一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量管理的探究-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量管理的探究-技術(shù)方案1引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。

很多人都認(rèn)為，這項技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機(jī)系統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在1970年的因特網(wǎng)，那時因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學(xué)和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到100個節(jié)點，更多的節(jié)點以及通訊線路會使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。

隨著MEMS技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，逐漸使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實。研究人員利用嵌入式技術(shù)開發(fā)出了小型化板級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而這在30年前還僅是一種構(gòu)想；單片無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也已經(jīng)問世，但距離實用仍有相當(dāng)一段路要走。為了研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和能量管理技術(shù)我們采用基于ARM7核的SOC單片機(jī)LPC2138開發(fā)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（如圖1）。

2節(jié)點設(shè)計概述

ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家企業(yè)，設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。

相對于處理器運算速度和功耗提高的幅度而言，電池性能的提高則緩慢許多，使得能量管理成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。為了節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點具有動態(tài)電源管理（DPM）功能，在節(jié)點空閑時應(yīng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)以節(jié)省能量。實現(xiàn)DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技術(shù)在無線通信領(lǐng)域有著無可比擬的優(yōu)勢，己有超過85％的無線通信設(shè)備采用了ARM技術(shù)。

LPC2138提供了完善的DPM支持：具有休眠和掉電兩種低功耗狀態(tài)，可通過外部中斷將其喚醒；振蕩模式下支持1～30MHz外部晶體，通過鎖相環(huán)可使CPU獲得高達(dá)60MHz的工作頻率，為了節(jié)能采用8MHz晶體；片內(nèi)外設(shè)除了可通過外設(shè)功率控制寄存器開啟、關(guān)閉外，其工作頻率亦可通過分頻器調(diào)整為處理器時鐘頻率的1／2或1／4。另外，存儲加速功能可極大地加快程序的運行速度，提高能量效率。這些使得LPC2138適合應(yīng)用到具有相當(dāng)處理能力的低功耗系統(tǒng)中。

為了使節(jié)點可用兩節(jié)AA電池供電，采用升壓型DC-DCMAX756構(gòu)建供電單元。除了升壓外MAX756還具有電源監(jiān)控的功能，當(dāng)Vin（可通過R1和R3調(diào)整）低于1.25V時，LBO引腳輸出低電平、灌電流（如圖2）。這雖不能準(zhǔn)確給出電池荷電狀態(tài)（SOC）的多少，卻可讓傳感器節(jié)點了解其電池的荷電狀態(tài)下降到了某種程度，節(jié)點不再適合擔(dān)任較繁重的工作了。

數(shù)據(jù)收發(fā)單元采用由Chipcon公司推出的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)芯片構(gòu)建；傳感單元由溫度傳感器DS1722和光亮度傳感器TSL2561組成。通過三級管放大MCU的GPIO驅(qū)動能力，實現(xiàn)對它們供電的動態(tài)管理。

3能量管理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成了節(jié)點之間能量使用的不平衡性，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要知道各節(jié)點電量的使用情況，取得電池的荷電狀態(tài)并由此轉(zhuǎn)換節(jié)點的角色，動態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以抵消這種不平衡。

3.1電池模型

電池的荷電狀態(tài)通常表示為其當(dāng)前可用容量與額定容量的比，它并不是放電時間和放電電流的線性函數(shù)，受到電池固有屬性“額定容量效應(yīng)”和“恢復(fù)效應(yīng)”的影響，為進(jìn)行電池設(shè)計、系統(tǒng)評估、優(yōu)化電池使用策略，研究人員分別從不同層面提出了多種電池模型。本文采用文獻(xiàn)[7]基于馬爾可夫過程的電池模型進(jìn)行研究，該模型通過引入可用電荷單元將電池的荷電狀態(tài)表示為一種離散的瞬態(tài)隨機(jī)過程（如圖3）。圖中圓圈中的N，N-1，…，1，0表示某一時刻電池的名義容量；qi表示在某個時間段內(nèi)消耗i個電荷單元的概率。

為了描述電池的“恢復(fù)效應(yīng)”該模型根據(jù)電池在放電間歇恢復(fù)能力的強(qiáng)弱，把電池的恢復(fù)能力分為f（f=0，1，…，fmax）個階段。一個時間步內(nèi)，電池處于狀態(tài)j（j=1，2，…，N-1）和f階段時恢復(fù)一個電荷單元的概率為：

式中，gN和gC與電池的恢復(fù)能力有關(guān)，q0是電池處于閑置狀態(tài)的概率。給出了恢復(fù)概率后，電池在某閑置時間內(nèi)處于f階段保持電荷狀態(tài)不變的概率，可表示為

這種模型相對于偏微分方程描述的電池模型而言，計算量大為減少并且結(jié)果也很準(zhǔn)確，可快速評估嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計對電池狀態(tài)的影響。但將其用于實時評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點荷電狀態(tài)開銷仍過大，因此有必要進(jìn)一步探索電池建模方面的問題。

3.2節(jié)點功率

具體應(yīng)用中節(jié)點工作電流是評估電池荷電狀態(tài)的外在依據(jù)。由于無傳感器節(jié)點是由若干離散器件組成，因此其功率可由這些離散器件有效功耗狀態(tài)的組合求得，結(jié)果見表1。

4結(jié)論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣闊的應(yīng)用前景，是一