譚 增，蘇 希，唐 勇，蔣佳軍

(湖南人文科技學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系，湖南 婁底 417000)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)[1-2]是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小并且要求廉價(jià)，一般采用電池供電，能量極其有限。而且，WSN的部署與電池回收也及其不便，通常限制了電池的頻繁更換。因此，能量效率控制算法與協(xié)議的設(shè)計(jì)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中至關(guān)重要的課題。大量文獻(xiàn)[3-5]表明WSN協(xié)議的節(jié)能研究比較多，而針對(duì)節(jié)點(diǎn)電池本身的節(jié)能研究較少。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都由一個(gè)容量有限的電池驅(qū)動(dòng)。電池放電過(guò)程中發(fā)生一系列復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)。電池模型可以將電池參數(shù)從復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)中抽象出來(lái)，通過(guò)建立電池模型獲得有關(guān)電池壽命參數(shù)。近來(lái)研究表明[6]，電池的放電特征極大地影響電池的容量，電池所能提供的實(shí)際電能隨電池放電形式的不同而有很大區(qū)別, 一般采取有效的放電方式使電池充分釋放其能量，延長(zhǎng)電池的使用壽命。因此針對(duì)節(jié)點(diǎn)本身能量?jī)?yōu)化進(jìn)行研究對(duì)延長(zhǎng)WSN的生命期具有積極作用。

一 電池及電池模型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般使用可充電電池，如鎳鎘、鎳—金屬氫化物電池、密封鉛酸、鋰離子以及鋰聚合物等。不同的電池具有不同的屬性。其中，鎳鎘、鎳—金屬氫化物電池被經(jīng)常使用，因?yàn)?，鎳鎘使用壽命長(zhǎng)，鎳—金屬氫化物電池具有高的能量密度。在化學(xué)工程領(lǐng)域中有很多關(guān)于電池性能的研究，文獻(xiàn)[7]對(duì)電池供電的傳感器的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但是，沒(méi)有考察飽和閾值。盡管在組網(wǎng)中電池消耗被廣泛地模擬，但是現(xiàn)存的模型都忽略或過(guò)分簡(jiǎn)化了電池的現(xiàn)實(shí)特征(如允許無(wú)限制的電池恢復(fù))。考慮電池現(xiàn)實(shí)特征的模型主要有兩種。

第一，動(dòng)力學(xué)電池模型，試圖通過(guò)一組常微分方程模擬電極與電解液之間詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散過(guò)程。這些模型的目的是充分俘獲電池的非線性動(dòng)力學(xué)。然而，這些模型不容易控制，且電池不同形式的因素對(duì)模型精度的影響較大。

第二，隨機(jī)性電池模型，利用概率馬爾可夫模型描述電池動(dòng)態(tài)。但是，大多數(shù)沒(méi)有考慮空閑時(shí)間周期的影響。文獻(xiàn)[8]考慮了嵌入式系統(tǒng)中的空閑時(shí)間周期，但是沒(méi)有處理其在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的性能。所有的隨機(jī)電池模型都使用不同于確定性動(dòng)力學(xué)電池模型的概率電池恢復(fù)，試圖以較低的復(fù)雜程度去模擬動(dòng)力學(xué)電池模型。此外，這些模型也不容易控制，很少提供分析解。

本文利用一種簡(jiǎn)化的隨機(jī)電池模型。該模型使用確定性的電池恢復(fù)，并能俘獲電池的現(xiàn)實(shí)特征，如有限的電池恢復(fù)和空閑時(shí)間周期的影響。更重要的是，能夠從模型中得到更有用的現(xiàn)實(shí)電池行為分析見(jiàn)解。

二 電池恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)WSN測(cè)試平臺(tái)所得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)電池恢復(fù)的作用進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)采用來(lái)自Crossbow公司的兩種最普遍的商業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)：TelosB 和Imote2。TelosB采用MSP430作為MCU，CC2420作為無(wú)線收發(fā)器。Imote2采用PXA271作為CPU，CC2420作為無(wú)線收發(fā)器。TelosB擁有更多的節(jié)能設(shè)置，能量消耗低，然而，Imote2具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，能量消耗高。我們主要研究Imote2的電池恢復(fù)作用的效率。

實(shí)驗(yàn)中，使用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換接口卡和軟件LabVIEW對(duì)一對(duì)通信傳感器的放電情況進(jìn)行采集。每個(gè)傳感器采用AAA標(biāo)準(zhǔn)、600 mAh的鎳氫電池供電(TelosB，2個(gè)，Imote2，3個(gè))。當(dāng)電池的供電電壓低于一定的極限時(shí)(叫做限定電壓)，設(shè)備停止工作，被視為完全放電。讓無(wú)線收發(fā)器周期性地處于激活或睡眠模式，從而將傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)定為不同的工作周期率，并測(cè)定出相應(yīng)的電池運(yùn)行時(shí)間。工作周期率被定義為激活時(shí)間占整個(gè)周期的比例，標(biāo)準(zhǔn)化的電池運(yùn)行時(shí)間等于測(cè)量到的電池運(yùn)行時(shí)間乘以工作周期率。

針對(duì)確定性工作周期方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖1、圖2以標(biāo)準(zhǔn)化的電池運(yùn)行時(shí)間展示出了TelosB收發(fā)器的放電情況，Imote2的放電情況如圖3所示。對(duì)比無(wú)線通信持續(xù)運(yùn)行情況，圖1、圖2及圖3分別給出了標(biāo)準(zhǔn)化電池運(yùn)行時(shí)間的增加情況。實(shí)驗(yàn)得出了以下結(jié)果：

圖1 不同睡眠周期下TelosB的放電情況圖

圖2 不同激活周期下TelosB的放電情況圖

圖3 不同睡眠周期下Imote2的放電情況圖

1)有明顯的電池恢復(fù)作用跡象。在相同的激活時(shí)間周期下，更長(zhǎng)的睡眠時(shí)間周期導(dǎo)致更長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化電池運(yùn)行時(shí)間，因此，電池有更多的可交付使用的能量。

2)睡眠時(shí)間周期的影響是非線性的。當(dāng)睡眠時(shí)間超過(guò)一定的值時(shí)，睡眠時(shí)間對(duì)電池恢復(fù)作用的影響很小，我們把這個(gè)極限值稱為飽和閾值。

3)激活時(shí)間周期的影響同時(shí)是非線性的。非常小的激活時(shí)間出現(xiàn)較大的標(biāo)準(zhǔn)化電池運(yùn)行時(shí)間增加。

4)即使傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)器處于睡眠狀態(tài)，由于時(shí)鐘或其它處理的激活，仍然會(huì)存在能量消耗。睡眠模式下，TelosB的能耗為6.1μA，而Imote2的為0.38mA。我們注意到，電池恢復(fù)可在低電池消耗下發(fā)生，且背景消耗對(duì)電池恢復(fù)的影響不大。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得到，電池實(shí)際的運(yùn)行時(shí)間要長(zhǎng)于正常電池運(yùn)行時(shí)間。因此，工作周期方案不僅可以通過(guò)睡眠模式來(lái)節(jié)省開(kāi)銷時(shí)間來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命，也可以通過(guò)電池恢復(fù)來(lái)增加可供使用的能量。

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