1 引言
微小的,、資源非常有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元,，擔(dān)負(fù)著信息采集,、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸?shù)戎厝巍?/p>
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(shí),。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(diǎn),，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(diǎn)也已經(jīng)問世,，但距離實(shí)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(diǎn)(如圖1)。
2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計概述
相對于處理器運(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線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的挑戰(zhàn)。為了節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 要求節(jié)點(diǎn)具有動態(tài)電源管理(DPM)功能,，在節(jié)點(diǎn)空閑時應(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),。我們選擇了菲利浦公司生產(chǎn)的ARM基高性能、低功耗微控制器LPC2138構(gòu)建處理單 元,。
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1～30 MHz外部晶體,，通過鎖相環(huán)可使CPU獲得高達(dá)60 MHz的工作頻率,，為了節(jié)能采用8 MHz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(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-DC MAX756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1.25 V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(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。由此改變節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),、降低節(jié)點(diǎn)的功耗,，達(dá)到延長節(jié)點(diǎn)使用時間的目的。
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(shí)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(diǎn)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(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。因此對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言,，不考慮電池的狀態(tài)只是簡單地通過DPM技術(shù)使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)不 能使網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)能量的使用達(dá)到最優(yōu),，最大程度地延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。
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,，該模型通過引入最小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。如果起始時電池有N個電荷單元,，在某段時間內(nèi)消耗了3個電荷單元,，那么將發(fā)生這個事件的概率 表示為q3，電池的剩余電荷單元為N-3,。
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(shí)時評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)功率
具體應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)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(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，是一種革命性的信息獲取技術(shù),。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍有諸多技術(shù)難題沒有解決,，其中尤以能量管理、大規(guī)模 組網(wǎng)等問題比較突出,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量的重要性需要研究人員發(fā)現(xiàn)代價更小的方法去準(zhǔn)確預(yù)測電池的荷電狀態(tài)以平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命,，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量消耗，這是 亟待解決的重要課題,。