n 該算法場景：傳感器節(jié)點異構，初始能量不同。該算法場景：傳感器節(jié)點異構，初始能量不同。 簇首節(jié)點比非簇首節(jié)點含有更多的能量。既每一簇首節(jié)點

12、比非簇首節(jié)點含有更多的能量。既每一個節(jié)點有不同的概率成為簇首，保證整個網絡中個節(jié)點有不同的概率成為簇首，保證整個網絡中所有的節(jié)點幾乎同時死亡。所有的節(jié)點幾乎同時死亡。CLEEC算法算法n 在每輪最開始時，每一個傳感器節(jié)點以概率在每輪最開始時，每一個傳感器節(jié)點以概率Pi選取自己為選取自己為簇首簇首CH。n 節(jié)點節(jié)點i以以Pi 的概率被選為的概率被選為CH節(jié)點，非節(jié)點，非CH節(jié)點概率則為節(jié)點概率則為1- Pi n 作為作為CH簇首節(jié)點簇首節(jié)點i在一輪傳輸中使用的能量在一輪傳輸中使用的能量n 作為非作為非CH節(jié)點節(jié)點i在一次傳輸中使用的能量在一次傳輸中使用的能量iCHEinon CHE 節(jié)點節(jié)點 i

13、在每輪中消耗的平均能量在每輪中消耗的平均能量 0(1)iiiiCHinon CHEPEP ER0iER節(jié)點的初始能量 網絡生命周期一共的輪數 CLEEC算法算法n 令令ECH 表示每輪中簇首消耗的平均能量，表示每輪中簇首消耗的平均能量，Enon-CH 表示每表示每輪非簇首節(jié)點的平均能量消耗，通過計算上式的數學期望輪非簇首節(jié)點的平均能量消耗，通過計算上式的數學期望值，我們得：值，我們得： 0(1)iiCHinon CHEPEP ER0()iiCHnon CHnon CHEP EEER0()inon CHiCHnon CHEERPEE0()inon CHiCHnon CHEERPEECLEEC網絡

14、消耗能量網絡消耗能量n 由上式我們可以看到，擁有高初始能量的傳感器節(jié)點具有由上式我們可以看到，擁有高初始能量的傳感器節(jié)點具有更高成為簇首的概率，這就使得擁有高能量的節(jié)點消耗更更高成為簇首的概率，這就使得擁有高能量的節(jié)點消耗更多的能量來保證網絡中所有的節(jié)點幾乎同時死亡。多的能量來保證網絡中所有的節(jié)點幾乎同時死亡。 n 整個網絡每輪消耗的能量可計算為：整個網絡每輪消耗的能量可計算為：4242(1) (2)() (2)roundCHnon CHelecDAmptoBSfstoCHelecDAmptoBSfstoCHNEk EEklNk ENEkdNkdlNENEkdNdCLEEC算法仿真算法仿真l實

15、驗結果實驗結果1100012501500175020002250250027503000020406080100Number of nodes aliveTime (Round) LEACH DCHS DEECCLEEC網絡運行時期節(jié)點存活的數目（網絡運行時期節(jié)點存活的數目（N=100）CLEEC算法仿真算法仿真n實驗結果實驗結果21001502002503003504001800200022002400260028003000Round until final node diesNumber of nodes LEACH DCHS DEEC CLEEC不同網絡規(guī)模中，最后一個節(jié)點死亡時網絡運

16、行的時間不同網絡規(guī)模中，最后一個節(jié)點死亡時網絡運行的時間 CLEEC算法結論算法結論n仿真證明，仿真證明，CLEEC算法在延長網絡生命期算法在延長網絡生命期方面比當前重要的分簇算法表現(xiàn)更優(yōu)。方面比當前重要的分簇算法表現(xiàn)更優(yōu)?；陔姵啬Ｐ偷幕陔姵啬Ｐ偷牡湍芎娜蝿照{度算法低能耗任務調度算法n 基于電池模型的低能耗任務調度算法基于電池模型的低能耗任務調度算法l 采用電池供電的大量節(jié)點一旦投入使用就很難再更換電池采用電池供電的大量節(jié)點一旦投入使用就很難再更換電池l 其目的是通過改善操作系統(tǒng)的任務調度機制來實現(xiàn)節(jié)能其目的是通過改善操作系統(tǒng)的任務調度機制來實現(xiàn)節(jié)能 n 定義定義l 超周期超周期(supe

