一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點及其高效調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的一種用于無線傳感器節(jié)點供電的多電池高效調(diào)度方法屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理領(lǐng)域，本發(fā)明的技術(shù)方案為：（1）采用ZigBee模塊作為無線傳感器節(jié)點無線通信單元，加裝微處理器、數(shù)據(jù)感知模塊、電源模塊、電源管理模塊以及能量收集模塊；（2）采用線性規(guī)劃算法作為無線傳感器節(jié)點多電池調(diào)度方法：（a）設(shè)定各電池能恢復(fù)一個電荷單元的最大休息時間為Ti；（b）設(shè)定描述各電池恢復(fù)能力的二元函數(shù)Pi（Qn，Rt），Qn表示電池當前電荷數(shù)目，Rt表示電池的恢復(fù)次數(shù)；（c）設(shè)定多電池之間當前電荷數(shù)目容忍差值Qtd。本發(fā)明優(yōu)勢在于適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多數(shù)應(yīng)用環(huán)境以及組織結(jié)構(gòu)，有效提升無線傳感器節(jié)點工作壽命。
【專利說明】一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點及其高效調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理領(lǐng)域，尤其涉及到一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點及其高效調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近十年來，隨著相關(guān)技術(shù)和工藝的發(fā)展成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了飛速發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣泛，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)成為信息領(lǐng)域的一個熱點。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由大量微型傳感器在一定區(qū)域內(nèi)布設(shè)而構(gòu)成，這種微型傳感器一般由電池供電且布設(shè)后不再更換或者需要大量的人力物力去更換，因此能量成為傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要解決問題。
[0003]目前受電池制造技術(shù)的限制，在保持電池重量一定的條件下，電池容量很難有突破性的提高。隨著電池技術(shù)發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)電池的額定容量效應(yīng)和恢復(fù)效應(yīng)影響電池的實際釋放容量，因此電池作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量源，應(yīng)通過放電策略對其放電行為進行管理。對于無線傳感器節(jié)點電池發(fā)揮恢復(fù)效應(yīng)，充分釋放電池容量應(yīng)滿足如下條件:①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是冗余系統(tǒng)，存在許多空間重復(fù)、功能重復(fù)的節(jié)點，從而可以使除工作外的節(jié)點休眠；②無線傳感器節(jié)點采用雙電池或多電池供電，通過電池組切換使除工作外電池恢復(fù)。對于條件①的電池放電策略研究具有復(fù)雜性和局限性。復(fù)雜性體現(xiàn)在需要判別無線傳感器網(wǎng)絡(luò)冗余節(jié)點群并時刻發(fā)送節(jié)點狀態(tài)信息；局限性表現(xiàn)在要與具體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相匹配。對于條件②研究具有通用性和可實現(xiàn)性，主要集中在多電池的節(jié)能調(diào)度策略，節(jié)能調(diào)度策略主要有隨機選擇法、電壓判別算法、輪流算法以及能量最大算法，而這些算法或者節(jié)能效率低，或者復(fù)雜度較高，運行開銷較大，尤其是沒有充分考慮無線傳感器節(jié)點電池恢復(fù)效應(yīng)和額定容量效應(yīng)。
[0004]基于以上原因，本發(fā)明應(yīng)用數(shù)字電子技術(shù)設(shè)計無線傳感器節(jié)點采用ZigBee模塊作為無線通信單元，加裝微處理器、數(shù)據(jù)感知單元、電源管理模塊、能量收集模塊以及電源模塊，其中MOS管低功耗和快速通斷的特性以及監(jiān)測環(huán)境能量的收集保證無線傳感器節(jié)點供電多電池的快速切換和節(jié)點的快速喚醒，使得無線傳感器節(jié)點充分釋放電池容量，提升工作壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點及其高效調(diào)度方法，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多數(shù)應(yīng)用環(huán)境以及組織結(jié)構(gòu)，有效提升無線傳感器節(jié)點工作壽命。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種多電池供電的無線傳感器節(jié)點，該節(jié)點采用ZigBee模塊作為無線傳感器節(jié)點無線通信單元，加裝微處理器、數(shù)據(jù)感知模塊、電源模塊、電源管理模塊以及能量收集模塊，其中微處理器分別與ZigBee模塊、數(shù)據(jù)感知模塊、電源管理模塊以及電源模塊相連接，電源模塊分別與ZigBee模塊、數(shù)據(jù)感知模塊、電源管理模塊相連接，電源管理模塊與能量收集模塊相連接，能量收集模塊與數(shù)據(jù)感知模塊相連接。電源模塊由多電池構(gòu)成，電池之間采用并聯(lián)方式連接。
