基于ARM7的無線傳感器網絡節點能量管理初探

3 能量管理

　　無線傳感器網絡的拓撲結構造成了節點之間能量使用的不平衡性，因此無線傳感器網絡需要知道各節點電量的使用情況，取得電池的荷電狀態并由此轉換 節點的角色，動態地改變網絡的拓撲結構以抵消這種不平衡。因此對于無線傳感器網絡而言，不考慮電池的狀態只是簡單地通過DPM技術使節點進入低功耗狀態不 能使網絡范圍內能量的使用達到最優，最大程度地延長網絡的使用壽命。

　　3.1 電池模型

　　電池的荷電狀態通常表示為其當前可用容量與額定容量的比，它并不是放電時間和放電電流的線性函數，受到電池固有屬性“額定容量效應”和“恢復效 應”的影響，為進行電池設計、系統評估、優化電池使用策略，研究人員分別從不同層面提出了多種電池模型。本文采用文獻[7]基于馬爾可夫過程的電池模型進 行研究，該模型通過引入最小可用電荷單元將電池的荷電狀態表示為一種離散的瞬態隨機過程(如圖3)。圖中圓圈中的N，N-1，…，1，0表示某一時刻電池 的名義容量；qi表示在某個時間段內消耗i個電荷單元的概率。如果起始時電池有N個電荷單元，在某段時間內消耗了3個電荷單元，那么將發生這個事件的概率 表示為q3，電池的剩余電荷單元為N-3。

為了描述電池的“恢復效應”該模型根據電池在放電間歇恢復能力的強弱，把電池的恢復能力分為f(f=0，1，…，fmax)個階段。一個時間步內，電池處于狀態j(j=1，2，…，N-1)和f階段時恢復一個電荷單元的概率為：

　　式中，gN和gC與電池的恢復能力有關，q0是電池處于閑置狀態的概率。給出了恢復概率后，電池在某閑置時間內處于f階段保持電荷狀態不變的概率，可表示為

　　這種模型相對于偏微分方程描述的電池模型而言，計算量大為減少并且結果也很準確，可快速評估嵌入式系統結構設計對電池狀態的影響。但將其用于實時評估無線傳感器網絡節點荷電狀態開銷仍過大，因此有必要進一步探索電池建模方面的問題。

　　3.2 節點功率

　　具體應用中節點工作電流是評估電池荷電狀態的外在依據。由于無傳感器節點是由若干離散器件組成，因此其功率可由這些離散器件有效功耗狀態的組合求得，結果見表1。

4 結 論

　　無線傳感器網絡有著十分廣闊的應用前景，是一種革命性的信息獲取技術。目前無線傳感器網絡仍有諸多技術難題沒有解決，其中尤以能量管理、大規模 組網等問題比較突出。無線傳感器網絡能量的重要性需要研究人員發現代價更小的方法去準確預測電池的荷電狀態以平衡網絡節點壽命，優化網絡內能量消耗，這是 亟待解決的重要課題。