圖中虛線表示處理器模塊所涉及的功能，它負責數據處理模塊的全部工作及數據采集模塊與無線收發(fā)模塊的部分工作。其中數據處理模塊主要由處理器與存儲器組成。若處理器不搭配存儲器，則在分析功耗時，只對處理器模塊進行分析即可。
下面對各模塊進行功耗分析。
 (1)數據采集模塊
 數據采集模塊通過傳感器采集外界數據并存儲。處理器模塊主要是配合傳感器工作，并進行數據存儲。
 (2)數據處理模塊
 數據處理模塊是處理器的主要工作模塊。在工作態(tài)內，處理器模塊的主要工作為數據采集、數據處理及數據傳送。在數據處理階段，處理器又負責模式識別、協(xié)議處理以及通信相關的三類任務。
 在選擇數據處理階段的算法時，應考慮功耗問題。在達到系統(tǒng)要求的情況下，算法應盡可能簡化。
值得注意的是：選擇簡單的通信相關算法可能使接收部分的性能下降，只能通過增加無線收發(fā)模塊的發(fā)射能量來補償，使整個節(jié)點的功耗增加。
該模塊的設計原則：①數據處理部分軟件盡量簡化；②工作態(tài)和待機態(tài)功耗應盡量降低；③通信相關的算法會影響到無線收發(fā)模塊的功耗，應整體考慮后再選擇。
 (3)無線收發(fā)模塊
 由于無線收發(fā)模塊工作時需要處理器配合，將數據與無線收發(fā)模塊交互。因此工作時間內，必須考慮處理器模塊的功耗。
以上分析了無線傳感網節(jié)點中的各個模塊在工作態(tài)時與處理器模塊的關系。下面利用上述結論，針對基于OMAP芯片的節(jié)點處理器的設計進行具體分析。
2 基于OMAP的節(jié)點處理器的低功耗設計
2.1 功耗與處理主頻的關系
下面根據OMAP5912的電流/處理速率比分析節(jié)點的功耗與處理器主頻的關系。OMAP為雙核處理器，對兩個核的功耗、計算能力要分別考慮。
2.1.1 OMAP內部雙核間的任務分配
OMAP5912中的DSP核為C5x系列的5510，ARM核為ARM926EJ。其中DSP核有內部乘加器且具有并行執(zhí)行語句的特點，在進行大數據量的數值運算時效率極高。以FFT為例，1024點的FFT程序在ARM端的計算量約為1M條指令，在ARM核現有的流水線機制下，要花費1M指令周期。而在DSP核中運算時，由于程序可根據DSP內部的硬件結構優(yōu)化，整個運算只消耗40K指令周期。所以主要的數值處理計算應該在OMAP內部的DSP核內計算，而ARM核負責處理協(xié)議上層邏輯性較強的部分。
2.1.2 OMAP核的電流/主頻比
芯片的電流消耗與其運行的主頻成線性關系，工作頻率越高，電流就越大。
根據實測值，OMAP內部DSP核的電流值與DSP主頻的關系約為：
I_DSP=(25+0.3×F_DSP)mA  (1)
其內部ARM核的電流值與ARM核主頻的關系約為：
I_ARM=(20+0.2×F_ARM)mA  (2)
兩個核的電流/頻率示意圖如圖2所示。

由圖2可知：DSP核的功耗略大于ARM核的功耗，而且主頻越高越明顯。
2.1.3 OMAP核工作頻率的選擇
下面介紹OMAP兩個核工作頻率的選擇。此處引入一個變量M，代表一個處理器完成某項運算所需要的指令周期數。
(1)DSP核的頻率選擇分析
 設DSP核所承擔的任務共需要MDSP，則DSP核完成此工作所消耗的能量為：
 E_DSP=P_working×T_working
      =(V_DSP×M_DSP×0.3+V_DSP×M_DSP×25/F_DSP)mJ (3)
對式(3)求EDSP對FDSP的導數得：
E_DSP′=-V_DSP×M_DSP×25/(F_DSP)²(4)
由于F_DSP∈(0MHz，192MHz]，在此區(qū)間內E_DSP′≠0，即函數無極值。由于E_DSP′<0，所以當F_DSP=192MHz時，E_DSP得到最小值：
E_{DSP_min}=(V_DSP×M_DSP×0.43)mJ (5)
(2)ARM核的頻率選擇分析
進行類似上面的分析，并滿足剛好在TDSP_pro時間內完成MARM的運算量處理時，ARM的能耗EARM最小。
此時：F_ARM=F_DSP×M_ARM/M_DSP(6)
(3)工作頻率選擇的結論
①在消耗能量最少的原則下，當DSP核運算時，應選擇全速運行。運算結束后，馬上由ARM核將其轉入被動模式。
ARM核根據選擇的算法，估算MDSP與MARM的關系，根據式(7)進行具體計算。
②在采集數據和數據傳遞階段，應盡量選擇低主頻，以達到功耗最低的目的。
2.1.4 節(jié)點方案中各狀態(tài)的設計
根據節(jié)點處理器模塊的狀態(tài)，分為待機狀態(tài)和工作狀態(tài)。其中工作狀態(tài)又根據功能的不同分為數據采集、數據處理和數據傳送三個階段。
 各狀態(tài)的轉換關系如圖3所示。

