呂 濤，施偉斌，范坤坤，楊 凱，余家寶，孔維行，鞏艷慶，孫 鳳

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海200093)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成的，通過無線通信的方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，目前已在醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等諸多領(lǐng)域得到不同程度的應(yīng)用。在WSN中，考慮到要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長的工作時間，因此低功耗幾乎就成了目前WSN研究的一個核心之一［1］。其中基于ZigBee技術(shù)的WSN以其低功耗、低成本和低復(fù)雜度受到高度關(guān)注，但其節(jié)點的能耗問題仍有待解決［2］。目前傳感器節(jié)點主要依靠電池供電，為保證節(jié)點能較長時間的穩(wěn)定工作，故在進(jìn)行低功耗設(shè)計［3－5］與節(jié)能策略研究［6－9］的同時，也對供電模塊電池的性能提出了較高的要求，尤其是一些放置于室外的傳感器節(jié)點，采用什么樣的供電方案才能保證其較長時間的穩(wěn)定工作，若采用太陽能電池供電，如何選擇合適的太陽能電池板和鋰電池就是一個必須要解決的問題。

目前對電池性能的測試主要是針對電池剩余電量的監(jiān)測，通常使用電池荷電狀態(tài)(State of Charge)來描述電池的剩余電量［10］。目前對于電池剩余電量的監(jiān)測，主要有兩種方法:一種方法是以電壓測量為基礎(chǔ)，另一種方法則是以電流積分為基礎(chǔ)。其中電壓測量法是基于電池電壓和電池剩余電量之間存在的某種已知的關(guān)系，通過測量電池兩端的電壓來計算電池的剩余電量［11］。由于WSN應(yīng)用中節(jié)點需要大量布置在實際環(huán)境中，傳統(tǒng)的專用儀表測量電池電量技術(shù)受限于人力物力成本，不能很好地滿足實時能耗監(jiān)測的需要。本文采用電壓測量法，設(shè)計了一種基于WSN的電池電壓在線監(jiān)測的方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計組建基于ZigBee的WSN節(jié)點功耗測試網(wǎng)絡(luò)，對傳感器節(jié)點使用的鎳氫電池與太陽能電池的供電性能進(jìn)行了測量分析;在實驗室現(xiàn)有條件下，通過測算節(jié)點的實際生存時間來尋找合適的節(jié)點供電方式。

1 伏安特性監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

目前關(guān)于WSN節(jié)點網(wǎng)絡(luò)生存時間與電池供電性能的研究大多集中在理論分析與仿真階段，與現(xiàn)實環(huán)境中的實際效果相差較大，故本文作者搭建如圖1所示的測試平臺，以ZStack－CC2530－2.2.0 －1.3.0 為基礎(chǔ)組建WSN，可較準(zhǔn)確的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測。

圖1 WSN測試平臺硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 節(jié)點數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

由CC2530數(shù)據(jù)手冊中對ADC控制寄存器ADCCON2的描述可知［12］，當(dāng)寄存器 ADCCON2的［3:0］位為1111時，可實現(xiàn)對1/3電源電壓的AD采樣，所以可通過這種方式實現(xiàn)對傳感器節(jié)點電池電壓的采集。同時使用ADC的AIN7通道實現(xiàn)對太陽能充電電壓即鋰電池電壓的采集，使用ADC的AIN0－AIN1進(jìn)行差分采樣實現(xiàn)對太陽能電池板充電電流的采集。由于太陽能電池板的輸出電壓為5 V，超出了CC2530的工作電壓3.3 V，故將其輸出電壓使用10 MΩ的電阻進(jìn)行分壓后采集。

由于終端節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，除了包含采集的實驗數(shù)據(jù)以外，還有其他相關(guān)的輔助信息，因此需要對終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信格式進(jìn)行如表1所示的相應(yīng)規(guī)定，以確保實驗數(shù)據(jù)的可靠傳輸。同時為便于上位機軟件處理，對協(xié)調(diào)器節(jié)點與PC機之間的數(shù)據(jù)通信格式也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定如表2所示。

