太陽(yáng)能無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量預(yù)測(cè)模型

張蓉蓉

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

0 引言

傳感器網(wǎng)絡(luò)有著廣泛的應(yīng)用，例如，水質(zhì)監(jiān)測(cè)、橋梁安全監(jiān)測(cè)、火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)、森林監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)大棚養(yǎng)殖、可穿戴設(shè)備，等等。通常在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量密集的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信相互組網(wǎng)形成一個(gè)自組織的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中都會(huì)消耗其自身的能量。關(guān)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究有一個(gè)共同的焦點(diǎn)：能量效率。傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)采用唯一的有限的電池進(jìn)行供電，當(dāng)電池能量不足時(shí)傳感器無(wú)法進(jìn)行感知任務(wù)，然而對(duì)電池進(jìn)行人為的更換或者充電十分困難并且昂貴的。研究學(xué)者提出了不同的技術(shù)來(lái)減慢電池能量的消耗，包括傳感器的睡眠-喚醒機(jī)制，讓其中一部分節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式以降低其能量消耗，但是這種模式中睡眠的節(jié)點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)感知任務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。隨著太陽(yáng)能收集技術(shù)的發(fā)展，給傳感器節(jié)點(diǎn)配置太陽(yáng)能收集轉(zhuǎn)化裝置來(lái)進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的能量補(bǔ)充已經(jīng)成為可能[1-2]。因此本文考慮給傳感器節(jié)點(diǎn)配備能量收集裝置使其可以收集周?chē)h(huán)境中的能量，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、電磁能，等等。

對(duì)于可收集太陽(yáng)能的傳感器節(jié)點(diǎn)，其收集的太陽(yáng)能隨著時(shí)間的變化而變化，例如白天和夜晚傳感器節(jié)點(diǎn)收集的太陽(yáng)能有較大的差異；傳感器節(jié)點(diǎn)地理位置的不同其收集的太陽(yáng)能數(shù)量也不相同，例如有些傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被障礙物遮擋，其收集的太陽(yáng)能會(huì)大大減少；另外，傳感器節(jié)點(diǎn)可收集的太陽(yáng)能多少與當(dāng)時(shí)的天氣情況有關(guān)，若是晴朗天氣，其太陽(yáng)能收集數(shù)量多。因此本文首先介紹在太陽(yáng)能收集的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量子系統(tǒng)，接著詳細(xì)分析了影響傳感器節(jié)點(diǎn)收集太陽(yáng)能的三個(gè)主要因素。通過(guò)綜合考慮這三個(gè)因素，如何預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)未來(lái)可收集太陽(yáng)能數(shù)量的多少，以便于更加合理地調(diào)度傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集任務(wù)。

1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含八個(gè)部分，分別為：①太陽(yáng)能收集器，可以收集環(huán)境中的太陽(yáng)能并將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化；②能量管理器，決定收集的太陽(yáng)能是被直接用于感知任務(wù)還是將其存儲(chǔ)到電池中給未來(lái)使用；③能量存儲(chǔ)器，即電池，將收集的能量存儲(chǔ)起來(lái)供未來(lái)使用；④微控制器；⑤接收器，負(fù)責(zé)接收和轉(zhuǎn)發(fā)信息；⑥感知器，用于感知監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息；⑦A/D轉(zhuǎn)化器，將傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)數(shù)字化，以便于微控制器進(jìn)行進(jìn)一步的處理；⑧內(nèi)存，存儲(chǔ)感知的信息。

2 節(jié)點(diǎn)能量子系統(tǒng)

可收集太陽(yáng)能的傳感器節(jié)點(diǎn)其能量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包含一個(gè)或者多個(gè)太陽(yáng)能收集器，可以收集環(huán)境中的太陽(yáng)能并將其轉(zhuǎn)化。在本文的能量子系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接使用由太陽(yáng)能收集器收集的能量，同時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)配備一個(gè)有限容量的電池作為能量存儲(chǔ)單元，當(dāng)太陽(yáng)能收集速率大于當(dāng)前的能量消耗速率并且電池能量未達(dá)到電池容量限制時(shí)，多余收集的太陽(yáng)能也可以被存儲(chǔ)到電池中給以后使用，從而使得在沒(méi)有太陽(yáng)能收集的夜晚也可以有能量支持感知任務(wù)。

圖1 太陽(yáng)能收集傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 太陽(yáng)能收集傳感器節(jié)點(diǎn)能量子系統(tǒng)圖

3 能量預(yù)測(cè)模型EH

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，可收集的太陽(yáng)能與時(shí)間、傳感器節(jié)點(diǎn)的地理位置以及當(dāng)時(shí)的天氣情況息息相關(guān)，并且是動(dòng)態(tài)變化的，但是我們可以根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)收集能量的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)時(shí)的天氣情況來(lái)預(yù)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)每個(gè)時(shí)刻的能量收集數(shù)量。

