在可收集能量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對收集能量受限因素的研究

郭振杰

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

0 引言

目前，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加廣泛，如環(huán)境監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控、道路情況監(jiān)測、軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控、智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等[1-2]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器作為終端設(shè)備，可以感知并傳送周圍環(huán)境的信息，如溫度、濕度、風(fēng)速、光照強(qiáng)度以及氣體濃度等。在傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器由能量有限的電池供電，傳感器在感知、傳輸和接收轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)將會消耗大量能量，一旦傳感器能量消耗殆盡將無法正常工作，因此將會造成網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)傳感器能量耗盡后，通常采用更換傳感器的電池或用移動(dòng)的充電車來為傳感器充電。由于傳感器一般部署在環(huán)境比較惡劣的地方，因此更換傳感器的電池或用移動(dòng)充電車為傳感器充電難度大且成本高。因此，如何更有效的利用傳感器自身的能量尤為重要，也是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)。

近年來，隨著可再生能量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以為傳感器安裝能量轉(zhuǎn)換裝置，例如太陽能板，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能為傳感器自身供電。為了解決網(wǎng)絡(luò)壽命問題，一些開創(chuàng)性的研究人員提出使傳感器能夠從其周圍環(huán)境中獲取能量，例如太陽能、風(fēng)能、熱能等，使得傳感器補(bǔ)充能量不再受到地域和充電設(shè)備的限制。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于傳感器部署的隨機(jī)性以及部署位置的復(fù)雜性，傳感器使用可收集太陽能能量的電池時(shí)收集的能量多少會受到諸多因素的影響，目前的研究往往會忽略這些因素對太陽能收集的影響，因此本文將研究一些因素對能量收集的實(shí)際影響情況。

1 可收集能量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念

能量收集是通過轉(zhuǎn)化設(shè)備將一些自然界的能量，如太陽能、風(fēng)能、熱能等轉(zhuǎn)化為電能。隨著可再生能量技術(shù)的發(fā)展以及成熟，目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也得到了廣泛的應(yīng)用，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器通過內(nèi)嵌能量收集和轉(zhuǎn)化裝置可以從周圍環(huán)境中獲取能量為其供電，例如太陽能、風(fēng)能、熱能等。在本文中，考慮傳感器內(nèi)嵌的能量轉(zhuǎn)化裝置為太陽能板，傳感器通過將太陽能轉(zhuǎn)化為電能為其供電，因此解決了為傳感器充電受到地理環(huán)境復(fù)雜惡劣的影響以及使用充電車為傳感器充電成本高的約束。在使用能量收集技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為可收集能量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 能量收集受限因素

眾所周知，太陽能的收集受到諸多因素的影響，如時(shí)間因素、周圍環(huán)境因素以及天氣因素等。在計(jì)算傳感器收集能量值時(shí)需要考慮這些因素對能量預(yù)測值的影響。

2.1 時(shí)間因素對太陽能收集率的影響

如圖1（a）所示，在天氣晴朗的一天，傳感器太陽能的收集率隨著時(shí)間的變化情況。由于太陽朝升夕落在一天中是不斷變化的，因此太陽能收集率的高低受太陽光照強(qiáng)度的影響，如在凌晨6：00 以前以及傍晚20：00以后，由于太陽還沒升起沒有太陽光照，因此太陽能收集率非常低或?yàn)?。6：00 到14：00 隨著太陽的上升太陽關(guān)照強(qiáng)度也逐漸加強(qiáng)，太陽能的收集率隨之也逐漸升高。14：00 到20：00 隨著太陽降落太陽關(guān)照強(qiáng)度也逐漸減弱，太陽能的收集率隨之也逐漸降低。

另外，發(fā)現(xiàn)太陽能收集率與一天中太陽的關(guān)照強(qiáng)度變化一致，因此，太陽能收集率受到時(shí)間因素影響隨著時(shí)間變化而變化。

