应用于无线传感器网络的DC-DC升压转换器设计

１２０　传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　ａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）　２０１２年第３１卷第７期　

应用于无线传感器网络的ＤＣ－ＤＣ升压转换器设计　

潘银松，杨帅举，刘凤琳，余华　

（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆４０００３０）　

摘要：无线传感器网络的应用越来越广泛，根据从环境中获取能量的需要，提出一种两级电荷泵结构的　

ＤＣ—ＤＣ升压转换器，通过两级升压将热电发电机产生的低压升至工作电压，该结构具有体积小、转换效率　

高等优点。仿真结果表明：使用０．１８　ｍ　ＣＭＯＳ低阈值电压工艺时，能够将低压０．１　Ｖ升至２．５　Ｖ，在输入　

电压为０．１Ｖ时，转换效率为４５％，功耗为３．１　ｗ。　

关键词：热电；ＤＣ—ＤＣ升压转换器；低压；低功耗　

中图分类号：ＴＮ４９２；ＴＮ４０２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－９７８７（２０１２）０７－０１２０－０３　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＤＣ・ＤＣ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　

ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　

ＰＡＮ　Ｙｉｎ—ｓｏｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｓｈｕａｉ－ｊｕ，ＬＩＵ　Ｆｅｎｇ—ｌｉｎ，Ｙｕ　Ｈｕａ　

（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　

Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００３０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｃｑｕｉｒｉｎｇ　ｆｒｏｍ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａ　ＤＣ—ＤＣ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ　

ｃｈａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ＴＥＧ　ｉｓ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ　ｔｏ　ｈｉｇｈ　ｗｏｒｋ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　

ｔｗｏ—ｓｔａｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ａ　０．１８　Ｉｘｍ　ｌｏｗ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ＣＭＯＳ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　

ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　０．１　Ｖ　ｉｎｐｕｔ，ｓｕｐｐｌｉｅｄ　ａ　ｒｅｇｕｌａｔｅｄ　２．５　Ｖ　ｏｕｔｐｕｔ，ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｉｓ　

４５％ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　３．１　ＬＬＷ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ；ＤＣ—ＤＣ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｌｏｗ　ｖｏｈａｇｅ；ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　

０引　言　

作所需要的电压。　

１升压转换器　

无线传感器网络广泛应用于环境、建筑、医疗和军事等　

领域。随着传感器中传感和传输器件体积的不断缩小，电　

池逐渐占用了无线传感器网络节点的大部分体积，成为传　

感器小型化的瓶颈。目前，大部分的无线传感器网络节点　

使用两节ＡＡ电池供能。当电池能量耗尽时，就必须进行　

更换或者充电。对某些无线传感器网络，例如：可植入医学　

升压转换器按照结构可以分为２种：一种为Ｂｏｏｓｔ型升　

压转换器；另一种为电荷泵型升压转换器。２种转换器的　

原理图如图１所示。　

传感器和动物追踪装置，电池更换比较困难。从传感器工　

作环境中获得能量来驱动电路，既能消除电池体积的制约，　

ｆａ）Ｂｏｏｓｔ型升压转换器　

（ａ）Ｂｏｏｓｔ　ｔｙｐｅ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｏｎｖｅｎｅｒ　

又能有效延长传感器的寿命，成为国内外研究的热点。而　

热电材料性能的不断改善，利用微小温差发电的热电发电　

机成为从环境中获取能量的一个很好的选择。但热电发电　

机所提供的电压较低，不能直接用作集成电路的工作电　

压　。　

ｆｂ）电荷泵型升压转换器　

（ｂ）ｃｈａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　ｔｙｐｅ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｏｎｖｅｇｅｒ　

本文提出一种电荷泵结构的两级ＤＣ—ＤＣ升压转换器，　

可以将热电发电机所产生的低压升高至集成电路能正常工　

图１升压转换器原理图　

Ｆｉｇ　１　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　

收稿日期：２０１１—１１－３０　

｛基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１０７４１７７）；重庆市科学技术计划资助项目（ＣＳＴＣ：２００９ＢＢ２０３４）　

