无线传感器低功耗设计

　4．2 混合自动控制算法在无线传感器节点上的实现

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/161039.htm

　　由于对运动中物体的倾角测量在交通、航天、军事等领域有着重要的意义，这里采用加速度传感器对倾斜角进行测量，介绍混合自动控制算法的应用。基本思路：无线传感器节点根据环境变量的连续性变化，对传感器执行离散的处理应用，当环境参数改变(增加或减小)时，传感器的状态变量相应改变，当改变到临界点时，系统状态转换为另一功率状态。首先对系统作如下要求：变量x表示所测量的倾斜角度值，最高为30°，最低为8°，它代表环境参数的改变，是各状态之间转换的主要因素；变量z为计时器，用于状态的计时。为了简化控制过程，把系统分为三个状态，l1为睡眠状态，此时传感器模块和无线收发器都处于不活动状态，控制系统保持l1状态为60 s。其不等式条件为z≤ 60，当z>60时，转入状态l2。状态l2和l3表示不同的采集和无线传输频率的活动状态，状态l2下的采集和无线传输频率低于l3，此时每间隔 10 s发送一次采集的倾斜角度数据，在发送完之后，无线收发器和传感器进入关闭状态等待下一个周期的到来。运行过程中，当倾斜角的变化在O．5°～5°之间 (O．5≤|x-xold|≤5)且倾斜角度不超过30°(x≤30°)时，系统运行在状态l2；当倾斜角度变化大于5°(|x-xold|>5) 或x>30°时，系统进入状态l3运行；当倾斜角度变化小于0．5°(|x-xold|0．5)且x≤30°时，节点处于睡眠状态l1。状态转换图如图4所示。

　　在状态l3下。节点各部分都处于活动状态，每间隔1 s发送一次数据，用于倾斜角度变化过快或角度达到了高危值。节点开始于状态l2，一般情况下，当倾斜角不发生变化或变化值低于O．5°，系统在状态l1和 l2之间转换，即数据在每间隔60 s发送一次，间隔期内，节点处于睡眠模式，以节省能耗。如果变化值超过O．5°，系统进入状态l2，否则，当变化值超过5°，就进入状态l3。使用该算法，在倾斜角变化正常的情况下，设无线传感器节点直接和sink节点通信，则节点大部分的时间处于状态l1。

图5为混合自动控制算法在MSP430和nRF905无线加速度传感器系统中实现的简化流程图。

　　5 结语

　　由于传感器节点各部分存在着多种工作模式并且能量消耗差异较大，所以通过动态功率管理方法可以在系统级有效地降低节点的功耗，这里在介绍无线传感器动态功率管理基本原理的基础上，对几种典型的动态功率管理方法进行了分析研究，发现在环境参数(如加速度、温度等)变化稳定的情况下，通过混合自动控制算法对环境变量的变化值范围划分来设定系统的工作状态，控制无线收发模块的收发频率，能增加节点的休眠时间，减少收发次数，从而有效地降低系统功耗，最后通过 MSP430、nRF905无线加速度传感器系统，介绍了混合自动控制算法的应用。