[0008]電源管理模塊包括MOS管開關(guān)電路、MOS管驅(qū)動電路、MOS管加速電路、升壓電路以及控制電路；MOS管加速通斷電路，通過該MOS管加速通斷電路的反接二極管和與二極管并聯(lián)的電阻實現(xiàn)MOS管的加速通斷；升壓電路能夠使電壓2.4V升壓到5V，保證MOS管的正常導通；控制電路包括38譯碼器和三態(tài)門，控制電路與微處理器的引腳連接，38譯碼器實現(xiàn)電源模塊的擴展，三態(tài)門的選通端實現(xiàn)對于供電電池的選擇，三態(tài)門輸入端實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點的快速深度休眠。
[0009]能量收集模塊包括換能器、整流濾波單元、穩(wěn)壓單元以及儲能單元；當無線傳感器節(jié)點深度休眠時，能量收集模塊能夠獨立供電給數(shù)據(jù)感知模塊，保證節(jié)點工作的實時性。
[0010]上述的多電池供電的無線傳感器節(jié)點采用線性規(guī)劃算法的調(diào)度方法如下:
[0011](a)設(shè)定各電池能恢復(fù)一個電荷單兀的最大休息時間為Ti ;(b)設(shè)定描述各電池恢復(fù)能力的二元函數(shù)Pi (Qn, Rt), 0?為電池當前電荷數(shù)目，Rt為電池的恢復(fù)次數(shù)；(C)設(shè)定多電池之間當前電荷數(shù)目容忍差值Qtd; (d)當多電池之間當前電荷數(shù)目差值Qd達到Qtd時，根據(jù)各電池恢復(fù)概率Pi (Qn，Rt)以及當前電荷數(shù)目Qn，計算出多電池之間能量均衡值I，公式Qe= Σ Pi (Qn，Rt) *Qn，然后由工作的電池失去一個電荷，休息電池的以概率Pi (Qn，Rt)恢復(fù)一個電荷或者以概率(1-Pi (Qn，Rt))保持當前電荷數(shù)目的規(guī)則得到多電池從當前到能量均衡時，各電池恢復(fù)電荷的期望值Ei,最后由目標函數(shù)max QzEfqjE；^+…+Ea+…以及能量均衡的約束條件，計算出各電池供電量Qi從而控制電源管理模塊對多電池的切換以使電池充分釋放容量。
[0012]本發(fā)明的一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點及其高效調(diào)度方法，適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多數(shù)應(yīng)用環(huán)境以及組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)節(jié)能高效的同時，也降低了算法的空間復(fù)雜度和時間復(fù)雜度。`
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為發(fā)明的無線傳感器節(jié)點電路框圖。
[0014]圖2為發(fā)明的電源管理模塊電路示意圖。
[0015]圖3為發(fā)明的無線傳感器節(jié)點工作流程圖。
【具體實施方式】
[0016]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0017]如圖1、圖2以及圖3所示，其特征是開發(fā)方法為:
[0018]圖1所示為發(fā)明的無線傳感器節(jié)點電路框圖。實際應(yīng)用時，其中處理器和無線通信模塊采用Jennic5148模塊，該模塊包含32位低功耗RISC處理器和符合IEEE802.15.4協(xié)議的無線通信模塊；數(shù)據(jù)感知模塊由傳感器單元、AD/DA單元組成，通過SPI與處理器連接，傳輸數(shù)據(jù)同時喚醒深度睡眠無線傳感器節(jié)點微處理器；能量存儲模塊包括換能器、整流濾波單元、穩(wěn)壓單元以及儲能單元，儲能單元在無線傳感器節(jié)點深度休眠狀態(tài)時可獨立供電給數(shù)據(jù)感知模塊；電源模塊由雙或多電池構(gòu)成，電池間采用并聯(lián)方式連接；電源管理模塊由處理器IO 口進行控制，用以調(diào)度多電池以及無線傳感器節(jié)點休眠時數(shù)據(jù)感知模塊的供電。
[0019]圖2所示為發(fā)明的電源管理模塊電路示意圖。該電源管理模塊采用型號為SI2304的MOS管作為無線傳感器節(jié)點多電池供電的模擬開關(guān)，該MOS管具有低能耗和通斷時間短等優(yōu)勢；該電路采用雙三極管、并聯(lián)二極管以及BL8530升壓芯片以保證MOS管順利驅(qū)動和快速通斷；該電路采用74L138譯碼器作為處理器控制芯片。該模塊具有低能耗、快速通斷等特點，能滿足多電池順利切換。