第７期　潘银松，等：应用于无线传感器网络的ＤＣ－ＤＣ升压转换器设计　１２１　

１．１　Ｂｏｏｓｔ型升压转换器　

Ｂｏｏｓｔ型升压转换器在实际中经常应用，利用电感升压　

的Ｂｏｏｓｔ型转换器可以精确设定转换效率　。但在实际应　

用中，要做到高效率就不可避免地要使用到大的电感，而大　

的电感在集成电路中实现要占用很大的面积，结构复杂，而　

且会产生多种寄生效应　。如果使用小的集成电感，则　

转换效率会很低。因此；使用Ｂｏｏｓｔ型升压转换器，要同时　

做到高效率和小的占用面积比较困难　。　

１．２　电荷泵型升压转换器　

电荷泵常用于Ｆｌａｓｈ　ＲＡＭ存储器中，在这类低功耗的　

应用中，电荷泵的效率并不是主要的。但在升压转换器中，　

电荷泵的效率必须有所提高。可以证明，不同结构电容器　

的寄生电容比对电荷泵的效率有显著的影响，当选用合适　

的电容器结构后，电荷泵转换器的效率会有明显地提高，可　

以达到使用大电感的Ｂｏｏｓｔ型转换器同等水平　。　

２　电荷泵型ＤＣ－ＤＣ升压转换器原理　

升压转换器主体电路采用两级电荷泵结构，第一级电　

荷泵将低压（０．１　Ｖ）上升至后续电路能正常工作的电压　

（１　Ｖ），第二级电荷泵利用第一级电荷泵产生的电压作为工　

作电压，输出２．５　Ｖ的高压。整体电路的原理如图２所示。　

．　

图２　ＤＣ－ＤＣ升压转换器原理图　

Ｆｉｇ　２　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒｒａｍ　ｏｆ　ＤＣ－ＤＣ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　

在该电路结构中，第一级环形振荡器直接利用热发电　

机（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＴＥＧ）产生的低压作为电源电　

压，产生频率为１００ｋＨｚ的矩形波。由Ｄ触发器将矩形波转　

换为２个波形互补的矩形波，作为电荷泵的输入，经过电荷　

泵的升压后，通过缓冲结构作为第一级电荷泵结构的输出。　

第一级电荷泵的输出继续作为第二级结构中电路的电源电　

压。第二级结构包括脉冲频率调制（ｐｕｌｓｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａ—　

ｔｉｏｎ，ＰＦＭ）振荡器、电荷泵、电压反馈和过热保护电路等。　

ＰＦＭ振荡器只有在Ｃｔｒｌｌ和Ｃｔｒｌ２同时为低电平时才能振荡　

产生频率可变的矩形波。　

２．１　ＰＦＭ振荡器　

在第二级电路中使用了ＰＦＭ振荡器。该振荡器根据　

控制信号Ｃｔｒｌｌ和Ｃｔｒｌ２的不同，输出以ＰＦＭ方式调制的矩　

形波，电路稳定工作时，矩形波频率的变化范围为６０～　

１００　ｋＨｚ。电路结构如图３所示。　

图３　ＰＦＭ振荡器原理图　

Ｆｉｇ　３　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＰＦＭ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　

其中，Ｃｔｒｌｌ为电压反馈回路的输出，Ｃｔｒｌ２为过热比较　

器的输出。当电路低压工作时，Ｃｔｒｌｌ为低电平，这时无论或　

非门的另一输入端的电平高低，或非门的输出都为低，经过　

反相后输入与非门。这时振荡器工作在低电源电压下，振　

荡频率低，但电源电压会随着振荡器的工作上升，电路将会　

进入正常工作状态。当电路正常工作时，所有逻辑功能正　

常运作，Ｃｔｒｌｌ和Ｃｔｒｌ２的逻辑功能如图４所示，只有当Ｃｔｒｌｌ　

和Ｃｔｒ］２同时为低电平时，振荡器才会有输出。　

之　

之　

幽　

之　

图４　ＰＦＭ振荡器输出波形　

Ｆｉｇ　４　Ｏｕｔｐｕｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｏｆ　ＰＦＭ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　