17、r-period)，為給定任務集里所有任務周期的最，為給定任務集里所有任務周期的最小公倍數。小公倍數。l 一個超周期由多個幀一個超周期由多個幀(frame)組成，每幀取值為最小的任組成，每幀取值為最小的任務周期值，任務調度間隔為一幀。務周期值，任務調度間隔為一幀?；陔姵啬Ｐ偷幕陔姵啬Ｐ偷牡湍芎娜蝿照{度算法低能耗任務調度算法部件操作模式近似電流TARAXCORE工作3mA睡眠10AADC采樣8mA關閉2.5ACC2420發(fā)送18mA接收20mA關閉0mA濕度傳感器工作40mA關閉0mA溫度傳感器工作10mA關閉0mA工作模式工作模式-近似電流值近似電流值 任務相關資源與模式近似電流（mA）T

18、ARAXCOREADCCC2420濕度傳感器溫度傳感器計算工作關閉關閉關閉關閉3發(fā)送工作關閉發(fā)送關閉關閉21接收工作關閉接收關閉關閉23濕度睡眠工作關閉工作關閉48溫度睡眠工作關閉關閉工作18空閑睡眠關閉關閉關閉關閉0任務任務-放電電流分析放電電流分析 基于電池模型的基于電池模型的低能耗任務調度算法低能耗任務調度算法n 高級電池模型高級電池模型 電池的電荷總容量（單位為庫侖）電池的電荷總容量（單位為庫侖） 與電池的擴散率相關，描述電池非線性特性與電池的擴散率相關，描述電池非線性特性 表示時變電流，表示時變電流， L 表示電池壽命。表示電池壽命。 m 為影響因子。為影響因子。deidimLmLL

19、100(2)(2)(2)(i（1）基于電池模型的基于電池模型的低能耗任務調度算法低能耗任務調度算法n 代價函數代價函數l 定義執(zhí)行時間為定義執(zhí)行時間為T的任務所消耗能量的代價函數的任務所消耗能量的代價函數l 電池壽命最大化與任務能耗最小化為等價命題電池壽命最大化與任務能耗最小化為等價命題101),(NkkkkttTFI)(i表示完成任務所消耗的電荷能量，采取分段取常數的方法近似代替。Q表示電池的剩余能量（2）低能耗任務調度算法分析低能耗任務調度算法分析l 每幀任務按任務到達時刻排序每幀任務按任務到達時刻排序l 每幀任務按放電電流遞增排列每幀任務按放電電流遞增排列 l 每幀按任務放電流非遞增排列

20、每幀按任務放電流非遞增排列 2003004005006000電流(mA)50205100超周期=600ms2003004005006000超周期=600ms電流(mA)502051001002003004005000超周期=600ms電流(mA)50205任務調度方法一個超周期消耗電荷（庫倫）雜序28.5217升序29.0339非升序28.0749由公式（2）算出三種調度方法在一個超周期內所消耗的電荷 對于周期任務集，在幀內按照任務放電電流非升序排列進行調度，可降低任務消耗的能量，延長電池壽命。 低能耗任務調度算法結論低能耗任務調度算法結論幀/最小周期（比值）IIIIII一個超周期消耗電荷（庫

21、倫）128.0749228.17351.2412e+003220.3501141.8187763.4793319.2398126.2109647.2104610.33569.08504.1831n不同周期任務集的調度結果不同周期任務集的調度結果 n由于電池的非線性特性：由于電池的非線性特性： 對于同一任務集，幀的取值越大能量消耗越小。對于同一任務集，幀的取值越大能量消耗越小。 當幀等于超周期時，周期越大能耗反而越小。當幀等于超周期時，周期越大能耗反而越小。 此外周期越大能量消耗越大。此外周期越大能量消耗越大。節(jié)點監(jiān)控界面節(jié)點監(jiān)控界面n監(jiān)控中心界面監(jiān)控中心界面節(jié)點監(jiān)控界面節(jié)點監(jiān)控界面n監(jiān)控中心界面