當節(jié)點處于各狀態(tài)時，處理器的主頻及任務如下：
(1)節(jié)點待機態(tài)時，處理器內部ARM核及DSP核處于睡眠狀態(tài)。
(2)數據采集階段時，處理器內部的ARM核處于工作狀態(tài)，FARM=2MHz；DSP核處于睡眠狀態(tài)。
處理器模塊的任務：ARM核將A/D從傳感器處采集到的數據讀入內部存儲區(qū)。
(3)數據處理階段時，處理器中ARM核處于工作狀態(tài)，F_ARM=2MHz；DSP核處于工作狀態(tài)，F_DSP=192MHz。
處理器模塊的任務：ARM核協(xié)議處理，包括組幀、解幀。DSP核的模式識別中待發(fā)送的數據量為320bit；圖像壓縮中待發(fā)送的數據量為95Kbit。與通信相關的處理包括調制解調、信道編解碼。
(4)數據傳送階段時，處理器內部ARM核處于工作狀態(tài)F_ARM=2MHz，DSP核處于睡眠狀態(tài)。
處理器模塊的任務是配合無線收發(fā)模塊傳送數據。
各工作狀態(tài)耗費電流如表1。

2.2 節(jié)點功耗與算法的關系
2.2.1 算法對節(jié)點各模塊功耗的影響
(1)處理器模塊
對整個處理器模塊，由式(5)、式(6)經分析可得：
E_proc=E_{DSP_min}+E_{ARM_min}
     =V_DSP×M_DSP×0.43+V_ARM(0.1×M_DSP+0.2×M_ARM) (7)
且V_DSP=V_ARM
E_proc=V_ARM(0.53×M_DSP+0.2×M_ARM) (8)
由式(8)知，主導處理器模塊功耗為MDSP，所以減小MDSP是減少節(jié)點處理器部分功耗最直接的方式。
(2)無線收發(fā)模塊
降低無線收發(fā)模塊的功耗，需要在信源階段對數據進行模式識別或壓縮，降低數據量以降低數據的傳輸時間；在選擇調制解調方案時，應選擇可獲得較高數據速率并且所需解調的Eb/N0相對較低的方案。
2.2.2 節(jié)點算法的選擇
 在進行算法選擇時應在完成功能的基礎上，選擇可以降低功耗的算法。下面針對本節(jié)點對算法選擇進行分析，先討論三類算法在節(jié)約功耗條件下的復雜度。
(1)模式識別
模式識別可以處理傳感器采集到的信號，給出一個對信號的判斷結果，在無線收發(fā)時只需要傳送這個結果。
經過一次模式識別，數據量可從1K個8位采樣點降到1個16位的word。當設發(fā)送數據速率為20kbps時，采用BPSK，(2，1，5)卷積編碼的方案，發(fā)射傳輸時間由160ms降低到0.8ms。由于實際發(fā)送時需要對數據進行組幀，所以傳輸時間大概為5ms。若以節(jié)省功耗為標準，則：
E_{RF_save}>E_{PRO_use}
 -〉V_RF×40×160>V_ARM(0.53×M_DSP+0.2×M_ARM)(9)
 -〉40×160>0.53×M_DSP
 -〉M_DSP<12
即只要選擇的算法低于12M個指令周期就可以節(jié)省能量。
模式識別的計算量主要集中在特征值的提取上，比較有代表性的算法為基于功率譜(512點FFT)的算法或基于小波分析(db6)的算法。兩種算法的運算量與在DSP內處理的時間如表2。

由于在傳感網節(jié)點中對功耗的要求更為嚴格，所以選擇基于功率譜分析的算法。在實現時利用55核的硬件特性，可降至22K個周期數，1毫秒就可處理完畢。
(2)圖像壓縮
節(jié)點傳輸圖像時必須進行圖像壓縮，一幅320×240的BMP圖像約1.8Mbit，在基本不損失信息的情況下可壓縮至95Kbit。Mcompression約為135 290M條指令周期，而對其壓縮后，在算法未優(yōu)化的情況下計算量約為120K條指令周期，遠遠小于Mcompression。這同時也說明，在傳感網節(jié)點中傳遞圖像時，主要能耗集中在無線收發(fā)模塊。此時提高數據速率是必須的，因為提高速率并不會使無線收發(fā)模塊的功耗上升，卻可以減少發(fā)送時間以節(jié)約能量。
故模式識別與圖像壓縮是無線傳感網節(jié)點內必不可少的，算法選擇時壓縮比是比復雜度更重要的選擇依據。
(3)通信相關
①編碼方式
為了在一定的誤碼率下達到低功率傳輸，需要采用FEC編碼減少差錯概率。卷積編碼是目前應用最廣泛的編碼方式，表3為對1Kbit數據采用不同參數的卷積編碼時的譯碼運算量與編碼后長度的比較。

分析圖4可知，(2，1，7)比(2，1，3)的卷積編碼性能提升了2dB以上，而(2，1，9)相比(2，1，7)卻只提高了不到1dB。在處理時間上，(2，1，9)即使在程序經過優(yōu)化后的處理時間為75毫秒，占處理器模塊中DSP核處理時間的90％以上。所以選擇性能接近但運算量卻低很多的(2，1，7)的卷積編碼。
②調制方式
傳感網的信號經過無線信道時一般不采用高階調制。在QPSK和BPSK的選擇上，由于QPSK可以同時在IQ兩路傳輸數據，使無線收發(fā)模塊的Tworking減少1/2，從而減少功耗。這樣數據的傳輸速率為40kbps。
各算法耗費時間如表4。

2.3 與現有節(jié)點的比較
現將本節(jié)點處理器模塊與現有節(jié)點處理器模塊在以模式識別的應用中進行比較，對1K數據進行模式識別及編解碼所消耗的計算周期如下：
普通MCU計算周期：6.4M指令周期
OMAP5912計算周期：1.1M指令周期
由此可得進行1000次的上述處理所需要的時間及消耗的電流如表5。