２．２电荷泵电路　

传统的Ｄｉｃｋｓｏｎ电荷泵，存在阈值电压损失和栅氧化层　

易击穿的缺点”Ｊ，不适合升压转换器电路，因此，需要一种　

没有阈值电压损失，避免栅氧化层击穿的高效率电荷泵电　

路　。所采用的新型电荷泵电路如图５所示。　

图５电荷泵电路　

Ｆｉｇ　５　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　

电路中时钟信号ＣＬＫ和ＣＬＫＢ为一对互补信号，振幅　

１２２　传感器与微系统　第３ｌ卷　

为　。，由ＰＦＭ振荡器提供。　

由电路分析可知，电荷泵输出Ｖｏ　＝（ｎ＋１）　。，避免　

了传统电荷泵存在的阈值电压损失，可以将电压升至更高　

水平。　

图６为新型电荷泵电路与Ｄｉｃｋｓｏｎ电荷泵的比较，可以　

看到，在相同输出电流或相同输入电压时，新型电荷泵电路　

能输出更高的电压。　

之　

丑　

输出电流／　Ａ　

ｆａ）输出电流与输出电压关系　

（ａ）ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　

之　

苦　

簿　

０．８　０　９　１．０　１．１　１．２　ｌ　３　１　４　１　５　１　６　１　７　ｌ　８　

输入电压／ｖ　

ｆｂ）输入电压与输出电压关系　

ｆｂ）ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｏｕ￣ｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｉｎｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　

图６新型电荷泵与Ｄｉｃｋｓｏｎ电荷泵性能比较　

Ｆｉｇ　６　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｃｈａｒｇｅ　

ｐｕｍｐ　ａｎｄ　Ｄｉｃｋｓｏｎ　ｃｈａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　

３升压电路性能分析　

升压电路采用０．１８　ｍ　ＣＭＯＳ低阈值电压工艺，以适应　

低压Ｔ作的需要。设计电路的输出电压为２．５　Ｖ，经过仿　

真，电路主体部分消耗电流０．５１　Ａ，数字和模拟控制电路　

的电流消耗分别为１．１　Ａ和０．７９　Ａ，电路总功耗５．１　ｗ，　

只占输入功率较小的一部分，因此，电路能够达到比较高的　

效率。　

图７为升压电路在不同的负载功耗下，测定的电路工　

作效率随输入电压从０．１　Ｖ变化到０．２５　Ｖ的曲线图。从　

图７中可以看到，随着负载功耗的增加，电路的效率在逐步　

增加，并且在负载功耗为４０　ｗ，输入电压为０．２５Ｖ时，电　

５８　

５６

４６　

４４

输入电压／ｍＶ　

图７升压电路在不同负载和输入电压下的效率　

Ｆｉｇ　７　Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　

ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｉｎｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　

路的效率达到最高，转换效率为５８％。　

表１为升压电路与参考文献［９，１０］中的最新电路进行　

比较，可以发现电荷泵升压转换器控制环路功耗小，使电路　

能达到比较高的效率，并且电路使用集成电荷泵而不是外　

接电感，更有利于传感器的小型化。　

表１升压电路性能对比　

Ｔａｂ　１　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｓｔｅｐ　ｕｐ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

电荷泵型升压转换器　文献［９］　文献［１Ｏ］　

４结束语　

两级电荷泵结构的ＤＣ—ＤＣ升压转换器，结构简单，通　

过电路仿真能够将ＴＥＧ产生的低至０．１　Ｖ的电压升至　

２．５　Ｖ，达到５８％的高效率，并且电路具有便于集成、功耗低　

等优点，能够很好地满足为无线传感器供能的工作要求。　

参考文献：　

［１］Ｈｕｄａｋ　Ｎ　Ｓ，Ａｍａｔｕｃｃｉ　Ｇ　Ｇ．Ｓｍａｌｌ　ｓｃａｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　

ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ［Ｊ］．　

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［２］　Ｃａｒｌｓｏｎ　Ｅ　Ｊ，Ｓｔｒｕｎｚ　Ｋ，Ｏｔｉｓ　Ｂ　Ｐ．Ａ　２０ｍＶ　ｉｎｐｕｔ　Ｂｏｏｓｔ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　

ｗｉｔｈ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｙｇ　ｈａｒｖｅｓ—　

ｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，２０１０（４）：７４１—　

７５０．　

［３］Ｍｏｒｅｉｒａ　Ｌ　Ｃ，Ｎｏｉｊｅ　Ｖ，Ａｎｄｒ６ｓ　Ｆ　Ｐ　Ａ．Ｓｍａｌｌ　ａｒｅａ　ｃｒｏｓｓ　ｔｙｐｅ　ｉｎｔｅ—　

ｇｒａｔｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｏｒ　ｉｎ　ＣＭＯＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］／／Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ａｎｄ　Ｏｐｔｏｅ—　

ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７：１７０－１７４．　

［４］Ａｌｌｅｎ　Ｅ，ＤｏｕｇｌａｓＲ．ＣＭＯＳ模拟集成电路设计［Ｍ］．冯军，李　

智群，译．北京：电子工业出版社，２００９．　

［５］Ｈａｓｔｉｎｇｓ　Ａ．模拟电路版图的艺术［Ｍ］．张为，译．北京：电子　

工业出版社，２００８．　

［６］Ｄｏｍｓ　Ｉ，Ｍ，Ｖａｎ　Ｈ　Ｃ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ＤＣ—ＤＣ－ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ａｒｃｈｉｔｅｃ－　

ｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ—　

ｓ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７（５）：１－－５．　

［７］Ｚｈａｎｇ　Ｍ，Ｌｌａｓｅｒ　Ｎ．Ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｄｉｃｋｓｏｎ　ｃｈａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　ｃｉｒ－　

ｃｕｉｔｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｒｅｓｔｉｖｅ　ｌｏａｄ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　

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［８］Ｋｅｒ　Ｍ　Ｄ，Ｃｈｅｎ　Ｓ　Ｌ，Ｔｓａｉ　Ｃ　Ｓ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ｐｕｍｐ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗｉｔｈ　

ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇａｔｅ－・ｏｘｉｄｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ　ＣＭＯＳ　ｐｒｏ・－　

ｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌｓ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ．Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，２００６，　

４１：１１００－１１０７．　

［９］Ｍａｔｅｕ　Ｌ，Ｃｏｄｒｅａ　Ｃ，Ｓｐｉｅｓ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ　ｅｎｅｒｙｇ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　

ｔｈｅｒｍｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｏｆｒ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７（５）：３６６－－３７２．　

（下转第１２９页）　

第７期　靳士慧，等：ＷＳＮｓ中最小通信代价的非均匀分簇算法　１２９　

１００　

时可以进一步进行数据融合。靠近Ｓｉｎｋ节点和拥有较小　

８０　

剩余能量的簇头节点管理较小的分簇结构，Ｓｉｎｋ节点附近　

６０　

４０　

的节点直接与Ｓｉｎｋ节点通信，并且所有的节点优先加人与　

２０　

Ｓｉｎｋ节点通信代价较小的分簇，更加高效地利用网络能量，　

Ｏ　

使能量消耗更加均衡。　

参考文献：　

图１仿真组网结果　

［１］孙利民，李建中，陈渝．无线传感器网络［Ｍ］．北京：清华大　

Ｆｉｇ　１　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　

学出版社．２００５．　

亡的时问和最后一个节点死亡的时间可以看出：本文的算　

［２］Ｆｒｏｄｉｇｈ　Ｍ，Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ　Ｐ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　Ｈｏｃ　ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ：Ｔｈｅ　ａｒｔ　ｏｆ　

法和ＥＥＵＣ算法明显比ＬＥＡＣＨ算法拥有更长的网络生命　

ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ａ　ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．Ｅｒｉｃｓｓｏｎ　Ｒｅｖｉｅｗ，２０００，４：　

期，因为前２种算法采用了多跳通信方式，选择簇头都加入　

２４８－－２６２．　

了剩余能量信息，分簇采用非均匀的思想。本文算法优于　

［３］Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎ　Ｗ，Ｃｈａｎｄｒａｋａｓａｎ　Ａ，Ｂａｌａｋｒｉｓｈｎａｎ　Ｈ．Ａｎ　ａｐｐｌｉｃａ—　

ＥＥＵＣ算法，主要是选择簇头节点时采用定时器策略，产生　

ｔｉｏｎ・－ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔ－－　

的簇头能有效覆盖全网，在选择多跳路由时，选择了通信代　

ｗｏｒｋｓ［Ｊ］．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，２００２，１（４）：６６０－－６７０．　

价最小的路径。图３所示的网络的剩余能量与运行时间的　

［４］Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎ　Ｗ，Ｃｈａｎｄｒａｋａｓａｎ　Ａ，Ｂａｌａｋｒｉｓｈｎａｎ　Ｈ．Ｅｎｅｒｇｙ－ｅｆｆｉ—　

关系也可以看出，本文的算法均优于ＬＥＡＣＨ和ＥＥＵＣ算法。　

ｃｉｅｎｔ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗ・・ｏｒｋ－　－

ｌ００　

ｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　３３　ｒｄ　Ａｎｎｕａｌ　Ｈａｗａｉｉ　Ｉｎｔ’ｌ　Ｃｏｎｆ　ｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　