我們令xi-1為第i-1天該時(shí)刻的能量收集數(shù)量，第i-1天該時(shí)刻預(yù)測(cè)的太陽(yáng)能收集數(shù)量，那么：

其中ω為給定的參數(shù)，其取值范圍為0≤ω≤1。α(i)表示當(dāng)天t時(shí)刻的天氣情況。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都配備了37×33mm2的太陽(yáng)能板，假設(shè)所有傳感器的太陽(yáng)能板都以最佳角度設(shè)置，并且太陽(yáng)能板的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率相同。本文通過(guò)NREL太陽(yáng)能輻射研究實(shí)驗(yàn)室的基線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)獲得真實(shí)的歷史太陽(yáng)能數(shù)據(jù)。為了討論影響太陽(yáng)能收集的因素，本文首先部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部署少量特定位置的傳感器節(jié)點(diǎn)如圖3，其中可看到傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被周邊樹(shù)木的遮擋，會(huì)影響其太陽(yáng)能收集。

圖3 節(jié)點(diǎn)位置圖

4.1 影響太陽(yáng)能收集因素

本小節(jié)將從傳感器節(jié)點(diǎn)收集太陽(yáng)能的數(shù)據(jù)著手，分析影響太陽(yáng)能收集數(shù)量的三個(gè)主要因素。

圖4 影響太陽(yáng)能收集數(shù)量因素圖

（1）時(shí)間變化

從圖4（a）中可看出，傳感器節(jié)點(diǎn)從早晨大約6：00一直到晚上19：00都可以收集到太陽(yáng)能，其中正午大約13：00時(shí)太陽(yáng)能收集速率最高。

（2）天氣情況

為了說(shuō)明在不同的天氣情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)可收集的太陽(yáng)能不同，觀(guān)察同一傳感器節(jié)點(diǎn)在不同天氣情況下的太陽(yáng)能收集情況，圖4（a）為天氣晴朗時(shí)太陽(yáng)能收集速率隨時(shí)間變化圖，而圖4（b）為天氣情況為多云時(shí)太陽(yáng)能收集速率隨時(shí)間變化圖。從圖中可看出，當(dāng)天氣情況為多云時(shí)，其太陽(yáng)能收集速率較天氣晴朗時(shí)更加不穩(wěn)定，并且太陽(yáng)能收集速率更低。

（3）地理位置

為了比較因傳感器節(jié)點(diǎn)的地理位置導(dǎo)致的太陽(yáng)能收集數(shù)量的變化，實(shí)驗(yàn)比較為了中節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)在天晴情況晴朗時(shí)的太陽(yáng)能收集速率的變化，其中節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)能收集速率如上圖4（a）所示，節(jié)點(diǎn)的太陽(yáng)能收集速率如圖4（c）所示。從圖4（c）中可看出由于節(jié)點(diǎn)下午被周?chē)鷺?shù)木的遮擋，導(dǎo)致其太陽(yáng)能收集速率基本下降為0。

綜上所述，圖4中可看出傳感器節(jié)點(diǎn)收集太陽(yáng)能的數(shù)量與時(shí)間變化、天氣情況和傳感器節(jié)點(diǎn)的地理位置息息相關(guān)。

4.2 能量收集預(yù)測(cè)對(duì)比

Kansal等人[3]基于指數(shù)加權(quán)平均移動(dòng)濾波器提出了一個(gè)太陽(yáng)能預(yù)測(cè)模型（EWMA），該模型假設(shè)該天t時(shí)刻的太陽(yáng)能收集數(shù)量與前一天相同時(shí)刻的收集數(shù)量相似，在t時(shí)刻收集的太陽(yáng)能收集數(shù)量為之前所有天中該時(shí)刻收集太陽(yáng)能收集數(shù)量的加權(quán)平均值，其中天數(shù)越接近當(dāng)天起權(quán)值越大。圖5為同一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在中午12：00到16：00中本文所提模型與EWMA模型的預(yù)測(cè)收集太陽(yáng)能的對(duì)比，以及與真實(shí)收集太陽(yáng)能的差距。

圖5 太陽(yáng)能預(yù)測(cè)對(duì)比圖

從圖5中可以看出，本文所提能量預(yù)測(cè)模型比EWMA模型預(yù)測(cè)的收集太陽(yáng)能數(shù)量更接近傳感器節(jié)點(diǎn)收集太陽(yáng)能的真實(shí)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了能量可收集傳感器網(wǎng)絡(luò)尤其是太陽(yáng)能收集傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及能量管理模型。詳細(xì)說(shuō)明了影響太陽(yáng)能傳感器節(jié)點(diǎn)收集太陽(yáng)能的三大因素，分別是時(shí)間變化、天氣情況和地理位置。接著提出了可收集太陽(yáng)能數(shù)量的預(yù)測(cè)模型，綜合考慮已有的歷史太陽(yáng)能收集數(shù)據(jù)，以及未來(lái)的天氣情況，對(duì)未來(lái)每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)傳感器可以收集的太陽(yáng)能數(shù)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。最后本文對(duì)所提的太陽(yáng)能收集預(yù)測(cè)模型與經(jīng)典的EWMA模型進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步說(shuō)明本文所提太陽(yáng)能收集預(yù)測(cè)模型更加接近真實(shí)的太陽(yáng)能收集數(shù)量，提高了預(yù)測(cè)的精度。