摘 要：在影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期的眾多因素中，節(jié)點(diǎn)的能量是其中最為重要的。節(jié)點(diǎn)的功耗、布撒環(huán)境以及具體應(yīng)用等因素，都對(duì)節(jié)點(diǎn)的能量供給有重大影響。本文分析了當(dāng)前基于能量挖掘的節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)系統(tǒng)，并提出了改進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器能量供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用環(huán)境能量為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)永久供電。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);能量供給;節(jié)點(diǎn);能量挖掘
1 前言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)視、家庭安全及智能空間等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，越來越多的受到研究人員的重視。但是，節(jié)點(diǎn)的能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮效能的瓶頸。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì),傳感器節(jié)點(diǎn)功耗較低，但功耗變化范圍比較大。如果利用能量挖掘技術(shù)從環(huán)境中挖掘能量，使節(jié)點(diǎn)具有能量補(bǔ)充的能力，無線傳感節(jié)點(diǎn)將避免能量的單向遞減過程，這將從根本上解決節(jié)點(diǎn)的能量供給問題。
能量挖掘裝置，可以挖掘各類能量。各種環(huán)境能源豐富程度不同，太陽(yáng)能晴空直射條件下為100 mW/cm2 [1]，此外，還有溫差、振動(dòng)等形式的能量。目前，已經(jīng)有利用環(huán)境能量為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供能量的系統(tǒng)的研究和開發(fā)。譬如，創(chuàng)業(yè)公司Perpetuum推出的PMG7微發(fā)電機(jī)，能從一個(gè) 100mg振動(dòng)中產(chǎn)生高達(dá)5mW/3.3V的輸出功率[2]。但是，利用振動(dòng)能量使得節(jié)點(diǎn)只能布置在能經(jīng)常產(chǎn)生振動(dòng)的區(qū)域，使節(jié)點(diǎn)的布撒環(huán)境受到限制，另外，在間歇性的振動(dòng)的條件下，系統(tǒng)也無法連續(xù)工作。
本文提出了一種基于太陽(yáng)能的能量供給系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用多級(jí)能量?jī)?nèi)存，結(jié)合能量管理與能量轉(zhuǎn)移技術(shù)，使由太陽(yáng)能電池采集到的能量得到合理的利用，從而構(gòu)成具有自我管理能力的能量供給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了為無線節(jié)點(diǎn)永久性供電與無線傳感網(wǎng)絡(luò)無限使用的目的。
2 設(shè)計(jì)與分析
為了更好地解決傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供給問題，我們提出了基于太陽(yáng)能的能量供給系統(tǒng)，由以下部分構(gòu)成：能量挖掘裝置，由太陽(yáng)能電池板構(gòu)成，負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能;能量?jī)?nèi)存，包括主級(jí)能量?jī)?nèi)存和次級(jí)能量?jī)?nèi)存，由超級(jí)電容構(gòu)成，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)太陽(yáng)能電池采集到的能量，并為無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)供電;后備能量?jī)?nèi)存，由鋰電池組成，是緊急情況下系統(tǒng)的能量來源;電源管理和控制部分，負(fù)責(zé)監(jiān)控主級(jí)和次級(jí)能量?jī)?nèi)存和后備能量?jī)?nèi)存的能量大小狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)控制這些能量?jī)?nèi)存為系統(tǒng)供電，并且控制太陽(yáng)能電池為能量?jī)?nèi)存補(bǔ)充能量。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)的主要操作模式是主級(jí)和次級(jí)能量?jī)?nèi)存存儲(chǔ)收集到的環(huán)境能量并且給傳感器節(jié)點(diǎn)供電，而后備能量?jī)?nèi)存作為一個(gè)緊急情況下可靠的后備電源，使系統(tǒng)能夠在環(huán)境能量間歇的條件下很好地工作。