[0020]圖3所示為發(fā)明的無線傳感器節(jié)點工作流程圖。工作過程如下:開啟無線傳感器節(jié)點，由紐扣電池供電給該節(jié)點處理器；穩(wěn)定運行后，隨機選擇多電池中的一組為該節(jié)點供電，同時設(shè)定T1、p (Qn, Rt)以及Qtd ;然后判斷該節(jié)點工作狀態(tài)，若間歇工作則使該節(jié)點深度休眠，此時由能量存儲模塊獨立為數(shù)據(jù)感知模塊供電，數(shù)據(jù)感知模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)采集事件，若發(fā)生則由數(shù)據(jù)感知模塊通過SPI喚醒該節(jié)點，若不發(fā)生則以固定周期通過SPI喚醒該節(jié)點；若該節(jié)點連續(xù)工作，則需要判斷電池間Qd是否達到Qtd，若否，則繼續(xù)工作，若是則對電池進行調(diào)度，調(diào)度完成后重新隨機選擇一個電池組為該節(jié)點供電。
【權(quán)利要求】
1.一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點，其特征在于: 該無線傳感器節(jié)點采用ZigBee模塊作為無線通信單元，加裝微處理器、數(shù)據(jù)感知模塊、電源模塊、電源管理模塊和能量收集模塊，其中微處理器分別與ZigBee模塊、數(shù)據(jù)感知模塊、電源管理模塊以及電源模塊相連接，電源模塊分別與ZigBee模塊、數(shù)據(jù)感知模塊、電源管理模塊相連接，電源管理模塊與能量收集模塊相連接，能量收集模塊與數(shù)據(jù)感知模塊相連接；電源模塊由多電池構(gòu)成，電池之間采用并聯(lián)方式連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器節(jié)點，其特征在于:電源管理模塊包括MOS管開關(guān)電路、MOS管驅(qū)動電路、MOS管加速通斷電路、升壓電路以及控制電路； 所述的MOS管加速通斷電路，通過該MOS管加速通斷電路的反接二極管和與二極管并聯(lián)的電阻實現(xiàn)MOS管的加速通斷； 所述的升壓電路能夠使電壓2.4V升壓到5V，保證MOS管的正常導通； 所述的控制電路包括38譯碼器和三態(tài)門，控制電路與微處理器的引腳連接，38譯碼器實現(xiàn)電源模塊的擴展，三態(tài)門的選通端實現(xiàn)對于供電電池的選擇，三態(tài)門輸入端實現(xiàn)無線傳感器節(jié)點的快速深度休眠。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線傳感器節(jié)點，其特征在于:所述的MOS管驅(qū)動電路采用圖騰柱式驅(qū)動電路。
4.根據(jù)權(quán)利要 求1、2或3所述的一種用于無線傳感器節(jié)點供電的多電池高效調(diào)度方法，其特征在于:能量收集模塊包括換能器、整流濾波單元、穩(wěn)壓單元以及儲能單元；當無線傳感器節(jié)點深度休眠時，能量收集模塊能夠獨立供電給數(shù)據(jù)感知模塊，保證節(jié)點工作的實時性。
5.權(quán)利要求1、2或3所述的一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點的高效調(diào)度方法，采用線性規(guī)劃算法作為無線傳感器節(jié)點多電池調(diào)度方法，其特征包括以下步驟， (a)設(shè)定各電池能恢復(fù)一個電荷單兀的最大休息時間為Ti； (b)設(shè)定描述各電池恢復(fù)能力的二元函數(shù)Pi(Qn，Rt)，QnS電池當前電荷數(shù)目，Rt為電池的恢復(fù)次數(shù)； (c)設(shè)定多電池之間當前電荷數(shù)目容忍差值Qtd； Cd)當多電池之間當前電荷數(shù)目差值Qd達到Qtd時，根據(jù)各電池恢復(fù)概率Pi (Qn, Rt)以及當前電荷數(shù)目Qn，計算出多電池之間能量均衡值Qe，公式Qe= Σ Pi (Qn, Rt)*Qn，然后由工作的電池失去一個電荷，休息電池的以概率Pi (Qn，Rt)恢復(fù)一個電荷或者以概率(1-Pi (Qn，Rt))保持當前電荷數(shù)目的規(guī)則得到多電池從當前到能量均衡時，各電池恢復(fù)電荷的期望值Ei,最后由目標函數(shù)max QzEfqjE；^+…+Ea+…以及能量均衡的約束條件,計算出各電池供電量Qi從而控制電源管理模塊對多電池的切換以使電池充分釋放容量。
6.權(quán)利要求4所述的一種多電池供電的無線傳感器節(jié)點的高效調(diào)度方法，采用線性規(guī)劃算法作為無線傳感器節(jié)點多電池調(diào)度方法，其特征包括以下步驟， (a)設(shè)定各電池能恢復(fù)一個電荷單兀的最大休息時間為Ti； (b)設(shè)定描述各電池恢復(fù)能力的二元函數(shù)Pi(Qn，Rt)，QnS電池當前電荷數(shù)目，Rt為電池的恢復(fù)次數(shù)； (c)設(shè)定多電池之間當前電荷數(shù)目容忍差值Qtd； Cd)當多電池之間當前電荷數(shù)目差值Qd達到Qtd時，根據(jù)各電池恢復(fù)概率Pi (Qn, Rt)以及當前電荷數(shù)目Qn，計算出多電池之間能量均衡值Qe，公式Qe= ∑ Pi (Qn, Rt)*Qn，然后由工作的電池失去一個電荷，休息電池的以概率Pi (Qn，Rt)恢復(fù)一個電荷或者以概率(1-Pi (Qn，Rt))保持當前電荷數(shù)目的規(guī)則得到多電池從當前到能量均衡時，各電池恢復(fù)電荷的期望值Ei,最后由目標函數(shù)max Q=E1*Q1+E2Q2+…+E1Q1+...以及能量均衡的約束條件,計算出各電池供電量Qi從而控制電源管理模塊對多電池的切換以使電池充分釋放容量。
【文檔編號】H02J7/36GK103607761SQ201310634748
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】金仁成, 王震, 車志平, 何青葉, 劉沖 申請人:大連理工大學