基于ARM7的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量管理初探

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(dòng)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(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，不考慮電池的狀態(tài)只是簡(jiǎn)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(zhǎng)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(shí)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(jì)、系統(tǒng)評(píng)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(shí)刻電池 的名義容量；qi表示在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)消耗i個(gè)電荷單元的概率。如果起始時(shí)電池有N個(gè)電荷單元，在某段時(shí)間內(nèi)消耗了3個(gè)電荷單元，那么將發(fā)生這個(gè)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(gè)階段。一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，電池處于狀態(tài)j(j=1，2，…，N-1)和f階段時(shí)恢復(fù)一個(gè)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(shí)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(duì)于偏微分方程描述的電池模型而言，計(jì)算量大為減少并且結(jié)果也很準(zhǔn)確，可快速評(píng)估嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池狀態(tài)的影響。但將其用于實(shí)時(shí)評(píng)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(píng)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(jià)更小的方法去準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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。