CN108449803B - 无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可充电无线传感器网络中标签能量计算方法，具体为可充电无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划算法。通过本算法可以预测出充电一段时间后下一时刻WISP可获得的能量。通过建立的能量模型，结合WISP执行的具体任务，使用本申请提出的可预测能量算法，便可以对任务进行更有效的规划执行，防止因能量耗尽导致任务无法执行。另外，保证所有的任务都可以完成的情况下，此方案可以使完成时间最小化。

Description

无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划方法

技术领域

本发明涉及可充电无线传感器网络中标签能量计算方法，具体为无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划方法。

背景技术

无线可充电传感器网络是通过射频链路进行通信的，相比于有线网络，射频链路具有不稳定，容易受环境噪声的影响，误码率较高等特点。其中无源节点自身的能量状态对通信的可靠性影响最大。比如说，处于工作模式的无源节点由于电压到了最低阈值被迫产生硬件中断强行进入睡眠模式，导致通信过程被中断，数据发送或接收不完整，无法组装成数据包。

WISP是一种可编程的、无源感知和计算平台。这个平台可以增加RFID(RadioFrequency Identification)的感知和计算能力。它利用内部一个16位的低功耗微处理器MSP430进行感知和计算，传感器也已经被成功地集成在WISP平台。WISP的能量来源是远程的RFID阅读器，它在每次查询过程中可以传递64比特的信息，就像传统的超高频无源标签，可以利用阅读器来提供自己所需要的所有能量。WISP的结构几乎可以兼容任何低功耗的传感器，并且作为超高频被动标签的一部分被集成在标签上。

该WISP平台模拟电路的原理图如图1所示。WISP天线接收到来自阅读器的RF信号之后，首先通过阻抗匹配网络进行匹配，其中一部分为WISP的感知计算提供能量，另一部分用于数据的传输。前一部分信号通过由整流器和电容组成的能量存储电路，再通过电压调节器和电压控制器把电压稳定到WISP工作电压1.8V。其中，电压调节器用于防止WISP内部的MSP430单片机电压过载，电压控制器用于监控电容存储容量的大小，在能量达到额定电压时，给MSP430一个使能信号，让其开始工作。后一部分信号将RF信号进行解调，传输到微处理器中，微处理器解读信号之后，运行相应的软件程序，来控制外接传感器的感知。然后将传感器采集到的数据，通过调制电路的调制，经过天线反向散射回阅读器进行解调，最终将数据传输到电脑上。

因此，给无线可充电传感器网络设计可靠数据传输方案时，首先要对WISP进行能量预测，尽可能地采用复杂度较低的算法，避免因为复杂度过高而计算量太大导致能量过早枯竭影响通信的可靠性。

发明内容

本发明为解决WISP应用时能量不足的问题，提出了复杂度较低的可预测能量管理和任务规划算法，具体为无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划方法，包括以下步骤：

(1)假设到达WISP的任务用T1＝(t₁，e₁)来表示，其中，t₁表示任务的到达时间，e₁表示执行任务消耗的能量，设定WISP在当前时间t₁的存储能量是E：若E>e₁，则任务可以立即执行；若E<e₁，令E₁＝e₁–E，WISP需要休眠一定的时间t_s进行充电，直到获取的能量为E₁，才能有足够的能量保证任务可以被有效执行；

(2)提出弗里斯修正公式

η表示修正效率，β表示整流损失，λ表示的是电磁波波长，P_r表示WISP所接收的功率，G_r为WISP平台增益，G_t为阅读器天线增益，d为阅读器到WISP平台之间的距离，P_t为阅读器的发射功率，通过对不同距离下WISP的接收功率P_r的监测，可计算得出η、β，将计算出的η、β以及P_t、G_r、G_t代入弗里斯修正公式，得到接收功率Pr和距离d的关系；

(3)根据平均充电功率公式

其中C为WISP储能电容的大小，U_max为能量传输过程中的最大电压，t₂为WISP接收到功率Pr的所用时间，当阅读器和WISP距离d固定的情况下，可以得到WISP的接收功率P_r、t₂并求得最大电压U_max；

(4)建立能量充电模型，阅读器和WISP的距离d固定，U_max、τ随之确定，则WISP有固定的能量收集率H(t_s)，

τ＝RC，R为WISP的负载电阻；

(5)在固定的能量收集率下，对H(t_s)积分，即可得出WISP得到E₁所需充电时间t_s，

通过本算法可以预测出充电一段时间后下一时刻WISP可获得的能量。通过建立的能量模型，结合WISP执行的具体任务，使用本申请提出的可预测能量算法，便可以对任务进行更有效的规划执行，防止因能量耗尽导致任务无法执行。另外，保证所有的任务都可以完成的情况下，此方案可以使完成时间最小化。

