無線傳感器網(wǎng)絡的電池恢復作用研究

譚 增，蘇 希，唐 勇，蔣佳軍

(湖南人文科技學院 計算機科學技術系，湖南 婁底 417000)

無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)[1-2]是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的廉價微型傳感器節(jié)點組成。然而，傳感器節(jié)點體積微小并且要求廉價，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)議的設計是傳感器網(wǎng)絡中至關重要的課題。大量文獻[3-5]表明WSN協(xié)議的節(jié)能研究比較多，而針對節(jié)點電池本身的節(jié)能研究較少。每個傳感器節(jié)點都由一個容量有限的電池驅(qū)動。電池放電過程中發(fā)生一系列復雜的電化學反應。電池模型可以將電池參數(shù)從復雜的電化學反應中抽象出來，通過建立電池模型獲得有關電池壽命參數(shù)。近來研究表明[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，延長電池的使用壽命。因此針對節(jié)點本身能量優(yōu)化進行研究對延長WSN的生命期具有積極作用。

一 電池及電池模型

無線傳感器網(wǎng)絡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，因為，鎳鎘使用壽命長，鎳—金屬氫化物電池具有高的能量密度。在化學工程領域中有很多關于電池性能的研究，文獻[7]對電池供電的傳感器的性能進行了實驗研究，但是，沒有考察飽和閾值。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分簡化了電池的現(xiàn)實特征(如允許無限制的電池恢復)?？紤]電池現(xiàn)實特征的模型主要有兩種。

第一，動力學電池模型，試圖通過一組常微分方程模擬電極與電解液之間詳細的化學反應與擴散過程。這些模型的目的是充分俘獲電池的非線性動力學。然而，這些模型不容易控制，且電池不同形式的因素對模型精度的影響較大。

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

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

二 電池恢復的實驗分析

通過WSN測試平臺所得到實驗結(jié)果對電池恢復的作用進行分析。實驗采用來自Crossbow公司的兩種最普遍的商業(yè)傳感器節(jié)點：TelosB 和Imote2。TelosB采用MSP430作為MCU，CC2420作為無線收發(fā)器。Imote2采用PXA271作為CPU，CC2420作為無線收發(fā)器。TelosB擁有更多的節(jié)能設置，能量消耗低，然而，Imote2具有較強的計算能力，能量消耗高。我們主要研究Imote2的電池恢復作用的效率。

實驗中，使用一個A/D轉(zhuǎn)換接口卡和軟件LabVIEW對一對通信傳感器的放電情況進行采集。每個傳感器采用AAA標準、600 mAh的鎳氫電池供電(TelosB，2個，Imote2，3個)。當電池的供電電壓低于一定的極限時(叫做限定電壓)，設備停止工作，被視為完全放電。讓無線收發(fā)器周期性地處于激活或睡眠模式，從而將傳感器節(jié)點設定為不同的工作周期率，并測定出相應的電池運行時間。工作周期率被定義為激活時間占整個周期的比例，標準化的電池運行時間等于測量到的電池運行時間乘以工作周期率。

針對確定性工作周期方案進行實驗。圖1、圖2以標準化的電池運行時間展示出了TelosB收發(fā)器的放電情況，Imote2的放電情況如圖3所示。對比無線通信持續(xù)運行情況，圖1、圖2及圖3分別給出了標準化電池運行時間的增加情況。實驗得出了以下結(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)有明顯的電池恢復作用跡象。在相同的激活時間周期下，更長的睡眠時間周期導致更長的標準化電池運行時間，因此，電池有更多的可交付使用的能量。

2)睡眠時間周期的影響是非線性的。當睡眠時間超過一定的值時，睡眠時間對電池恢復作用的影響很小，我們把這個極限值稱為飽和閾值。

3)激活時間周期的影響同時是非線性的。非常小的激活時間出現(xiàn)較大的標準化電池運行時間增加。

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

通過實驗可得到，電池實際的運行時間要長于正常電池運行時間。因此，工作周期方案不僅可以通過睡眠模式來節(jié)省開銷時間來延長網(wǎng)絡生命，也可以通過電池恢復來增加可供使用的能量。

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