CN103096442B - 无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，所述方法利用占空周期设计，安排节点工作状态、缓冲状态、睡眠状态下节点的电池恢复和能量搜集方法，所述方法利用缓冲状态下，节点没有数据传输时进行电量恢复，能够保证在有限时间里最大限度的恢复效果；在睡眠状态下的节点，除了电池恢复，同时进行RF能量收集，将电池恢复和RF能量搜集结合起来，达到最大可能的能量优化。

Description

无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体指的是无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法。

背景技术

目前无线传感器网络的研究重心已经逐渐从理论开始转向应用，而在工程应用中，其发展始终受到节点能量的限制。

用电池供电是无线传感器节点和网络能量供应的主要形式。虽然目前也有一些很具前景的新型能源比如太阳能和风能等可以实现节点的在线充电，但这些能源对周围环境和传感器节点自身的要求很苛刻。相对而言，电池是一种比较可靠而且稳定的能源形式。无线传感器节点内部是由微型嵌入式处理器、射频收发器和微传感器整合而成。受节点大小限制，大容量的电池无法应用到传感器上。另一方面，考虑到无线传感器网络的节点大量部署或者监测对象的特殊性，更换电池很不方便。这样就催生了一类目前正在进行的研究，用在线传递能量给逐渐消耗的电池，在线意味着不必关闭常规的网络功能。电池能量以常系数放电电压形式损耗，任意时刻也能够在同等电压调节下进行恢复。

传统的电能可以在一些较大的集中地，通过石油燃料、核裂变或流水来产生，实现化学能、核能及动势能向电能的转换。大规模的环境能量如太阳能、风能或者潮汐的资源虽然到处都是，但是高效捕获的技术还很缺乏。目前的能量捕获并不能产生足够的能量来支持常规的机械工作，但是能提供非常少量的能量用以支持低能电子设备。大规模的能量生成需要成本，而用于能量捕获的“燃料”在大自然里处处可得，且无需成本。比如从燃烧引擎活动或者在附近某个区域的活动能够产生温度的一个梯度；而在自然环境里，射频和电视广播会产生大量的电磁能量。因此，作为一种前景很好的技术，利用不同能量资源的在线电池补充技术被提出用于传感器网络应用中。利用RF能源来实现电池的无线充电法就是一种新颖的在线电池补充技术，能够自用网络自身传输活动来为结点补充能量，延长节点寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，所述方法根据电池具有电量恢复效果的特性，其恢复效果有一个饱和门限(t_sat)存在，超闲置时间过该门限再闲置就没有显著恢复；节点在传完数据后缓冲若干时隙，也能使电池电量恢复，只要缓冲时间没有超过缓冲门限值(t_db)；另外节点可以从其邻区当前进行中的通信活动中搜集RF能量，将接收到的信号功率导入到整流和能量存储单元进行能量补充；为了达到搜能效果最大化，搜能节点和供能节点之间必须符合几何位置上的特定关系，供能节点的圆形通信范围半径为R_T，载波侦听半径为2R_T；搜能节点的圆形通信范围半径为1/2R_T，载波侦听半径也为2R_T；同时一个搜能节点周围的供能节点有数量上限，一个搜能节点周围最多有5个供能节点。

本方法利用占空周期设计，指合理安排节点工作状态、缓冲状态、睡眠状态下节点的电池恢复和能量搜集方法，利用搜能获益的条件即P_leak和P_scav之间关系，这里P_leak是节点处理器在非传输状态下的功率消耗，P_scav为搜集到的功率，同时利用电池电量恢复的门限条件来执行节点操作，以实现节点的能量优化；本方法中采用TDMA/CSMA混合接入机制，这种机制使得簇首之间可以利用同步方式来获知对方的占空周期，而簇内节点基于竞争来发送数据，无需知道邻居的占空周期。该方法步骤为：

步骤1：节点初始化，完成分簇过程；分簇过程是指所有部署在无线传感器网络中具有更高初始能量的20％的节点作为簇首，普通节点根据接收到的簇首宣告消息中RF功率大小选择簇首，RF功率大的节点优先入选；簇成员是搜能节点，它们可以同时从能量搜集和电池恢复中获益；而簇首只能从电池恢复中获益，属于供能节点。