圖1 太陽能收集率變化

2.2 周圍環(huán)境因素對太陽能收集率的影響

眾所周知，當(dāng)傳感器周圍有樹木或建筑物存在時(shí)，在某一時(shí)刻太陽光將會被遮擋。一旦太陽光照被遮擋后則無法感受到光照強(qiáng)度，因此也無法將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。例如當(dāng)傳感器部署在特定區(qū)域內(nèi)如果周圍存在樹木或建筑物等一些比傳感器體積大的物體，如圖2所示，則傳感器在一天光照變化的過程中必定會被障礙物遮擋，當(dāng)傳感器被遮擋后收集的太陽能也會受到影響。

如圖1（b）所示，傳感器被建筑物遮擋時(shí)太陽能收集率的變化情況，當(dāng)在14：00 之前，由于傳感器被太陽直射到，因此太陽能收集率變化與周圍沒有障礙物的太陽能收集率相同，當(dāng)在14：00 之后，由于傳感器的光照被建筑物遮擋，所以太陽能收集率變低甚至收集率變?yōu)?。本文定義δ為遮擋因子，當(dāng)傳感器在t時(shí)刻被遮擋δ(t)=0，未被遮擋則δ(t)=1。

圖2 可收集能量的物聯(lián)網(wǎng)部署在有樹木的環(huán)境中

2.3 天氣因素對太陽能收集率的影響

眾所周知，日常生活中一天中的天氣變化多端，尤其在春夏兩個(gè)季節(jié)，因此天氣在一天中的不同時(shí)間也可能是不同的。例如，在某一天，上午是晴天有太陽，但下午有可能太陽消失天氣發(fā)生變化，變?yōu)殛幪旎蚴窍掠辍Ｒ虼?，在時(shí)間間隔t處收獲的能量的量與天氣條件高度相關(guān)。

在本文中采用了一個(gè)天氣因子ζ(d,t)來表示當(dāng)天時(shí)間間隔t的天氣狀況，并且ζ(d,t)值越大，表示天氣越好，其中0≤ζ(d,t)<1。例如，如果在時(shí)刻t天氣晴朗，則ζ(d,t)=1 ；如果在時(shí)刻t天氣部分多云，則ζ(d,t)=0.8；如果在時(shí)刻t的天氣多云，則ζ(d,t)=0.5；如果在時(shí)刻t下雨，則ζ(d,t)=0.1。

3 傳感器收集能量預(yù)測

由于時(shí)間因素、周圍環(huán)境因素以及天氣因素的存在，因此傳感器在收集能量時(shí)需要考慮這些因素對太陽能收集率的影響?？梢愿鶕?jù)歷史信息和天氣預(yù)報(bào)來預(yù)測傳感器收集的能量。根據(jù)前一天的太陽能收集率以及當(dāng)天的天氣情況，可以預(yù)測第二天每個(gè)時(shí)間間隔t的能量收獲率，本文不僅通過擴(kuò)展指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法[4]，而且還考慮了不同時(shí)間間隔的天氣因素。因此，在d天的每個(gè)時(shí)間間隔t處傳感器vi的收集能量的量可以預(yù)測為：

其中η是給定的權(quán)重，用來平衡預(yù)測和實(shí)際收集能量 的量，其 中0≤η ≤1（例 如，η=0.5），E'(vi,d,t)和E(vi,d-1,t)分別表示在前一天d-1 的時(shí)間間隔t處的預(yù)測和實(shí)際收集能量的量。

4 結(jié)語

本文介紹了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用能量收集技術(shù)時(shí)傳感器收集能量會受到其他因素的影響情況。本文討論了時(shí)間因素、周圍環(huán)境因素以及天氣因素對傳感器能量收集的影響，目前的研究在使用能量收集技術(shù)時(shí)往往會忽略這些因素對傳感器收集能量轉(zhuǎn)化的影響，但是在實(shí)際的應(yīng)用中這些因素對能量的收集會造成很大的影響，因此在計(jì)算傳感器收集的能量值時(shí)考慮這些因素對預(yù)測值的影響是至關(guān)重要的。