無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源配置及評價(jià)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器能量管理領(lǐng)域，具體涉及一種基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)可再生能源配置及評價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有的眾多類型的傳感器，可探測包括 地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊 環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。無線傳感器的應(yīng)用和發(fā)展為人類生活帶來了深遠(yuǎn)的影響，包括軍 事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等各個(gè)生產(chǎn)生活領(lǐng)域。但是， 受部屬方式及工作環(huán)境限制，傳感器節(jié)點(diǎn)一般難以通過電力線路獲取持續(xù)的電力供應(yīng)。無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源供電問題直接影響其生存時(shí)間和工作性能，是限制其工作應(yīng)用的關(guān)鍵 性技術(shù)之一。如何為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供有效持續(xù)的電力供應(yīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā) 展亟待解決的重要課題。
[0003] 近年來，基于太陽能等可再生能源的節(jié)點(diǎn)供電系統(tǒng)已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研 究的重要方向。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要功耗由傳感器功耗，數(shù)據(jù)收發(fā)功耗，處理器功耗 和待機(jī)休眠功耗組成。如目前常用的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，3. 3V的工作電壓。在數(shù) 據(jù)發(fā)送期間的峰值電流為29mA，數(shù)據(jù)接收期間的峰值電流為24mA，各種傳感器的工作電流 約為30mA。
[0004] 假設(shè)采用8051內(nèi)核，工作電流為6mA，休眠狀態(tài)約為1μA。則執(zhí)行一次操作處理 器的功耗為19. 8mW。數(shù)據(jù)發(fā)送期間功耗為115. 5mW，數(shù)據(jù)接收期間功耗為99mW，數(shù)據(jù)采集 期間功耗為118. 8mW，所有操作并發(fā)則功耗不超過293. 7mW，約300mW。鋰電池正常工作電 壓范圍3. 7-4. 2V，若電池選取容量為900mAh，再連續(xù)峰值并發(fā)工作的情況下可連續(xù)供電12 小時(shí)，若電池選容量選取3000mAh，則相同情況下可連續(xù)供電40小時(shí)?？紤]到無線節(jié)點(diǎn)部屬 的區(qū)域可能位于我國南方，當(dāng)連續(xù)陰雨季節(jié)也有可能十天不出太陽的情況，則電池容量的 選取應(yīng)該更大。但是，實(shí)際情況是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)的采集一般是定時(shí)采集，如溫 度，濕度慢速變化的數(shù)據(jù)。比如每小時(shí)工作50s，其他時(shí)間都在休眠，電流以微安計(jì)，功耗可 以忽略不計(jì)。這樣一來以上所述的連續(xù)峰值并發(fā)工作情況下計(jì)算所得的電池容量就過于嚴(yán) 格，導(dǎo)致電池容量選取過大，節(jié)點(diǎn)體積加大，制造成本增加。
[0005] 網(wǎng)絡(luò)演算是近年來基于隊(duì)列理論提出的，對網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行定性和定量分析的先進(jìn) 技術(shù)手段。其應(yīng)用邊界來描述隊(duì)列系統(tǒng)中的到達(dá)和服務(wù)特性，并對隊(duì)列性能進(jìn)行評估。網(wǎng) 絡(luò)演算幾乎可以應(yīng)用到計(jì)算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面，并可以擴(kuò)展到其他各種生產(chǎn)生活領(lǐng) 域，如交通，航空網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)絡(luò)演算的關(guān)鍵思想是將一個(gè)復(fù)雜的非線性隊(duì)列系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個(gè) 易于分析和處理的適當(dāng)（min，+)代數(shù)。網(wǎng)絡(luò)演算的發(fā)展分為兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方向：確定性 演算和隨機(jī)性演算。確定性網(wǎng)絡(luò)演算可以推導(dǎo)出緊致的邊界。然而這些邊界在高度復(fù)雜的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，或者當(dāng)一個(gè)可容忍的小概率違背的情況時(shí)可能會顯得有些過于保守。這就激 發(fā)了隨機(jī)性網(wǎng)絡(luò)演算的發(fā)展，其具有多方面的統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢，從而得到資源容量問題的有效結(jié) 論。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于解決由可再生能源供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電部署問題， 在有效保障無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定的電力供給的同時(shí)，充分利用電池電量減少能源浪費(fèi)。