附图说明

图1为WISP结构框图。

图2为不同距离下WISP获取的最大功率图。

具体实施方式

无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划方法，包括以下步骤：

(1)假设到达WISP的任务用T1＝(t₁，e₁)来表示，其中，t₁表示任务的到达时间，e₁表示执行任务消耗的能量。设定WISP在当前时间t₁的存储能量是E：若E>e₁，则任务可以立即执行；若E<e₁，令E₁＝e₁–E，通过本发明的计算，WISP需要休眠一定的时间t_s进行充电，直到获取的能量为E₁，才能有足够的能量保证任务可以被有效执行。

(2)在射频能量传输过程中，阅读器发射射频能量给WISP提供能量，传输功率、天线增益、距离、波长与发射功率都会影响最终的接收功率。弗里斯公式描述了理想环境下的射频传输特性。公式如下：

λ表示的是电磁波波长，P_r表示WISP所接收的功率，G_r为WISP增益，G_t为阅读器天线增益，d为阅读器到WISP之间的距离，P_t为阅读器的发射功率。

但是由于现实环境中，多径效应等问题会导致弗里斯公式不再合适。在具体应用过程中，第一步就是根据现场环境进行测量，根据实际环境中的WISP网络进行公式修正，建立更为准确的能量获取模型。

修正公式如下：

η表示修正效率，β表示整流损失。通过对不同距离下WISP的接收功率P_r的监测，可计算得出η、β(至少需要两次测量才可计算出η、β，另外基于不同的测量环境，参数有所不同)。将η、β以及P_r、G_r、G_t代入上式，得到接收功率Pr和距离d的关系，本次测量结果如图2所示，P_r和d的平方成反比。

(3)根据平均充电功率公式：

其中C为WISP储能电容的大小，U_max为能量传输过程中的最大电压，t₂为WISP接收到功率Pr的所用时间，当阅读器和WISP距离d固定的情况下，可以得到WISP的接收功率P_r、t₂并求得最大电压U_max。

(4)当然，随着环境条件的变化，电容可以达到的最大电压U_max都会随之改变，能量捕获条件较差时，U_max减小，τ增大，使得WISP标签需要更长的充电时间才能达到无线电工作电压，τ＝RC，R为WISP的负载电阻。

阅读器reader和WISP在不同的距离下，充电速率和最大的充电电压是不一样的，能量模型如图2所示。在能量管理中，最重要的问题就是对下一时刻节点能量的预测。通过建立能量充电模型，阅读器和WISP的距离d固定，U_max、τ随之确定，则WISP有固定的能量收集率H(t_s)，可通过下式计算得出。

(5)在固定的能量收集率下，对H(t_s)积分，即可得出WISP得到E₁所需充电时间t_s，

Claims (1)

1.无线传感器网络中的可预测能量管理和任务规划方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)假设到达WISP的任务用T1＝(t₁，e₁)来表示，其中，t₁表示任务的到达时间，e₁表示执行任务消耗的能量，设定WISP在当前时间t₁的存储能量是E：若E>e₁，则任务可以立即执行；若E<e₁，令E₁＝e₁–E，WISP需要休眠一定的时间t_s进行充电，直到获取的能量为E₁，才能有足够的能量保证任务可以被有效执行；

(2)提出弗里斯修正公式

η表示修正效率，β表示整流损失，λ表示的是电磁波波长，P_r表示WISP所接收的功率，G_r为WISP平台增益，G_t为阅读器天线增益，d为阅读器到WISP平台之间的距离，P_t为阅读器的发射功率，通过对不同距离下WISP的接收功率P_r的监测，可计算得出η、β，将计算出的η、β以及P_t、G_r、G_t代入弗里斯修正公式，得到接收功率Pr和距离d的关系；

(3)根据平均充电功率公式

其中C为WISP储能电容的大小，U_max为能量传输过程中的最大电压，t₂为WISP接收到功率Pr的所用时间，当阅读器和WISP距离d固定的情况下，可以得到WISP的接收功率P_r、t₂并求得最大电压U_max；

(4)建立能量充电模型，阅读器和WISP的距离d固定，U_max、τ随之确定，则WISP有固定的能量收集率H(t_s)，

τ＝RC，R为WISP的负载电阻；

(5)在固定的能量收集率下，对H(t_s)积分，即可得出WISP得到E₁所需充电时间t_s，

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