表1 終端節(jié)點－協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)通信格式

表2 協(xié)調(diào)器－PC機數(shù)據(jù)通信格式

1.2 上位機軟件的實現(xiàn)

使用VC++6.0開發(fā)設(shè)計，主要實現(xiàn)對串口控件的操作、串口數(shù)據(jù)的接收和處理、顯示界面的設(shè)計與數(shù)據(jù)庫的操作。圖2為上位機軟件界面，可對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)分布以及電池伏安特性等工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控。

圖2 上位機軟件界面

1.3 與現(xiàn)有測試技術(shù)比較

本文對現(xiàn)有測量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用電壓測量法，結(jié)合WSN技術(shù)，提供了一種基于WSN的電池電壓在線監(jiān)測的方法，可以實現(xiàn)電池電壓的遠(yuǎn)程測量與采集工作;與使用精密測量儀器測得數(shù)據(jù)相比較，測量誤差范圍在1%左右。與常用人工測量的方式相比較，因為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置環(huán)境復(fù)雜，在需要被測節(jié)點電池數(shù)量較多時具有明顯優(yōu)勢，大量減少了測試的工作量與人工成本。本文基于此，對WSN節(jié)點電池供電性能進(jìn)行測量分析，試圖在現(xiàn)有的實驗條件下尋找合適的節(jié)點供電方式，在不影響節(jié)點正常工作的情況下盡量延長其生存時間。

表3 方法有效性比較

2 測試實驗方案

根據(jù)目前實驗室現(xiàn)有電池情況，針對不同型號不同容量的電池，制定了以下分組測試方案:

(1)鎳氫電池測試實驗 根據(jù)節(jié)點所用電池的容量分為三組，每組由4個傳感器節(jié)點組成，分別以2 s、30 s、1 min、10 min 4 種不同數(shù)據(jù)發(fā)送頻率向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自身的電池電壓數(shù)據(jù)，具體的分組信息如表4所示。

(2)太陽能電池板及鋰電池測試實驗 如表5所示，對現(xiàn)有的鋰電池和太陽能電池板分成四組，四組節(jié)點同時以相同的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自身的電池電壓數(shù)據(jù)。本實驗對2 s、1 min、10 min 3種不同數(shù)據(jù)發(fā)送頻率各進(jìn)行為期9天的測試。

表4 鎳氫電池測試分組

表5 太陽能電池板及鋰電池測試實驗分組

3 實驗數(shù)據(jù)分析

本文作者在研究生實驗樓六樓利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)第26信道組建測試網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了連續(xù)四周的測試實驗。圖3為測試網(wǎng)絡(luò)某一時刻的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3 測試網(wǎng)絡(luò)某一時刻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.1 鎳氫電池測試數(shù)據(jù)及結(jié)論

圖4為某公司將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，兩節(jié)鎳氫電池在電池電量為0、25%、50%、75%和滿電時的電壓值取平均值后的散點圖。并由此得出電池電量與電壓關(guān)系的估算關(guān)系式(1)，式中C為電池電量百分比，V為電池空載時的電壓。

圖4 鎳氫電池電量－電壓關(guān)系

由于測試結(jié)果只作為以后傳感器節(jié)點電池選型的參考依據(jù)，對數(shù)據(jù)的精確度要求并不高，因此在隨后對使用鎳氫電池的傳感器節(jié)點耗電量的計算中，可采用關(guān)系式(1)估算電池的電量。

圖5為3種不同容量的電池在以2 s、30 s、1 min及10 min不同的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率由傳感器節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送長度為6 byte的數(shù)據(jù)時的日耗電量比較，表5為相應(yīng)的節(jié)點生存時間。由圖5可知，3種不同容量的電池在以2s的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率時耗電量明顯比其他發(fā)送頻率下要高很多。在30 s、1 min及10 min 3種數(shù)據(jù)發(fā)送頻率下各種型號的電池的耗電量基本接近。由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)傳感器節(jié)點以較高的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率(實驗中的2 s每次)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，節(jié)點的能量主要消耗在射頻數(shù)據(jù)傳輸過程;當(dāng)節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率較低時(實驗中時間間隔30 s以上)，節(jié)點的能量主要由維持節(jié)點正常運行所消耗。因此，應(yīng)進(jìn)行傳感器節(jié)點的低功耗設(shè)計，以降低傳感器節(jié)點的功耗，延長傳感器節(jié)點儲能期間的供電時間。

