摘 要：節(jié)點能量提供與管理技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，提出了節(jié)點能源設(shè)計的基本原則，在此基礎(chǔ)上，對可用的供電電池相關(guān)性能進(jìn)行了比對。研究了適于環(huán)境監(jiān)測的能源補(bǔ)充技術(shù)，設(shè)計了一套實用的太陽能能源補(bǔ)充系統(tǒng)，與單純電池供電系統(tǒng)的供電能力進(jìn)行了比對實驗。最后討論了降低節(jié)點能耗的相關(guān)技術(shù)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);環(huán)境監(jiān)測;太陽能
1.引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)沿其他節(jié)點逐跳傳輸后送至匯聚節(jié)點，最后通過遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)到達(dá)管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)及收集數(shù)據(jù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于軍事安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、災(zāi)害預(yù)報、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。美國《技術(shù)評論》認(rèn)為，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)十種會產(chǎn)生巨大影響的新興技術(shù)中的一項[1]-[2]。
在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成不盡相同，但一般都由傳感器模塊、處理模塊、無線通訊模塊和能量提供模塊組成，其中能量提供模塊是節(jié)點生命周期最大化的關(guān)鍵。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大多為隨機(jī)播撒安放，且由于環(huán)境惡劣或節(jié)點移動等原因，各節(jié)點一般采用一次性自備電源，一旦播散后無法更換。基于上述原因，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能源提供與管理技術(shù)一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中研究的重點。本文將針對應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，從能源提供技術(shù)、能源補(bǔ)充技術(shù)、能耗降低技術(shù)三個方面進(jìn)行論述。
2.環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點能源的提供技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，改變了以往單一傳感器定點、定時測量的模式。實現(xiàn)了對觀測對象多角度（多種類傳感器）、同步、連續(xù)測量。因此獲得的數(shù)據(jù)更全面，更有代表性，便于描述觀測對象空間與時間變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在聯(lián)系。
2.1環(huán)境監(jiān)測對傳感器節(jié)點能源提供技術(shù)的要求
● 體積小
傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)該在體積上足夠小，保證對目標(biāo)系統(tǒng)本身不會造成影響，在某些場合甚至需要節(jié)點能小到不被覺察的程度，以完成特殊任務(wù)。因此各節(jié)點的能源提供模塊體積也要小。
● 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)
作為環(huán)境監(jiān)測的傳感器節(jié)點經(jīng)常安放于環(huán)境較為惡劣，人跡罕至的區(qū)域。因此，節(jié)點能源提供模塊需要具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，主要是工作溫度，水密性等指標(biāo)應(yīng)滿足使用需要。
● 放電特性穩(wěn)定
隨著芯片制造技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點傳感器、處理器和無線收發(fā)模塊的功耗大大降低。因此，節(jié)點對供電系統(tǒng)瞬時放電能力的要求不是很高，但持續(xù)放電穩(wěn)定性對系統(tǒng)使用及壽命影響較大。
● 成本低
低成本是傳感器節(jié)點的基本要求。只有成本低，才能大量布置，因此供電模塊不能使用價格昂貴的技術(shù)方案。
● 無污染
應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的節(jié)點由于使用環(huán)境艱險且數(shù)量巨大，因而能源模塊必須采用無污染或低污染的技術(shù)方案。
