基于风能传感器网络中的传输功率控制
2013-12-02
(杭州电子科技大学计算机应用研究所，浙江 杭州310018)
0 引 言
延长传感器网络生命周期的方式侧重于两个方面:能量管理和能量收集。能量管理方面，减少无线收发器的工作时间是最有效的减少能耗的方式。睡眠-唤醒机制的引入，实现了无线收发器的合理使用。为了实现节点长时间睡眠而不影响正常的无线通讯，许多高效MAC 协议[1]，路由协议，数据汇总策略和传输功率控制策略被提出。能量收集方面，通过特定的装置收集环境中的太阳能、风能供网络中的节点使用[2，3]，也能延长无线传感器网络的工作时长。但是，使用具有充电功能的传感器节点也会遇到许多挑战，如在实际执行中的技术难度问题、由于超低的环境能量而造成的极低的充电效率问题等[4]。在本文中，一种安装在建筑表面、实现风能收集的旨在监测空调能耗和室外温度的无线传感器网络系统被提出并实施，作为常春藤项目[5]的一部分，称它为基于风能的建筑表面传感系统(Building Surface Mounted Wind Power Collected Wireless Sensor Network，BSWPWSN)。一种基于能量等级的传输功率控制策EL-TPC 也被提出，动态实现传输功率的多级别调整，达到延长传感器网络工作时长的目的。
1 BSWPWSN系统模型
作为常春藤项目的一部分，BSWPWSN系统的详细设计和系统特点如下。
1.1 系统应用和网络拓扑
BSWPWSN 中使用以CC2420为收发器组件的HDU 节点。CC2420可工作在31种不同的功率等级并拥有14个正交信号频道。通过调整功率和信道，能够满足不同的通信要求。为了实现对空调能耗的监测，HDU 节点及风能收集装置被密集的部署在空调外机扇叶的表面，网络部署情况如图1所示。节点间距为5-10m，在这种情况下需要调整部分节点的发射功率，以实现合理覆盖。
1.2 风能收集组件设计
在BSWPWSN系统中，风力是能量的来源。如图2所示，风能收集装置由4个交流电机和PCB控制板组成。空调开启时，交流电机将由扇叶带动旋转，将风能转换电能。该装置采用MaxWell 超级电容作为储能装置，可以在风扇转动时存储电能，并为节点提供能量。
图1 节点在建筑物表面的部署情况
图2 风能收装置
1.3 能量补给和能量消耗
充电过程中超级电容电压的变化情况如图3所示。由于电容电荷量Q =1/2CU2，随着电压的升高充电速度将略有减慢。
图3 超级电容充电情况
漏电作为超级电容的一个特性，不仅降低了超级电容的充电速度也限制了能量的存储时间，电能在2.5V 情况下，大约45min 后，电压就下降为无效值，不再供给传感器节点工作。
节点在相同占空比情况下，发射级别分为4、10、30时分别在10.5、8、5min 后，电源电压已经不能够供给节点工作。由上述分析，节点的能量消耗比充电速度更快。但是，采用合理的占空比，适时关掉无线收发器，则可以使整个无线传感器网络达到平衡状态。
2 EL-TPC方案说明
能量耗尽的节点将会进入“长期休眠”状态，不再工作。在本节中，EL-TPC实现能量的平衡利用，减少节点进入“长期休眠”状态的可能性，使节点提供连续有效的网络服务。
2.1 特征指定和系统参数
为满足EL-TPC实现合理控制，BSWPWSN 特征指定和系统参数归纳如下:
(1)固定的网格拓扑结构，两传感器节点之间形成固定距离的网格拓扑结构;
(2)时间同步，传感器节点在初始化后，同Sink 节点同步部署;
(3)占空比和采样速度，考虑到超级电容的能量泄漏和充电速度以及节点的能量消耗速率，选择15%占空比以达到能量平衡，采样速度每秒一次;
(4)分组拥塞，分组策略减少拥塞可能性;
(5)直接通信，两个节点间的最大的传输距离约为100m，因此，在高功率等级30时，任何两个节点都可以实现直接通信;
(6)能量存储能力，超级电容无法长时间存储能量，当能量过剩时应适当提高工作占空比。
2.2 多传输范围选择
在BSWPWSN 中采用了改变传输功率级别，调节传输范围的控制策略。在EL-TPC中，3个发射功率等级厘定如下:
(1)高级别，节点收发器CC2420 使用功率30级，使其能够直接与Sink 节点通信。只有当电压为2v 或更高并有充足电能供应时，网络节点才将工作在这个级别;
(2)中级别，节点使用功率10级，收发器能够覆盖约30m的距离，每个方向上有大约3个邻居节点。只有当电压低于2V 但仍维持正常工作时，节点才将工作在这个级别;