圖5 鎳氫電池日耗電量

表6 節(jié)點生存時間

此外，當(dāng)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送頻率相同時，理論上每個節(jié)點消耗的電量應(yīng)該一樣，但在實驗過程中會出現(xiàn)圖5所示現(xiàn)象，除了參考文獻(xiàn)［13－14］所提到的原因外，還受到以下因素的影響:

(1)由于節(jié)點放置的位置不同，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時所消耗的電量也不一樣;

(2)由于本實驗所用電池已循環(huán)充放電的次數(shù)不同，造成即使是同品牌、同規(guī)格的電池在性能上也會存在差別;

(3)不同型號容量的電池在消耗相同電量時的壓降不同，本文在采用統(tǒng)一的電壓－電量關(guān)系式換算后，計算出的電池電量也存在一定差異。

3.2 太陽能電池測試數(shù)據(jù)及結(jié)論

對太陽能電池的主要測試項目及測試周期如表7所示。表8是實驗期間的天氣情況記錄。圖6則是使用太陽能電池板和鋰電池的傳感器節(jié)點以及只使用鋰電池的傳感器節(jié)點的電池電壓實時曲線圖。

表7 測試項目及周期

表8 測試期間天氣情況

由圖6中節(jié)點1和節(jié)點2的電壓變化曲線可知，使用0.7W太陽能電池板收集能量，并采用鋰電池將能量儲存起來對傳感器節(jié)點進(jìn)行供電，即使在實驗期間出現(xiàn)了連續(xù)3天(3 d)的陰雨天氣時，也可以維持傳感器節(jié)點的正常運行，節(jié)點電池電壓仍然維持在3.9 V以上。圖6中節(jié)點1的電壓波動比節(jié)點2的電壓波動較為明顯，原因是1 000 mAh鋰電池受其容量所限并沒有將太陽能電池板收集到的全部能量儲存起來，在出現(xiàn)連續(xù)陰雨天時電池電量的消耗會較明顯的體現(xiàn)在電壓下降上。

如圖6中節(jié)點3曲線所示，節(jié)點3在以2s每次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，鋰電池電量在正常工作了5天(5 d)左右后電量耗盡。與節(jié)點2的電壓變化曲線相比可知，0.4 W太陽能電池板收集的能量不足以維持傳感器節(jié)點在以2s每次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)下長期運行。

圖6 鋰電池+太陽能電池板節(jié)點電池電壓變化曲線

圖6中所示節(jié)點18只采用1 000 mAh鋰電池供電，未使用外接太陽能電池板收集能量。實驗期間節(jié)點18分別在11月25日10:12、11月29日2:28、12月5日10:29、12月9日14:45、12月15日19:35時不能正常工作。由此可知，1 000 mAh的鋰電池僅能維持傳感器節(jié)點在以2 s每次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)下正常運行3天～4天(3 d～4 d)。結(jié)合表8可知，在連續(xù)4天(4 d)陰雨天太陽能電池板無法正常收集能量時，傳感器節(jié)點將無法正常的工作。

在對太陽能電池板搭配鋰電池組合方案的供電時效性進(jìn)行測試中，考慮到該組合方案以后的實際應(yīng)用環(huán)境，本文采用最直接的測試方式，在室外實際環(huán)境中進(jìn)行測試，而非在實驗室環(huán)境中搭建標(biāo)準(zhǔn)測試條件(標(biāo)準(zhǔn)測試條件應(yīng)為:光譜AM1.5，輻照度1 000 W/m2，溫度25℃)，實際測試條件如表9所示。