能量挖掘裝置采用的太陽(yáng)能電池，效率大約是16%-17%，在太陽(yáng)直射情況下的輸出功率約每平方厘米16-17毫瓦。如果通過選擇滿足系統(tǒng)電壓要求的配置來確定電壓，可以將環(huán)境能源作為一個(gè)電源模型：
Pe（t） = Punit（t） ＊ A （1）
其中，Punit（t）是單位面積單位電池板的能量，A是并聯(lián)起來的電池板的數(shù)目或是面積。
雖然能量?jī)?nèi)存的容量是有限的，但是為了盡可能多地從環(huán)境中攝取能量，那么Pe（t）應(yīng)該盡可能高。這樣，在給能量?jī)?nèi)存補(bǔ)充足夠的能量之后，可以讓系統(tǒng)繼續(xù)利用環(huán)境能量。但是，太陽(yáng)能板的大小應(yīng)該結(jié)合系統(tǒng)性能指針、體積大小以及成本等因素綜合考慮。
主級(jí)能量?jī)?nèi)存和次級(jí)能量?jī)?nèi)存由超級(jí)電容構(gòu)成。作為節(jié)點(diǎn)最主要的能量來源，需要存儲(chǔ)能量挖掘裝置挖掘的能量，所以它應(yīng)該能夠經(jīng)受頻繁的充放電，而電容恰恰可以滿足這個(gè)性能要求，而且大容量的超級(jí)電容能構(gòu)提供足夠的容量，因此，選用電容作為主級(jí)和次級(jí)能量?jī)?nèi)存是最為理想的。
為了延長(zhǎng)主能量?jī)?nèi)存的供電時(shí)間，應(yīng)根據(jù)漏電流、能量消耗水平以及系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間的要求，確定合適的電容容量。根據(jù)報(bào)導(dǎo)，22F的電容漏電流最小。結(jié)合系統(tǒng)成本、體積方面的要求，選擇25F的超級(jí)電容作為能量存儲(chǔ)元件，通過將兩個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)以減小其漏電流。
后備能量?jī)?nèi)存由鋰電池構(gòu)成。鋰電池的特點(diǎn)有：漏電流低，能量密度高，單節(jié)電池電壓高，因此，選擇鋰電池構(gòu)成后備能量?jī)?nèi)存。然而必須注意，它需要復(fù)雜的充電電路以防止對(duì)電池的有害效應(yīng)。
傳感器節(jié)點(diǎn)在活動(dòng)模式下和休眠模式下的功耗差別很大，功耗決定于三個(gè)參數(shù)：活動(dòng)時(shí)間占總時(shí)間的百分比D，活動(dòng)模式下消耗的電流Ia，以及休眠模式下的電流Is。在大多數(shù)情況下，我們只對(duì)平均功耗P有興趣（假設(shè)喚醒時(shí)間可以忽略）：
P = Vsup × （D × Ia + （1 ? D） ×Is） （2）
以上公式表示， Ia, Is, Vsup和D都是影響系統(tǒng)功耗的因素，需要在實(shí)現(xiàn)時(shí)予以考慮。
3 方案實(shí)現(xiàn)
在傳感器節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)能量供應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與一種節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)40針的接口連接[3]，如圖2所示。系統(tǒng)采用一個(gè)60毫米×60毫米的太陽(yáng)能電池板作為能量挖掘裝置，它具有4.4V的輸出電壓;采用四個(gè)容量為25F的超級(jí)電容組成兩級(jí)能量?jī)?nèi)存，每個(gè)有最大2.7V的額定電壓;將兩個(gè)超級(jí)電容串連起來作為一級(jí)能量?jī)?nèi)存，可以減小漏電流，并且與太陽(yáng)能電池的輸出4.4V匹配;采用容量為1120mAh、工作電壓為3.7伏的鋰電池作為后備能源。
圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖
由兩個(gè)25F電容串連構(gòu)成的能量存儲(chǔ)裝置在漏電流的影響下測(cè)定的電壓曲線如圖3所示。測(cè)定時(shí)間范圍為24小時(shí)，為了反映能量存儲(chǔ)裝置的總體趨勢(shì)，采用分段線性的擬合方法，可以得出漏電流的變化規(guī)律如下：
（3）
式中，V0為初始電壓，單位為V，t為時(shí)間，單位為小時(shí)。
圖3 漏電流曲線圖
由以上可知，在24小時(shí)內(nèi)，超級(jí)漏電流的影響必須予以考慮，由于漏電流而損失的能量無法被系統(tǒng)利用。
由太陽(yáng)能為超級(jí)電容組成的能量存儲(chǔ)裝置充電，太陽(yáng)能電池的充電能量與超級(jí)電容的容電能量必須匹配，即在通常光照條件下，太陽(yáng)能電池能為兩級(jí)能量存儲(chǔ)裝置充滿電量。
圖4為能量存儲(chǔ)裝置的充電時(shí)的電壓曲線。根據(jù)測(cè)量的電壓值進(jìn)行擬合，可以得到能量存儲(chǔ)裝置的充電電壓曲線。擬合所得方程如下：
（4）
式中，A為中止充電時(shí)的電壓，即太陽(yáng)能電池提供的電壓，為4.4，B,C兩個(gè)系數(shù)表征了充電時(shí)的外部條件，如光照等，隨外部條件不同，B,C會(huì)有變化。在這條曲線中，B為0.06348，C為2.17868，擬合度為99.766%，選擇和能量?jī)?nèi)存匹配的太陽(yáng)能電池必須以上述結(jié)果作為限制。
圖4 充電曲線
系統(tǒng)的控制部分使用C8051F121單片機(jī)[4]，用片上AD監(jiān)控超級(jí)電容的電壓確定其能量狀態(tài)，利用DS2760能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的保護(hù)，以及對(duì)系統(tǒng)功耗和鋰電池能量狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)得節(jié)點(diǎn)活動(dòng)模式下功耗為48mA，查閱手冊(cè)，低功耗模式下功耗為35uA，根據(jù)公式（2），如果節(jié)點(diǎn)活動(dòng)周期為1%，則平均功耗為（48mA+99×35uA）÷100，即為515uA。
根據(jù)各級(jí)能量?jī)?nèi)存的能量大小狀態(tài)，利用微處理器控制能量?jī)?nèi)存選擇開關(guān)以控制太陽(yáng)能電池為能量?jī)?nèi)存充電以及能量?jī)?nèi)存為系統(tǒng)供電,控制流程如下：
a:啟動(dòng)系統(tǒng)（電池供電）。
b:為主級(jí)能量?jī)?nèi)存充電;
c:判斷主級(jí)能量?jī)?nèi)存是否充滿;若充滿，則執(zhí)行步驟d;未充滿，則執(zhí)行步驟b;
d:由主級(jí)能量?jī)?nèi)存為系統(tǒng)供電，并為次級(jí)能量?jī)?nèi)存充電;
e:判斷次級(jí)能量?jī)?nèi)存是否充滿：若充滿，則執(zhí)行步驟f;未充滿，則執(zhí)行步驟d;
f:為主級(jí)能量?jī)?nèi)存充電，判斷電池是否需要補(bǔ)充能量;若需要，則執(zhí)行步驟g;不需要，則執(zhí)行步驟h;
g:為電池補(bǔ)充滿能量;
h:系統(tǒng)按上述步驟正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
仿真節(jié)點(diǎn)工作在1%的工作周期下，則節(jié)點(diǎn)處于低功耗模式的時(shí)間為99%，處于正常模式的時(shí)間為1%，進(jìn)行供電實(shí)驗(yàn)。在超級(jí)電容處于滿電量的情況下，測(cè)定供電時(shí)間，根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)，單級(jí)能量存儲(chǔ)裝置中的能量可供系統(tǒng)工作745分鐘。聯(lián)機(jī)調(diào)試，以1%的工作周期工作，系統(tǒng)平穩(wěn)工作兩天，初步證明系統(tǒng)可行。
4 結(jié) 語(yǔ)
提出并初步實(shí)現(xiàn)了一種利用環(huán)境能量給無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)永久提供能量的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 其創(chuàng)新點(diǎn)在于：巧妙利用了利用能量挖掘技術(shù)，從環(huán)境中挖掘能量，使節(jié)點(diǎn)具有能量補(bǔ)充的能力，避免了能量的單向遞減過程，并進(jìn)一步結(jié)合能量管理、能量轉(zhuǎn)移以及能量存儲(chǔ)技術(shù)，從而在根本上解決節(jié)點(diǎn)的能量供給問題。
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