(杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究所，浙江 杭州310018)

0 引 言

延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的方式側(cè)重于兩個(gè)方面:能量管理和能量收集。能量管理方面，減少無(wú)線收發(fā)器的工作時(shí)間是最有效的減少能耗的方式。睡眠-喚醒機(jī)制的引入，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線收發(fā)器的合理使用。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間睡眠而不影響正常的無(wú)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(guò)特定的裝置收集環(huán)境中的太陽(yáng)能、風(fēng)能供網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)使用[2，3]，也能延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)長(zhǎng)。但是，使用具有充電功能的傳感器節(jié)點(diǎn)也會(huì)遇到許多挑戰(zhàn)，如在實(shí)際執(zhí)行中的技術(shù)難度問(wèn)題、由于超低的環(huán)境能量而造成的極低的充電效率問(wèn)題等[4]。在本文中，一種安裝在建筑表面、實(shí)現(xiàn)風(fēng)能收集的旨在監(jiān)測(cè)空調(diào)能耗和室外溫度的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被提出并實(shí)施，作為常春藤項(xiàng)目[5]的一部分，稱它為基于風(fēng)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(jí)的傳輸功率控制策EL-TPC 也被提出，動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)傳輸功率的多級(jí)別調(diào)整，達(dá)到延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)長(zhǎng)的目的。

1 BSWPWSN系統(tǒng)模型

作為常春藤項(xiàng)目的一部分，BSWPWSN系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)特點(diǎn)如下。

1.1 系統(tǒng)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

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

1.2 風(fēng)能收集組件設(shè)計(jì)

在BSWPWSN系統(tǒng)中，風(fēng)力是能量的來(lái)源。如圖2所示，風(fēng)能收集裝置由4個(gè)交流電機(jī)和PCB控制板組成。空調(diào)開啟時(shí)，交流電機(jī)將由扇葉帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換電能。該裝置采用MaxWell 超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置，可以在風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)電能，并為節(jié)點(diǎn)提供能量。

圖1 節(jié)點(diǎn)在建筑物表面的部署情況

圖2 風(fēng)能收裝置

1.3 能量補(bǔ)給和能量消耗

充電過(guò)程中超級(jí)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(jí)電容充電情況

漏電作為超級(jí)電容的一個(gè)特性，不僅降低了超級(jí)電容的充電速度也限制了能量的存儲(chǔ)時(shí)間，電能在2.5V 情況下，大約45min 后，電壓就下降為無(wú)效值，不再供給傳感器節(jié)點(diǎn)工作。

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

2 EL-TPC方案說(shuō)明

能量耗盡的節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)入“長(zhǎng)期休眠”狀態(tài)，不再工作。在本節(jié)中，EL-TPC實(shí)現(xiàn)能量的平衡利用，減少節(jié)點(diǎn)進(jìn)入“長(zhǎng)期休眠”狀態(tài)的可能性，使節(jié)點(diǎn)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(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩傳感器節(jié)點(diǎn)之間形成固定距離的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

(2)時(shí)間同步，傳感器節(jié)點(diǎn)在初始化后，同Sink 節(jié)點(diǎn)同步部署;

(3)占空比和采樣速度，考慮到超級(jí)電容的能量泄漏和充電速度以及節(jié)點(diǎn)的能量消耗速率，選擇15%占空比以達(dá)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(gè)節(jié)點(diǎn)間的最大的傳輸距離約為100m，因此，在高功率等級(jí)30時(shí)，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)直接通信;

(6)能量存儲(chǔ)能力，超級(jí)電容無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)能量，當(dāng)能量過(guò)剩時(shí)應(yīng)適當(dāng)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(jí)別，調(diào)節(jié)傳輸范圍的控制策略。在EL-TPC中，3個(gè)發(fā)射功率等級(jí)厘定如下:

(1)高級(jí)別，節(jié)點(diǎn)收發(fā)器CC2420 使用功率30級(jí)，使其能夠直接與Sink 節(jié)點(diǎn)通信。只有當(dāng)電壓為2v 或更高并有充足電能供應(yīng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)才將工作在這個(gè)級(jí)別;

(2)中級(jí)別，節(jié)點(diǎn)使用功率10級(jí)，收發(fā)器能夠覆蓋約30m的距離，每個(gè)方向上有大約3個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)電壓低于2V 但仍維持正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)才將工作在這個(gè)級(jí)別;

(3)低級(jí)別，節(jié)點(diǎn)沒(méi)有外界充電情況下，降低功率級(jí)至4級(jí)。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(diǎn)滿足高級(jí)別，它向在其覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)發(fā)出集群廣播“邀請(qǐng)”。一旦有節(jié)點(diǎn)接收到“邀請(qǐng)”，它將向高級(jí)別節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)回退的ACK。高級(jí)別節(jié)點(diǎn)收到ACK 后會(huì)回復(fù)一條確認(rèn)信息，從而確認(rèn)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(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到任何的“握手”信息，它將發(fā)送“訪問(wèn)請(qǐng)求”數(shù)據(jù)包，其發(fā)送功率覆蓋范圍內(nèi)有任何中級(jí)別的節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)包，會(huì)回復(fù)一個(gè)“訪問(wèn)接受”包。然后，一個(gè)多跳到Sink的路線就形成了。

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

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證BSWPWSN和EL–TPC 整體性能，系統(tǒng)進(jìn)行了持續(xù)3 天的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)。整個(gè)過(guò)程中，Sink 節(jié)點(diǎn)位于PC 服務(wù)器，其他節(jié)點(diǎn)部署在建筑物表面。如圖4所示，剩余能量和時(shí)間的關(guān)系。圖4中，在高級(jí)別和中級(jí)別節(jié)點(diǎn)，60s的工作周期內(nèi)，充電量幾乎和這段時(shí)間的能量消耗一致。能量在節(jié)點(diǎn)喚醒階段下降非常快，因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)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(shí)間的關(guān)系

快速充電期間，風(fēng)能收集裝置收集的能量不僅能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)工作提供能量，同時(shí)還能將多余能量存儲(chǔ)在超級(jí)電容中。在低級(jí)別節(jié)點(diǎn)中能量的消耗維持在較低的水平，這是因?yàn)樵诘图?jí)別節(jié)點(diǎn)中的無(wú)線通訊任務(wù)非常少。但是如果長(zhǎng)期沒(méi)有收集到能量，節(jié)點(diǎn)將會(huì)因用光能量而不再工作。但是這種情況極少發(fā)生，因?yàn)榭照{(diào)將會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)被打開。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了常春藤項(xiàng)目中一種基于風(fēng)能收集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)BSWPWSN。該系統(tǒng)中，風(fēng)能是能量唯一來(lái)源，收集到的能量被儲(chǔ)存在超級(jí)電容中，供節(jié)點(diǎn)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(cè)。與此同時(shí)，傳輸功率控制策略EL-TPC 也被提出，它可以使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更有效、更穩(wěn)定，從而降低節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰克较陆刀鴮?dǎo)致不能工作的可能性。在未來(lái)，將會(huì)有更多的附加功能加入到常春藤網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能收集也將作為補(bǔ)充能源被引進(jìn)來(lái)。

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