基于ARM7的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)是無傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，擔(dān)負(fù)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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，逐漸使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。研究人員利用嵌入式技術(shù)開發(fā)出了小型化板級(jí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)也已經(jīng)問世，但距離實(shí)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(jī)LPC2138開發(fā)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(如圖1)。

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)概述

相對(duì)于處理器運(yùn)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(diǎn)具有動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)功能，在節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)應(yīng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)以節(jié)省能量。實(shí)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(dá)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(shí)鐘頻率的1／2或1／4。另外，存儲(chǔ)加速功能可極大地加快程序的運(yùn)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)了解其電池的荷電狀態(tài)下降到了某種程度，節(jié)點(diǎn)不再適合擔(dān)任較繁重的工作了。由此改變節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、降低節(jié)點(diǎn)的功耗，達(dá)到延長節(jié)點(diǎn)使用時(shí)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(jí)管放大MCU的GPIO驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)它們供電的動(dòng)態(tài)管理。

3 能量管理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成了節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的角色，動(dòng)態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以抵消這種不平衡。因此對(duì)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(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)不能使網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)能量的使用達(dá)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(shí)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(jìn)行電池設(shè)計(jì)、系統(tǒng)評(píng)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(xiàn)[7]基于馬爾可夫過程的電池模型進(jìn)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(jī)過程(如圖3)。圖中圓圈中的N，N-1，…，1，0表示某一時(shí)刻電池的名義容量；qi表示在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)消耗i個(gè)電荷單元的概率。如果起始時(shí)電池有N個(gè)電荷單元，在某段時(shí)間內(nèi)消耗了3個(gè)電荷單元，那么將發(fā)生這個(gè)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(qiáng)弱，把電池的恢復(fù)能力分為f(f=0，1，…，fmax)個(gè)階段。一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，電池處于狀態(tài)j(j=1，2，…，N-1)和f階段時(shí)恢復(fù)一個(gè)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(shí)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(duì)于偏微分方程描述的電池模型而言，計(jì)算量大為減少并且結(jié)果也很準(zhǔn)確，可快速評(píng)估嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池狀態(tài)的影響。但將其用于實(shí)時(shí)評(píng)估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)荷電狀態(tài)開銷仍過大，因此有必要進(jìn)一步探索電池建模方面的問題。

3.2 節(jié)點(diǎn)功率

具體應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)工作電流是評(píng)估電池荷電狀態(tài)的外在依據(jù)。由于無傳感器節(jié)點(diǎn)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(jià)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(diǎn)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。