步骤2：在工作状态下节点将等待数据传输，完成其作为簇首或者簇成员的任务。

步骤3：在缓冲状态下的节点操作，漏电功率为P_leak，搜集功率P_scav，

如果P_leak<P_scav，如果t≤t_db，簇成员进行RF能量搜集，并利用缓冲时隙进行电池恢复；簇首利用缓冲时隙进行电池恢复；如果t>t_db，簇成员继续进行RF能量搜集，直到有数据传输任务，簇首立刻进行数据传输；

如果P_leak≥P_scav，如果t≤t_db，簇首和簇成员利用缓冲时隙进行电池恢复；簇成员关闭RF能量搜集电路；如果t>t_db，关闭RF能量搜集电路，随时准备传输数据；普通传感器节点(簇成员)RF能量搜集电路采用CMOS电池能量捕获系统；

步骤4：在睡眠状态下的节点操作

如果P_leak<P_scav，如果t≤t_sat，簇成员进入浅度睡眠，除了电池恢复，同时进行RF能量收集；簇首进入深度睡眠状态，进行电池恢复；如果t>t_sat，节点激活；

如果P_leak≥P_scav，如果t≤t_sat，簇首和簇成员均进入深度睡眠，进行电池恢复；如果t>t_sat，簇首和簇成员激活。

本发明的有益效果是：本发明提出了无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，利用占空周期设计，合理安排节点工作状态、缓冲状态、睡眠状态下节点的电池恢复和能量搜集方法，所述方法利用缓冲状态下，节点没有数据传输时进行电量恢复，能够保证在有限时间里最大限度的恢复效果；在睡眠状态下的节点，除了电池恢复，同时进行RF能量收集，将电池恢复和RF能量搜集结合起来，达到最大可能的能量优化。

附图说明

图1是本发明能量优化示意图。

图2是本发明具有能量搜集功能的传感器节点结构框图。

图3是本发明实现能量更新的分簇网络结构。

图4是节点能量搜集范围示意图。

其中，图3中，——粗虚线是簇首间双向通信，--细虚线是簇内单向通信，细箭头是簇内成员通信范围，粗箭头是簇首通信范围，黑方块是簇成员，黑圆点是簇首。

具体实施方式

下面结合附图所示流程对本发明提出的无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法进行详细说明：

无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，本方法适用于分簇结构中簇内节点数据传输量不是很大的无线传感器网络环境中；为了实现能量更新，采取了将RF能量搜集和电池恢复效果在占空周期调度的基础上相结合的方法，节点在其他节点传输数据时，能够从捕获到的RF能中搜集能量并转换成可用能量，而节点自身在传输完数据后也要进行睡眠，从中进行电池能量恢复。

利用TDMA/CSMA混合接入的MAC机制，将两种能量更新技术结合起来进行能量优化，在节点闲置时进行电池恢复，同时在节点周围有簇首传输数据时进行能量搜集；这两种方法结合的关键是设计节点缓冲状态、浅度睡眠状态和深度睡眠状态下不同的网络条件采取的不同操作；整体流程图见附图1。

以下详细介绍各个步骤的方法：

1 实现RF能量搜集的传感器节点的设计

为了进行传感器节点的环境能量捕获并转换成可操作的DC能量给节点操作供电，必须对传感器节点的硬件进行改造，在里面增加电磁能量捕获器。如果考虑RF能到DC能的转换电路效率，在UHF频段利用一般RFID技术从电磁域中转换出来的功率不够毫瓦级传感器的操作，所以我们使用超低功率的能量捕获系统CMOS技术来设计。能量捕获过程是从电磁RF域进行，并存储在缓冲电容中，可以用来给系统供能。添加了能量捕获器的传感器结构示意图如附图2所示。