2.2環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點電池特性比較與選擇
根據(jù)環(huán)境監(jiān)測對傳感器節(jié)點能源模塊的技術(shù)要求，目前可行且基本滿足要求的解決方案是采用高性能電池作為能源提供模塊。下面對幾種主要類型的電池特點進(jìn)行分析比較。
（1）鋅錳堿性電池
一次性鋅錳堿性干電池是最常見的一種電池。這種電池價格便宜，電量較好，儲存時間長，溫度適應(yīng)條件好。公稱電壓1.5V，適用于中小電流密度放電。缺點是一般內(nèi)阻較大，在放電電流過大的情況下，電化學(xué)極化增大，工作電壓迅速下降，電池輸出容量減少。
（2）鎳鎘（Ni-Cd）充電電池
鎳鎘充電電池正極為氧化鎳，負(fù)極為海綿狀金屬鎘，電解液多為氫氧化鉀、氫氧化鈉堿性水溶液。小型密封鎘鎳電池的結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，耐沖擊，震動。成品電池自放電小，適合大電流放電，適用溫度范圍-40℃～60℃。循環(huán)壽命長，理論上達(dá)到2000-4000次循環(huán)。
（3）鎳氫電池
鎳氫電池大大減少了鎳鎘電池的“記憶效應(yīng)”，使用更方便，壽命更長久。鎳氫電池還具有電容量高、放電深度大、耐過充和過放電、充電時間短等優(yōu)點。最重要的是鎳氫電池不再使用有毒的重金屬作為材料，可以消除對環(huán)境的污染。但鎳氫電池高溫特性比較差，在45℃以上的高溫環(huán)境將無法正常工作。另外，這種電池的自放電率也比較高。
（4）鋰離子電池
鋰離子電池具有重量輕，容量大、能量密度大的優(yōu)點，但價格較高。與鎳氫電池相比，鋰離子電池比較輕便，能量比卻高出60%。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應(yīng)”以及不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點，使它的生產(chǎn)和銷售正逐漸超過鎳氫電池。
從以上種類電池中，選擇有代表性的產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的比對。其中鋅錳堿性電池選擇南孚LR6AA型，鎳鎘電池選擇傲能D-4/3AA1300，鎳氫電池選擇傲能H-AA2100A，鋰電池選擇力興CR2450，鋰離子電池選擇JJJLC16340。
表1 幾類電池代表型號主要參數(shù)對比表
通過上表可以看出，幾種類型的電池各項性能雖有差異，但從體積，環(huán)境適應(yīng)性，放電穩(wěn)定性，成本等幾方面都能滿足環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能源提供的要求，其中鋰離子電池環(huán)保優(yōu)勢明顯。在實際使用時，針對各節(jié)點耗電大小，供電電壓要求等情況，從不同類型電池中進(jìn)行優(yōu)化細(xì)選。
在迄今世界上最成功的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測實驗——美國大鴨島實驗中， Wec節(jié)點使用CR2450電池，Renee、Mica2和Mica2dot等節(jié)點使用2節(jié)AA電池[3]。
3.環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點能源補(bǔ)充技術(shù)
節(jié)點能源補(bǔ)充技術(shù)是利用節(jié)點布放環(huán)境中一些可利用的能量資源為節(jié)點工作提供能量或為節(jié)點電池充電，從而延長節(jié)點有效期。應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器節(jié)點一般可采用光能和風(fēng)能來進(jìn)行能量補(bǔ)充。
德州大學(xué)Shashank Priya教授采用壓電器件制造了一種小型發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)可由時速8～16公里的風(fēng)力驅(qū)動，能夠為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的獨立節(jié)點提供最多50mW 的功率。這種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)使用成熟的壓電和機(jī)械技術(shù)，使得原型設(shè)備的成本不到20美元，改變了以往風(fēng)力能源補(bǔ)充技術(shù)過于昂貴和技術(shù)要求過高的難題[4]。
光電材料的發(fā)展，使光能收集成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量來源另一種可能的解決方案[5]。一般情況下，應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器節(jié)點獲取足夠的光照并不困難。