(3)低级别，节点没有外界充电情况下，降低功率级至4级。仅完成基本的传输任务。
2.3 数据包传送控制
数据包的交付在EL-TPC 协调完成，有3种数据包交付策略。
第一种策略:直接通信。一旦有节点满足高级别，它向在其覆盖范围内的节点发出集群广播“邀请”。一旦有节点接收到“邀请”，它将向高级别节点发送一个回退的ACK。高级别节点收到ACK 后会回复一条确认信息，从而确认它们属于同一集群。
第二种策略:多跳。在网络初始化阶段，如果一个节点没有收到任何的“握手”信息，它将发送“访问请求”数据包，其发送功率覆盖范围内有任何中级别的节点收到这个包，会回复一个“访问接受”包。然后，一个多跳到Sink的路线就形成了。
第三个策略:定期唤醒和广播。这种策略应用在风能收集组件不能正常工作的节点。为了节省能量，大部分时间内，关闭其无线电收发器，定期的将其唤醒。
3 实验分析
为了验证BSWPWSN和EL–TPC 整体性能，系统进行了持续3 天的实验监测。整个过程中，Sink 节点位于PC 服务器，其他节点部署在建筑物表面。如图4所示，剩余能量和时间的关系。图4中，在高级别和中级别节点，60s的工作周期内，充电量几乎和这段时间的能量消耗一致。能量在节点唤醒阶段下降非常快，因为此时无线收发器的工作消耗了大部分的能量。
图4 能量消耗随时间的关系
快速充电期间，风能收集装置收集的能量不仅能够为节点工作提供能量，同时还能将多余能量存储在超级电容中。在低级别节点中能量的消耗维持在较低的水平，这是因为在低级别节点中的无线通讯任务非常少。但是如果长期没有收集到能量，节点将会因用光能量而不再工作。但是这种情况极少发生，因为空调将会在一段时间内被打开。
4 结束语
本文介绍了常春藤项目中一种基于风能收集的无线传感器网络BSWPWSN。该系统中，风能是能量唯一来源，收集到的能量被储存在超级电容中，供节点使用。本阶段，该系统用于空调能耗监控和室外温度监测。与此同时，传输功率控制策略EL-TPC 也被提出，它可以使无线传感器网络更有效、更稳定，从而降低节点因为能量水平下降而导致不能工作的可能性。在未来，将会有更多的附加功能加入到常春藤网络系统中，太阳能收集也将作为补充能源被引进来。
[1]Kim Y，Schmid T，Charbiwala Z.Viridiscope:design and implementation of a fine grained power monitoring system for homes[C].Florida:Association for Computing Machinery，2009:245-254.
[2]Dutta P，Hui J，Jeong J.Trio:enabling sustainable and scalable outdoor wireless sensor network deployments[C].New York:Information processing in sensor networks，2006:407-415.
[3]Corke P，Valencia P，Sikka P.Long-duration solar-powered wireless sensor networks[C].New York:Embedded networked sensors，2007:33-37.
[4]Jiang X，DawsonHaggerty S，Dutta P.Design and implementation of a high-fidelity AC metering network[C].San Francisco:Information processing in sensor networks Association for Computing Machinery，2009:253-264.
[5]Liu P，Zhang S，Qiu J.Building Surface Mounted Wireless Sensor Network for Air Conditioner Energy Auditing[C].Shanghai:IEEE International Conference on Computer Communications，2011:26-31.