2 分簇的设置

在分簇网络环境下，所有部署在无线传感器网络中的节点具有不同的初始能量。节点参与分簇过程，其中能量排在前20％的节点成为簇首，该结构有利于簇成员的能量搜集及负载均衡。普通节点选择协作簇则是根据接收到的簇首宣告消息中RF功率大小来选择离自己最近的簇首。分簇结构如附图3。

电池恢复和能量搜集都是在线进行，不需要外部能源。因此所有节点在其生命期内并不会受到离线充电时的各种干扰。其中簇成员是搜能节点，它们可以同时从能量搜集和电池恢复中获益；而簇首只能从电池恢复中获益，属于供能节点。为了实现更好的供能效果，在人工部署时，需要节点几何位置，同时人为设置一些仅为供能目的的“僵节点”。

3 能量搜集

假设S是一个搜能节点，d_s是从S到功能节点X的距离。在S周围的同时传输节点，应该既在X的监听范围之外(否则会发生冲突)，又在S监听范围之内，如果把这个区域表示为C，那么同时传输节点达到最大时，这些节点应该都在C的外部边缘，如图4所示。搜能节点周围的功能节点最大数量n_st(包括X)为：

当d_s＝R_F＝1/4R_C时，n_st达到最大值5，此时X在S的传输范围圆周外围(远离其他同时传输者方向)。虽然理论上对于一个搜能节点而言可以接收能量的潜在同时传输者很多，但是实际的同时传输者被限制到了5以下。从而可以推断：在搜能节点周围更多的同时传输将不会带来更多可用的RF能量。将除X之外的第j个额外传输者到S的距离表示为d_j，1≤j≤4。

搜能节点需要从供能节点处获取RF能量。对于单点搜集的RF功率，离传输者距离为d处的可用RF功率为：

$P\left(d\right)=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&kappa;}}{P}_t}{d^{\mathrm{\&gamma;}}}$

这里γ是路径丢失指数，2≤γ≤4，P_t是传输者的输出信号功率(假设有常数个传输者)；在给定无线环境及给定收发设备基础设置下，是比例常数，一般作为天线增益、信号载波频率和接收天线直径的函数。

假设在区域C中可能的同时传输者集合为Z，在S处的可用总平均功率可以表示为：

$P_S=P\left(d_s\right)+\underset{i\&Element;Z}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j=1}{\overset{\min \{i,4\}}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\left(i\right)P_{\mathrm{ij}}\left(C\right)=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&kappa;}}P}_t}{d_s^{\mathrm{\&gamma;}}}+\underset{j=1}{\overset{\min \{i,4\}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&kappa;}}P}_t}{d_j^{\mathrm{\&gamma;}}}$

这里d_s和d_j各是从S到X和S到j的距离；P(d_s)表示X对S的功率贡献，表示区域C中j个有效同时传输者的功率贡献，其中1≤j≤4，这一项会随着传输者的随机位置相对S变化。

节点能从来自其他节点的RF能搜集中获益的前提是P_scav>P_leak。其中P_leak是节点处理器在非传输状态下的功率消耗，而P_scav为搜集到的功率，它与供能节点的传输概率p_tr、搜能节点的整流效率ξ及均匀随机变量距离d_s的概率分布函数F(d_s)有关：

$P_{\mathrm{scav}}=\mathrm{\&xi;}{p}_{\mathrm{tr}}\underset{d_s=\mathrm{\&epsiv;}}{\overset{R_c-\mathrm{\&epsiv;}}{\mathrm{\&Sigma;}}}F\left(d_s\right)P_S$

其中F(d_s)＝2d_s/(R_F)²，d_s的上界虽然理论可以达到R_c，但要确保尽可能多的同时传输节点，d_s应该尽量减小。当d_s＝1/4R_c时S周围的同时传输者最多。ε是一个近似为0的值。

为达到量搜集的最大化效果，供能节点和搜能节点之间通信范围有严格要求，如附图4所示。供能节点的圆形通信范围半径为R_T，载波侦听半径R_C，R_C＝2R_T。搜能节点的圆形通信范围半径为R_F，其中R_F＝1/2R_T。R_F是与供能节点连接所需的最小范围。搜能节点和供能节点具有相同的R_C。d_s是从S到供能节点X的距离。区域C是在S周围的同时传输节点。一个搜能节点周围最多有5个供能节点。