表9 供電時效性測試條件

以2 000 mAh容量鋰電池為例，如果直接用電源適配器對其充電一般需要3 h左右充滿電;而采用0.7 W太陽能電池板對其供電，在實驗測試期間的光照條件下，從上午8:30開始測試，需要充7個多小時;實驗發(fā)現(xiàn)中午(10:00～14:00左右)光照充足的情況下充電效率較高，約占總電量的60% ～80%左右;夜間或者光線較弱時，太陽能電池板充電電流幾乎沒有，此時太陽能電池板不能對鋰電池進(jìn)行有效的電量補充，只能一直依靠鋰電池自身所蓄電量為節(jié)點供電。因此，在實際應(yīng)用中，一般會先對鋰電池用電源適配器進(jìn)行充電，再搭配太陽能電池板對傳感器節(jié)點進(jìn)行供電。

同時，在使用鋰電池時還應(yīng)注意:

(1)由于鋰電池沒有記憶效應(yīng)，即使電池還有部分電量殘存的情況下充電都是有效的，可以隨用隨充。在平時使用中注意不要過度放電，否則會對電池造成不可逆的容量損失，對其自身使用壽命造成損害。在實際應(yīng)用過程中，如果遭遇連續(xù)陰雨天氣，當(dāng)上位機監(jiān)測端顯示節(jié)點電壓較低、太陽能電池板無法滿足其供電需求時，要及時對鋰電池進(jìn)行充電。

(2)在前期使用電源適配器對鋰電池充電時注意不能過充，當(dāng)電源適配器充電完成指示燈亮?xí)r，要及時停止充電過程。

在后續(xù)研究中，為了提高太陽能電池板搭配鋰電池組合方案的光電轉(zhuǎn)換效率，充分利用太陽能源，除選用轉(zhuǎn)換效率更高的太陽能電池板外，在現(xiàn)有條件下也可考慮增加光敏傳感器來獲取當(dāng)天太陽照射相對位置信息，利用單片機控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)太陽能電池板的角度，從而實現(xiàn)對太陽光線入射位置的較大角度跟蹤，盡可能保持太陽光線垂直照射在太陽能電池板，提高其太陽能采集效率。

4 結(jié)束語

本文在搭建的測試平臺上基于ZigBee協(xié)議組建了一個WSN節(jié)點功耗的測試網(wǎng)絡(luò)，對WSN節(jié)點的鎳氫電池與太陽能電池的供電性能進(jìn)行了初步測試。實驗結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)采集周期為2 s～600 s的情況下，用普通鎳氫電池為WSN節(jié)點供電只能維持其正常工作10天(10 d)左右，無法保證節(jié)點在室外環(huán)境下長時間正常工作，顯然，為了使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到實際應(yīng)用，需要對現(xiàn)有通信協(xié)議和供電方案等進(jìn)行改進(jìn)。太陽能電池板與鋰電池組合是一種可行的供電方案，根據(jù)數(shù)據(jù)采集頻率和應(yīng)用系統(tǒng)的工作條件需要選擇合適的電池功率和容量，在本文所述的實驗條件下，使用2 000 mAh鋰電池搭配0.7 W太陽能電池板對節(jié)點進(jìn)行供電能維持其在室外環(huán)境下長時間工作。

同時，本文提供了一種基于WSN的電池電壓在線監(jiān)測的方法，可實現(xiàn)電池電壓的遠(yuǎn)程采集與測試工作;與常用人工測量的方式相比較，在需要被測電池數(shù)量較多時具有明顯優(yōu)勢，大量減少了測試的工作量;由于采用WSN技術(shù)，在消耗較小電量的基礎(chǔ)上可完成電池電壓的采集，不會影響電池的后期正常使用。

本文的工作可以為WSN節(jié)點的電源設(shè)計以及WSN系統(tǒng)的生存時間估計提供參考，同時也提供了一種電池電壓遠(yuǎn)程測試的方法。未來我們將對影響電池使用壽命的因素以及在不同條件下如何確定太陽能電池板和鋰電池的優(yōu)化參數(shù)開展進(jìn)一步研究。

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