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

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)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。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有快速展開(kāi)、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

很多人都認(rèn)為，這項(xiàng)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(jì)算機(jī)能夠訪問(wèn)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(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過(guò)去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。然而從很多方面來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在1970年的因特網(wǎng)，那時(shí)因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學(xué)和軍事實(shí)驗(yàn)室，并且研究者還在試驗(yàn)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(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)以及通訊線路會(huì)使其變得十分復(fù)雜難纏而無(wú)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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，逐漸使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。研究人員利用嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)出了小型化板級(jí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而這在30年前還僅是一種構(gòu)想；單片無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也已經(jīng)問(wèn)世，但距離實(shí)用仍有相當(dāng)一段路要走。為了研究無(wú)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(kāi)發(fā)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如圖1）。

2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)概述

ARM（AdvancedRISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、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(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。

相對(duì)于處理器運(yùn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。為了節(jié)能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)電源管理（DPM）功能，在節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)應(yīng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)以節(jié)省能量。實(shí)現(xiàn)DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，己有超過(guò)85％的無(wú)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(guò)外部中斷將其喚醒；振蕩模式下支持1～30MHz外部晶體，通過(guò)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(guò)外設(shè)功率控制寄存器開(kāi)啟、關(guān)閉外，其工作頻率亦可通過(guò)分頻器調(diào)整為處理器時(shí)鐘頻率的1／2或1／4。另外，存儲(chǔ)加速功能可極大地加快程序的運(yùn)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(diǎn)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(guò)R1和R3調(diào)整）低于1.25V時(shí)，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(diǎn)了解其電池的荷電狀態(tài)下降到了某種程度，節(jié)點(diǎn)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(guò)三級(jí)管放大MCU的GPIO驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們供電的動(dòng)態(tài)管理。

3能量管理

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成了節(jié)點(diǎn)之間能量使用的不平衡性，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要知道各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的角色，動(dòng)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(shí)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(jì)、系統(tǒng)評(píng)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(guò)程的電池模型進(jìn)行研究，該模型通過(guò)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(guò)程（如圖3）。圖中圓圈中的N，N-1，…，1，0表示某一時(shí)刻電池的名義容量；qi表示在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)消耗i個(gè)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(gè)階段。一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，電池處于狀態(tài)j（j=1，2，…，N-1）和f階段時(shí)恢復(fù)一個(gè)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(shí)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(duì)于偏微分方程描述的電池模型而言，計(jì)算量大為減少并且結(jié)果也很準(zhǔn)確，可快速評(píng)估嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池狀態(tài)的影響。但將其用于實(shí)時(shí)評(píng)估無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)荷電狀態(tài)開(kāi)銷仍過(guò)大，因此有必要進(jìn)一步探索電池建模方面的問(wèn)題。

3.2節(jié)點(diǎn)功率

具體應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)工作電流是評(píng)估電池荷電狀態(tài)的外在依據(jù)。由于無(wú)傳感器節(jié)點(diǎn)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(jiàn)表1。

4結(jié)論

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