4 基于节点状态的能量更新

利用占空调度来设计节点行动。由节点操作的条件表达式来决定节点行为，同时将节点可以进行能量更新的状态分成三种：缓冲状态、浅度睡眠状态、深度睡眠状态。节点能够进行能量更新的状态分成缓冲状态和睡眠状态，而睡眠状态又进一步分成浅度睡眠和深度睡眠。而只能进行电池恢复的睡眠状态称为深度睡眠。缓冲状态下节点在活跃状态中间没有数据传输时(闲置时隙)，暂时关闭发送电路，但可以进行数据接收，接收到的数据暂时存储在节点中。这种状态实际上是一种特殊的闲置状态，是节点在数据传输之后或者若干时隙没有数据传输时的一种节能状态。浅度睡眠状态下当节点在睡眠状态进行能量搜集时，除了时钟电路、能量搜集电路以及必要的支撑电路，其他电路都必须关闭，该状态就称为浅度睡眠状态。深度睡眠状态下，除了时钟电路之外所有的电路及功能都关闭的睡眠状态。簇成员仅执行有限的数据通信任务，因此其进行能量搜集的睡眠状态为浅度睡眠，由于簇首无法进行能量搜集，因此只具有深度睡眠。

Claims (6)

1.无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法采用占空周期设计，根据节点所处工作状态、缓冲状态、睡眠状态安排节点的电池恢复和能量搜集方法；所述方法具体实现步骤如下：

步骤A：节点初始化，完成分簇过程；

步骤B：在工作状态下节点将等待数据传输，完成其作为簇首或者簇成员的任务；

步骤C：在缓冲状态下的节点操作；

设漏电功率为P_leak，搜集功率P_scav，饱和时间门限值为t_sat，缓冲时间门限值为t_db，时间为t；

当P_leak<P_scav，如果t≤t_db，簇成员进行RF能量搜集，并利用缓冲时隙进行电池恢复；簇首利用缓冲时隙进行电池恢复；如果t>t_db，簇成员继续进行RF能量搜集，直到有数据传输任务，簇首立刻进行数据传输；

当P_leak≥P_scav，如果t≤t_db，簇首和簇成员利用缓冲时隙进行电池恢复；簇成员关闭RF能量搜集电路；如果t>t_db，关闭RF能量搜集电路，随时准备传输数据；

步骤D：在睡眠状态下的节点操作

当P_leak<P_scav，如果t≤t_sat，簇成员进入浅度睡眠，除了电池恢复，同时进行RF能量收集；簇首进入深度睡眠状态，进行电池恢复；如果t>t_sat，节点激活；

当P_leak≥P_scav，如果t≤t_sat，簇首和簇成员均进入深度睡眠，进行电池恢复；如果t>t_sat，簇首和簇成员激活。

2.如权利要求1所述无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法中步骤A的分簇过程是指所有部署在无线传感器网络中具有更高初始能量的20％的节点作为簇首，普通节点根据接收到的簇首宣告消息中RF功率大小选择簇首，RF功率大的节点优先入选，该普通节点成为该簇成员；簇成员是搜能节点，它们可以同时从能量搜集和电池恢复中获益；而簇首只能从电池恢复中获益，属于供能节点。

3.如权利要求1所述无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法中簇成员节点RF能量搜集系统采用CMOS电路。

4.如权利要求2所述无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法中供能节点的圆形通信范围半径为R_T，载波侦听半径为2R_T；搜能节点的圆形通信范围半径为1/2R_T，载波侦听半径为2R_T。

5.如权利要求2或4所述无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法中一个搜能节点周围最多有5个供能节点。

6.如权利要求1所述无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法采用TDMA/CSMA混合接入机制；所述混合接入机制使得簇首之间利用TDMA同步方式来获知对方的占空周期；簇内节点基于CSMA竞争机制来发送数据。