８０　

鑫６０　

Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｌｏｓ　Ａｌａｍｉｔｏｓ，ＣＡ：ＩＥＥＥ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０００：　

臻　４

３００５－－３０１４．　

矗　２０　

ｏ　

［５］Ｙｏｕｎｉｓ　Ｏ，Ｆａｈｍｙ　Ｓ，Ｈｅｅｄ：Ａ　ｈｙｂｒｉｄ，ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｄｉｓｔｌｉ—ｂｕｔｅｄ　

ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｆｏｒ　Ａｄ　Ｈｏｃ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　

ｏｎ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００４，３（４）：６６０－６６９．　

图２节点存活数　

［６］Ｌｉｎｄｓｅｙ　Ｓ，Ｒａｇｈａｖｅｎｄｒａ　Ｃ　Ｓ．ＰＥＧＡＳＩＳ：Ｐｏｗｅｒ－ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｇａｔｈｅ－　

Ｆｉｇ　２　Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｓｕｒｖｉｖｉｎｇ　ｎｏｄｅ　

ｒｉｎｇ　ｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　

Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｐｏｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ，ＵＳＡ，２００２：１１２５－－１１３０．　

［７］　Ｓｏｒｏ　Ｓ，Ｈｅｉｎｚｅｌｍａｎ　Ｗ．Ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　

ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｖｉａ　ｕｎｅｑｕａｌ　ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１９ｔｈ　Ｉｎ－　

匿　

ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐａｒｌａｌｅｌ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．ＮＹ．　

０　１ＯＯ　２００　３００　４００　５００　６００　７００　８００　

ＵＳＡ，２００５：８．　

运行时间／ｓ　

［８］曹涌涛，何晨，蒋铃鸽．无线传感器网络中基于自适应定　

图３网络能量消耗情况　

时器策略的分簇算法［Ｊ］．电子学报，２００７，３５（９）：１７１９一　

Ｆｉｇ　３　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　

ｌ７２３．　

从模拟仿真的结果可以看出：本文设计的算法明显地　

［９］Ｄｏｓｈｉ　Ｓ，Ｂｈａｎｄａｒｅ　Ｓ，Ｂｒｏｗｎ　Ｔ．Ａｎ　ｏｎ—ｄｅｍａｎｄ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｅｎｅｒｙｇ　

延长了网络的生命期，延长了第一个节点的死亡时间，使用　

ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ａｄ　Ｈｏｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＡＣＭ　ＳＩＧＭＯ－　

通信代价最小的路径发送数据，能高效地利用网络能量。　

ＢＩＬＥ　Ｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｒｅｖｉｅｗ，２００２，　

３结束语　

６（３）：５０－６６．　

本文在根据现有分簇算法的基础上，提出了簇内与簇　

［１０］李成法，陈贵海，叶懋，等．一种基于非均匀的无线传感器　

间的通信代价最小的非均匀分簇算法。采用定时器策略选　

网络路由协议［Ｊ］．计算机学报，２００７，３０（１）：２７－３６．　

择簇头，簇内与簇间均采用多跳通信，簇成员节点沿着最小　

作者简介：　

通信代价的路径与簇头通信，簇头至Ｓｉｎｋ节点的通信经过　

靳士慧（１９８６一），男，江苏沛县人，硕士研究生，主要研究领域　

有最小通信代价的邻居分簇转发，并且经过邻居簇头节点　

为无线传感器网络、嵌入式系统。　

≯　≯　≯　

）　）　）　＼　）　）　

（上接第１２２页）　作者简介：　

［１０］Ｌｈｅｒｍｅｔ　Ｈ，Ｃｏｎｄｅｍｉｎｅ　Ｃ，Ｐｌｉｓｓｏｎｎｉｅｒ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　

潘银松（１９６３一），男，重庆人，博士，副教授，硕士生导师，现从　

ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ：Ｆｒｏｍ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｔｏ　ａｂｏｖｅ—ＩＣ　

ｍｉｃｒｏｂａｔｔｅｒｙ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄ．Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒ－　

事半导体光电集成器件及集成化芯片系统（ｓｏｃ）技术、ＣＭＯＳ集成　

ｃｕｌｔｓ，２００８，４３：２４６－－２５５．　

电路、传感技术及系统和信息获取及处理技术的教学与研究。