(杭州電子科技大學計算機應用研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方式側(cè)重于兩個方面:能量管理和能量收集。能量管理方面，減少無線收發(fā)器的工作時間是最有效的減少能耗的方式。睡眠-喚醒機制的引入，實現(xiàn)了無線收發(fā)器的合理使用。為了實現(xiàn)節(jié)點長時間睡眠而不影響正常的無線通訊，許多高效MAC 協(xié)議[1]，路由協(xié)議，數(shù)據(jù)匯總策略和傳輸功率控制策略被提出。能量收集方面，通過特定的裝置收集環(huán)境中的太陽能、風能供網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點使用[2，3]，也能延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時長。但是，使用具有充電功能的傳感器節(jié)點也會遇到許多挑戰(zhàn)，如在實際執(zhí)行中的技術(shù)難度問題、由于超低的環(huán)境能量而造成的極低的充電效率問題等[4]。在本文中，一種安裝在建筑表面、實現(xiàn)風能收集的旨在監(jiān)測空調(diào)能耗和室外溫度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被提出并實施，作為常春藤項目[5]的一部分，稱它為基于風能的建筑表面?zhèn)鞲邢到y(tǒng)(Building Surface Mounted Wind Power Collected Wireless Sensor Network，BSWPWSN)。一種基于能量等級的傳輸功率控制策EL-TPC 也被提出，動態(tài)實現(xiàn)傳輸功率的多級別調(diào)整，達到延長傳感器網(wǎng)絡(luò)工作時長的目的。

1 BSWPWSN系統(tǒng)模型

作為常春藤項目的一部分，BSWPWSN系統(tǒng)的詳細設(shè)計和系統(tǒng)特點如下。

1.1 系統(tǒng)應用和網(wǎng)絡(luò)拓撲

BSWPWSN 中使用以CC2420為收發(fā)器組件的HDU 節(jié)點。CC2420可工作在31種不同的功率等級并擁有14個正交信號頻道。通過調(diào)整功率和信道，能夠滿足不同的通信要求。為了實現(xiàn)對空調(diào)能耗的監(jiān)測，HDU 節(jié)點及風能收集裝置被密集的部署在空調(diào)外機扇葉的表面，網(wǎng)絡(luò)部署情況如圖1所示。節(jié)點間距為5-10m，在這種情況下需要調(diào)整部分節(jié)點的發(fā)射功率，以實現(xiàn)合理覆蓋。

1.2 風能收集組件設(shè)計

在BSWPWSN系統(tǒng)中，風力是能量的來源。如圖2所示，風能收集裝置由4個交流電機和PCB控制板組成?？照{(diào)開啟時，交流電機將由扇葉帶動旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)換電能。該裝置采用MaxWell 超級電容作為儲能裝置，可以在風扇轉(zhuǎn)動時存儲電能，并為節(jié)點提供能量。

圖1 節(jié)點在建筑物表面的部署情況

圖2 風能收裝置

1.3 能量補給和能量消耗

充電過程中超級電容電壓的變化情況如圖3所示。由于電容電荷量Q =1/2CU2，隨著電壓的升高充電速度將略有減慢。

圖3 超級電容充電情況

漏電作為超級電容的一個特性，不僅降低了超級電容的充電速度也限制了能量的存儲時間，電能在2.5V 情況下，大約45min 后，電壓就下降為無效值，不再供給傳感器節(jié)點工作。

節(jié)點在相同占空比情況下，發(fā)射級別分為4、10、30時分別在10.5、8、5min 后，電源電壓已經(jīng)不能夠供給節(jié)點工作。由上述分析，節(jié)點的能量消耗比充電速度更快。但是，采用合理的占空比，適時關(guān)掉無線收發(fā)器，則可以使整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)達到平衡狀態(tài)。

2 EL-TPC方案說明

能量耗盡的節(jié)點將會進入“長期休眠”狀態(tài)，不再工作。在本節(jié)中，EL-TPC實現(xiàn)能量的平衡利用，減少節(jié)點進入“長期休眠”狀態(tài)的可能性，使節(jié)點提供連續(xù)有效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.1 特征指定和系統(tǒng)參數(shù)

為滿足EL-TPC實現(xiàn)合理控制，BSWPWSN 特征指定和系統(tǒng)參數(shù)歸納如下:

(1)固定的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)，兩傳感器節(jié)點之間形成固定距離的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu);

