1. 前言
在无线传感器网络中，网络节点的功耗是一个很重要的问题。通常情况下，为了节省能量，传感器节点会关闭射频接收器，这些射频接收器仅仅在接收来自其他节点（例如，邻居节点）的数据包时打开。这个方法的原理是，当传感器节点无需接收数据时，能量消耗是最少的。然而，在某些应用中，这个方法很可能是无效或者干脆不能被使用。
在Contiki中，MAC 和 RDC（Radio Duty Cycling）在通信协议栈中的地位非常重要，因为它们会直接影响传感器节点的总功耗。
Contiki中集成了多种RDC驱动，例如：ContikiMAC、X-MAC、LPP 以及 NullRDC。RDC 驱动会尽可能的关闭射频接收器以降低节点功耗。另外，它会周期性检查是否需要接收数据。默认检查频率为 8Hz。
- Contiki MAC：适用于802.15.4
- X-MAC：短序文协议
- LPP：由接收者发起传输的RDC协议
- NullRDC：从不会关闭射频接收器（测试用）
Contiki有两种类型的 MAC： nullmac 以及 csma。
- nullmac：简单的“通过型”协议
- csma：实现了寻址、序列号以及重传
2. 设置 RDC 驱动
若要启动RDC驱动，需要在项目中包含头文件 project-conf.h。注意，每个项目都有一个特点的配置文件。另外，为了启动 RDC 配置，必须在项目的 Makefile 中添加以下内容：
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CFLAGS += DPROJECT_CONF_H="projectconf.h"
完整的 Makefile 文件看起来像这样：
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CONTIKI = /home/user/contiki
CFLAGS += DPROJECT_CONF_H=\"project.conf.h\"
include $(CONTIKI)/Makefile.include
配置文件用于重写 Contiki 的一项或多项默认配置。为了启用 RDC，需要在项目配置文件中重写 RDC 层驱动的配置信息。
首先，添加以下内容，以修改RDC通道的检查频率（Hz）：
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#define NETSTACK_CONF_RDC_CHANNEL_CHECK_RATE 16
接下来，指定 RDC 驱动：
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#define NETSTACK_CONF_RDC nullrdc_driver
最后，指定MAC驱动的类型：
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#define NETSTACK_CONF_MAC nullmac_driver
设置完成后，建议通过以下命令清除项目文件夹中已经存在的依赖（如果之前编译过该项目的话。使用需要部署的节点的类型替换[platform]，例如“cc2530dk”。）：
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make TARGET=[platform] clean
接下来，编译即可：
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make TARGET=[platform]
需要注意的是，默认情况下，Contiki协议栈各层使用的驱动如下：
- Network layer - rime_driver
- MAC layer - nullmac_driver
- RDC - nulldc_driver
- Framer - framer_nullmac
- Radio - nullradio_driver
Contiki中RDC驱动及与其对应的值
| RDC驱动配置 | 值 |
|---|---|
| ContikiMAC | contikimac_driver |
| Null_RDC | nullrdc_driver |
| LPP | lpp_driver |
| X-MAC | xmac_driver |
| CX-MAC | cxmac_driver |
3. 功耗评估
在 Contiki 中，可以使用 Energest 模块来估计能量消耗。本例中，只关注四个方面的功耗：传输、监听、CPU 以及 LPM。
传输和监听指射频传输和接收
CPU指微控制器在没有射频传输和接收情况下的运行模式
LPM指低功耗模式（low power mode，例如，睡眠模式）
能量消耗由电压、电流以及持续时间（传感器节点为某项操作花费的时间，例如：传输、接收）相乘得出。电压和电流可以从节点的数据手册（datasheet）中获得。
需要注意的几点：Energest 模块返回的不是某项操作花费的秒数，而是CPU的时钟周期数（ticks）。因此，为了得到秒数，需要使用常量 RTIMER_SECOND 去除时钟周期数。这个常量表示每秒包含的 CPU 时钟周期数，并且随着平台的不同而不同。因此，为了减少复杂性，直接使用 Contiki 中Clock 库内的宏。
可以用下列公式来计算传感器节点的能量消耗：
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𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 = 𝑡𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡(𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠) / 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑟 (𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠/𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑) ∗ 𝐼𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 ∗ V
𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 = 𝑡𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡(𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠) / 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑟 (𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠/𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑) ∗ 𝐼𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡 ∗ V
𝐸𝑟𝑒𝑐𝑖𝑣𝑖𝑛𝑔 = 𝑡𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑖𝑛𝑔(𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠) / 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑟 (𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠/𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑) ∗ 𝐼𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑖𝑛𝑔 ∗ 𝑉
𝐸𝐶𝑃𝑈 = 𝑡𝐶𝑃𝑈(𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠) / 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑟 (𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠/𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑) ∗ 𝐼𝐶𝑃𝑈 ∗ 𝑉
𝐸𝐿𝑃𝑀 = 𝑡𝐿𝑃𝑀(𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠) / 𝑡𝑖𝑚𝑒𝑟 (𝑡𝑖𝑐𝑘𝑠/𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑) ∗ 𝐼𝐿𝑃𝑀 ∗ V
4. 示例
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#include "sys/energest.h"
…
static unsigned long rx_start_duration;
…
while(1) {
…
cpu = energest_type_time(ENERGEST_TYPE_CPU;
lpm = energest_type_time(ENERGEST_TYPE_LPM);
transmit = energest_type_time(ENERGEST_TYPE_TRANSMIT);
listen = energest_type_time(ENERGEST_TYPE_LISTEN);
time = cpu + lpm;
radio = transmit + listen;
…
}
参考
[1] Cousera Embedded Hardware and Operating Systems 课程互评作业（Energy consumption estimation）指导材料
[2] The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol. Adam Dunkels. Technical report 2011.http://dunkels.com/adam/dunkels11contikimac.pdf