基于ARM7的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量管理初探

   1 引言
 
      微小的、資源非常有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是無傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，擔(dān)負著信息采集、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸?shù)戎厝巍?/p>

　　隨著MEMS技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的進步，逐漸使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實。研究人員利用嵌入式技術(shù)開發(fā)出了小型化板級無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，而這在30年前還僅是一種構(gòu)想；單片無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也已經(jīng)問世，但距離實用仍有相當(dāng)一段路要走。為了研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)和 能量管理技術(shù)我們采用基于ARM7核的SOC單片機LPC2138開發(fā)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(如圖1)。

      2 節(jié)點設(shè)計概述

　　相對于處理器運算速度和功耗提高的幅度而言，電池性能的提高則緩慢許多，使得能量管理成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大的挑戰(zhàn)。為了節(jié)能無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 要求節(jié)點具有動態(tài)電源管理(DPM)功能，在節(jié)點空閑時應(yīng)進入低功耗狀態(tài)以節(jié)省能量。實現(xiàn)DPM功能需要微控制器的支持，由于ARM技術(shù)在無線通信領(lǐng)域有 著無可比擬的優(yōu)勢，己有超過85％的無線通信設(shè)備采用了ARM技術(shù)。我們選擇了菲利浦公司生產(chǎn)的ARM基高性能、低功耗微控制器LPC2138構(gòu)建處理單 元。

      LPC2138提供了完善的DPM支持：具有休眠和掉電兩種低功耗狀態(tài)，可通過外部中斷將其喚醒；振蕩模式下支持1～30 MHz外部晶體，通過鎖相環(huán)可使CPU獲得高達60 MHz的工作頻率，為了節(jié)能采用8 MHz晶體；片內(nèi)外設(shè)除了可通過外設(shè)功率控制寄存器開啟、關(guān)閉外，其工作頻率亦可通過分頻器調(diào)整為處理器時鐘頻率的1／2或1／4。另外，存儲加速功能可 極大地加快程序的運行速度，提高能量效率。這些使得LPC2138適合應(yīng)用到具有相當(dāng)處理能力的低功耗系統(tǒng)中。

      為了使節(jié)點可用兩節(jié)AA電池供電，采用升壓型DC-DC MAX756構(gòu)建供電單元。除了升壓外MAX756還具有電源監(jiān)控的功能，當(dāng)Vin(可通過R1和R3調(diào)整)低于1.25 V時，LBO引腳輸出低電平、灌電流(如圖2)。這雖不能準(zhǔn)確給出電池荷電狀態(tài)(SOC)的多少，卻可讓傳感器節(jié)點了解其電池的荷電狀態(tài)下降到了某種程 度，節(jié)點不再適合擔(dān)任較繁重的工作了。由此改變節(jié)點的工作狀態(tài)、降低節(jié)點的功耗，達到延長節(jié)點使用時間的目的。

　數(shù)據(jù)收發(fā)單元采用由Chipcon公司推出的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)芯片構(gòu)建；傳感單元由溫度傳感器DS1722和光亮度傳感器TSL2561組成。通過三級管放大MCU的GPIO驅(qū)動能力，實現(xiàn)對它們供電的動態(tài)管理。

      3 能量管理

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)造成了節(jié)點之間能量使用的不平衡性，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要知道各節(jié)點電量的使用情況，取得電池的荷電狀態(tài)并由此轉(zhuǎn)換 節(jié)點的角色，動態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)以抵消這種不平衡。因此對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，不考慮電池的狀態(tài)只是簡單地通過DPM技術(shù)使節(jié)點進入低功耗狀態(tài)不 能使網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)能量的使用達到最優(yōu)，最大程度地延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

　　3.1 電池模型

　　電池的荷電狀態(tài)通常表示為其當(dāng)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(shù)，受到電池固有屬性“額定容量效應(yīng)”和“恢復(fù)效 應(yīng)”的影響，為進行電池設(shè)計、系統(tǒng)評估、優(yōu)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(tài)表示為一種離散的瞬態(tài)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(nèi)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(nèi)消耗了3個電荷單元，那么將發(fā)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(fù)效應(yīng)”該模型根據(jù)電池在放電間歇恢復(fù)能力的強弱，把電池的恢復(fù)能力分為f(f=0，1，…，fmax)個階段。一個時間步內(nèi)，電池處于狀態(tài)j(j=1，2，…，N-1)和f階段時恢復(fù)一個電荷單元的概率為：

　　式中，gN和gC與電池的恢復(fù)能力有關(guān)，q0是電池處于閑置狀態(tài)的概率。給出了恢復(fù)概率后，電池在某閑置時間內(nèi)處于f階段保持電荷狀態(tài)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(jié)果也很準(zhǔn)確，可快速評估嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計對電池狀態(tài)的影響。但將其用于實時評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點荷電狀態(tài)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(jié)點功率

　　具體應(yīng)用中節(jié)點工作電流是評估電池荷電狀態(tài)的外在依據(jù)。由于無傳感器節(jié)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(tài)的組合求得，結(jié)果見表1。

      4 結(jié) 論

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣闊的應(yīng)用前景，是一種革命性的信息獲取技術(shù)。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍有諸多技術(shù)難題沒有解決，其中尤以能量管理、大規(guī)模 組網(wǎng)等問題比較突出。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量的重要性需要研究人員發(fā)現(xiàn)代價更小的方法去準(zhǔn)確預(yù)測電池的荷電狀態(tài)以平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點壽命，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量消耗，這是 亟待解決的重要課題。