(2)時間同步，傳感器節(jié)點在初始化后，同Sink 節(jié)點同步部署;

(3)占空比和采樣速度，考慮到超級電容的能量泄漏和充電速度以及節(jié)點的能量消耗速率，選擇15%占空比以達到能量平衡，采樣速度每秒一次;

(4)分組擁塞，分組策略減少擁塞可能性;

(5)直接通信，兩個節(jié)點間的最大的傳輸距離約為100m，因此，在高功率等級30時，任何兩個節(jié)點都可以實現(xiàn)直接通信;

(6)能量存儲能力，超級電容無法長時間存儲能量，當能量過剩時應適當提高工作占空比。

2.2 多傳輸范圍選擇

在BSWPWSN 中采用了改變傳輸功率級別，調(diào)節(jié)傳輸范圍的控制策略。在EL-TPC中，3個發(fā)射功率等級厘定如下:

(1)高級別，節(jié)點收發(fā)器CC2420 使用功率30級，使其能夠直接與Sink 節(jié)點通信。只有當電壓為2v 或更高并有充足電能供應時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點才將工作在這個級別;

(2)中級別，節(jié)點使用功率10級，收發(fā)器能夠覆蓋約30m的距離，每個方向上有大約3個鄰居節(jié)點。只有當電壓低于2V 但仍維持正常工作時，節(jié)點才將工作在這個級別;

(3)低級別，節(jié)點沒有外界充電情況下，降低功率級至4級。僅完成基本的傳輸任務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)包傳送控制

數(shù)據(jù)包的交付在EL-TPC 協(xié)調(diào)完成，有3種數(shù)據(jù)包交付策略。

第一種策略:直接通信。一旦有節(jié)點滿足高級別，它向在其覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點發(fā)出集群廣播“邀請”。一旦有節(jié)點接收到“邀請”，它將向高級別節(jié)點發(fā)送一個回退的ACK。高級別節(jié)點收到ACK 后會回復一條確認信息，從而確認它們屬于同一集群。

第二種策略:多跳。在網(wǎng)絡(luò)初始化階段，如果一個節(jié)點沒有收到任何的“握手”信息，它將發(fā)送“訪問請求”數(shù)據(jù)包，其發(fā)送功率覆蓋范圍內(nèi)有任何中級別的節(jié)點收到這個包，會回復一個“訪問接受”包。然后，一個多跳到Sink的路線就形成了。

第三個策略:定期喚醒和廣播。這種策略應用在風能收集組件不能正常工作的節(jié)點。為了節(jié)省能量，大部分時間內(nèi)，關(guān)閉其無線電收發(fā)器，定期的將其喚醒。

3 實驗分析

為了驗證BSWPWSN和EL–TPC 整體性能，系統(tǒng)進行了持續(xù)3 天的實驗監(jiān)測。整個過程中，Sink 節(jié)點位于PC 服務(wù)器，其他節(jié)點部署在建筑物表面。如圖4所示，剩余能量和時間的關(guān)系。圖4中，在高級別和中級別節(jié)點，60s的工作周期內(nèi)，充電量幾乎和這段時間的能量消耗一致。能量在節(jié)點喚醒階段下降非?？欤驗榇藭r無線收發(fā)器的工作消耗了大部分的能量。

圖4 能量消耗隨時間的關(guān)系

快速充電期間，風能收集裝置收集的能量不僅能夠為節(jié)點工作提供能量，同時還能將多余能量存儲在超級電容中。在低級別節(jié)點中能量的消耗維持在較低的水平，這是因為在低級別節(jié)點中的無線通訊任務(wù)非常少。但是如果長期沒有收集到能量，節(jié)點將會因用光能量而不再工作。但是這種情況極少發(fā)生，因為空調(diào)將會在一段時間內(nèi)被打開。

4 結(jié)束語

本文介紹了常春藤項目中一種基于風能收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)BSWPWSN。該系統(tǒng)中，風能是能量唯一來源，收集到的能量被儲存在超級電容中，供節(jié)點使用。本階段，該系統(tǒng)用于空調(diào)能耗監(jiān)控和室外溫度監(jiān)測。與此同時，傳輸功率控制策略EL-TPC 也被提出，它可以使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更有效、更穩(wěn)定，從而降低節(jié)點因為能量水平下降而導致不能工作的可能性。在未來，將會有更多的附加功能加入到常春藤網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，太陽能收集也將作為補充能源被引進來。

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