基于ARM7的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點能量管理初探

3 能量管理

　　無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(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)絡的拓撲結(jié)構(gòu)以抵消這種不平衡。因此對于無線傳感器網(wǎng)絡而言，不考慮電池的狀態(tài)只是簡單地通過DPM技術(shù)使節(jié)點進入低功耗狀態(tài)不 能使網(wǎng)絡范圍內(nèi)能量的使用達到最優(yōu)，最大程度地延長網(wǎng)絡的使用壽命。

　　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”和“恢復效 應”的影響，為進行電池設(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[7]基于馬爾可夫過程的電池模型進 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“恢復效應”該模型根據(jù)電池在放電間歇恢復能力的強弱，把電池的恢復能力分為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階段時恢復一個電荷單元的概率為：

　　式中，gN和gC與電池的恢復能力有關(guān)，q0是電池處于閑置狀態(tài)的概率。給出了恢復概率后，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)絡節(jié)點荷電狀態(tài)開銷仍過大，因此有必要進一步探索電池建模方面的問題。

　　3.2 節(jié)點功率

　　具體應用中節(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)絡有著十分廣闊的應用前景，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確預測電池的荷電狀態(tài)以平衡網(wǎng)絡節(jié)點壽命，優(yōu)化網(wǎng)絡內(nèi)能量消耗，這是 亟待解決的重要課題。