利用MAX1555電池充電控制芯片設(shè)計了一套實用的環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點能源補(bǔ)充系統(tǒng)。其中，太陽能電池尺寸為55mm×50mm，安裝于節(jié)點的外殼或密封蓋上。輸出電壓最大為4.5V，最大電流為50mA，最大功率約為0.2W。MAX1555外接電路簡單，大大減少了充電控制系統(tǒng)功耗、成本及體積。充電電池選擇南孚LR6AA型鋅錳堿性電池。從電池儲、放電原理分析，堿性鋅錳電池是可充電的，但充電電流不能過大。只有保證電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)有充足的完成時間，才可以減少電池的各種極化現(xiàn)象，同時系統(tǒng)還設(shè)計了過溫與過壓保護(hù)電路。
利用所設(shè)計的、具備太陽能充電功能的電源模塊與一般電池電源模塊進(jìn)行了相同負(fù)載的供電試驗。實驗期間為冬季，氣溫在5～10℃之間，天氣以多云和陰為主。光照、溫度等條件，在一年中都屬于較差的情況。
圖1 兩個電源模塊相同負(fù)載下供電首日電壓變化圖
由圖1看出，兩個電源模塊初始電壓相近。當(dāng)接入負(fù)載后，無充電功能的電源模塊2的電壓持續(xù)下降。具備太陽能充電功能的電源模塊1的電壓則隨日照強(qiáng)度而變化，并在14點左右達(dá)到峰值。經(jīng)過三天的放電試驗，電源模塊2的電壓持續(xù)下降，從3.2V降到3.1V。電源模塊1的電壓除在每天12點至14點期間出現(xiàn)峰值外，整體沒有下降趨勢。
如以傳感器節(jié)點平均日耗電8.148mAh為例，日耗電88J，使用沒有太陽能充電功能的兩節(jié)LR6AA型鋅錳堿性電池（2500mAh），理論上可持續(xù)工作300天。使用太陽能充電功能的相同電池供電系統(tǒng)，以年平均日照時數(shù)為2550.7小時（青島市）為例，選用的光電池平均日輸出電能大于 500J，大于節(jié)點日耗能量，因此使用期限取決于電池的充電壽命。
4.環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點能耗降低技術(shù)
無線傳感器節(jié)點的能量問題既包括能量的補(bǔ)充技術(shù)，還包括能量的節(jié)約技術(shù)。節(jié)電降耗措施主要包括幾個方面：
1. 節(jié)點通訊模式
傳感器節(jié)點一般工作于四種模式：發(fā)送、接收、空閑和休眠。研究表明，發(fā)送功耗、接收功耗和空閑功耗處于同一個數(shù)量級，而休眠功耗比其他模式功耗低 1～2個數(shù)量級;休眠模式切換到其他模式需要較多的能耗（和啟動時間）;通信模塊的發(fā)送功耗與傳輸距離和調(diào)制策略等因素密切相關(guān)。因此，為了節(jié)省通信能耗，應(yīng)盡可能使通信模塊處于休眠狀態(tài);盡可能減少節(jié)點通信模式的切換;適當(dāng)考慮多跳路由取代單跳路由。
2. 通訊協(xié)議能效策略
由于無線信道的廣播特性，通訊協(xié)議的研究主要圍繞MAC協(xié)議進(jìn)行，以確保各相鄰節(jié)點能夠共享信道，減少或避免碰撞，提高能效和吞吐率。利用處理功耗遠(yuǎn)低于通信功耗的特性，通過中間節(jié)點的處理，降低數(shù)據(jù)中的冗余度以減少通信量，提高通訊有效性[6]。
3. 通訊路由算法的能效標(biāo)準(zhǔn)[7]
網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定監(jiān)測信息的傳輸路徑[8]。在路由協(xié)議的選擇與設(shè)計中，不但要考慮時間，擁堵，可靠性等指標(biāo)，還要考慮單節(jié)點能量消耗和整個網(wǎng)絡(luò)能量分布均衡等指標(biāo)。
4. 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的能效優(yōu)化
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)計和功能設(shè)計應(yīng)充分考慮環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用特點，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)動作和控制行為，避免不必要的聯(lián)絡(luò)與測量，以保證在完成監(jiān)測任務(wù)的前提下延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
5.結(jié)語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測是一種新的環(huán)境信息獲取方式，提供了一個新的觀察角度和平臺。節(jié)點能量提供與管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。要有效延長環(huán)境監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命，須從節(jié)點能源提供技術(shù)、能源補(bǔ)充技術(shù)、能耗降低技術(shù)等方面加強(qiáng)。
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