[0007] 基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可再生能源配置及評價(jià)方法，該方法由以下 步驟實(shí)現(xiàn)：
[0008]步驟一、記錄無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)參數(shù)，包括電能供應(yīng)C(t)、電能消耗Cf(t) 以及電能需求s(t);并計(jì)算在時(shí)間區(qū)間[s，t]內(nèi)的電能供應(yīng)的累積量C(s，t)和電能需求 的累積量S(s，t)，分別用下式表示為：
[0009]C(s，t) =C(t)-C(s)
[0010]S(s，t) =S(t)_S(s)
[0011] 上式中，C(s)為s時(shí)刻的電能供應(yīng)，s和t為時(shí)間，s大于等于0小于等于t;
[0012]步驟二、根據(jù)步驟一中獲得的電能供應(yīng)的累積量C(s，t)和電能消耗Cf(t)，分別采 用下述公式：獲得維持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正常工作電能供應(yīng)的下邊界；
[0013]
[0014]式中，ai為電能供應(yīng)的下界曲線，為電能供應(yīng)下邊界；
[0015] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電能供應(yīng)的上邊界；
[0016]
[0017] 式中，α2為電能供應(yīng)的上界曲線，f2為電能供應(yīng)上邊界，
[0018] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電能需求的上邊界；
[0019]
[0020] 式中，^為電能需求的上界曲線，g%電能需求的上邊界；
[0021] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電能需求的下邊界；
[0022]
[0023] 式中，β2為電能需求的下界曲線，gA電能需求的下邊界；
[0024]步驟三、根據(jù)步驟二中獲得的電能供應(yīng)的下界曲線ai、電能供應(yīng)下邊界、電能 需求的上界曲線βi、電能需求的上邊界gl、電能供應(yīng)的上界曲線α2、電能供應(yīng)上邊界f2、電 能需求的下界曲線β2以及電能需求的下邊界g2，分別采用下式，獲得電能供應(yīng)不足概率和 電能供應(yīng)浪費(fèi)概率；
[0025]
[0026]
[0027] 式中，L(t)為t時(shí)刻電能供應(yīng)缺失的數(shù)量，B為電池容量，W(t)為t時(shí)刻電能供應(yīng) 量超出電池容量被浪費(fèi)的數(shù)量；
[0028] 步驟四、根據(jù)步驟三獲得的電能供應(yīng)不足概率和電能供應(yīng)浪費(fèi)概率選取合適的電 池容量，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電部署進(jìn)行評估和調(diào)整。
[0029] 本發(fā)明中，所述的電能供應(yīng)下邊界、電能供應(yīng)的下界曲線ai、用下式表式為：
[0033] 電能供應(yīng)上邊界f2和電能供應(yīng)的上界曲線α2用下式表示為：
[0037] 電能需求的上邊界gl和電能需求的上界曲線βi用公式表示為：
[0041] 所述的電能需求的下邊界g2和電能需求的下界曲線β2用公式表示為：
[0045] 上式中，θ、Θ Θ2為時(shí)間常數(shù)，X為概率參數(shù)。
[0046] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提出了一種基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 可再生能源配置及評價(jià)方法，在保障網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電力持續(xù)供應(yīng)的前提下避免了傳統(tǒng)配置方法 可能導(dǎo)致的浪費(fèi)。該方法將隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算理論與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量管理相結(jié)合，建 立了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)演算理論框架，對可再生能源轉(zhuǎn)化設(shè)備（如太陽能 板）和存儲設(shè)備（如電池）的規(guī)格和容量的選取進(jìn)行有效的性能評估。本發(fā)明給出了明確 的電能供應(yīng)可靠性分析指標(biāo)：電能供應(yīng)不足概率和電能供應(yīng)浪費(fèi)概率，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 可再生能源電能生產(chǎn)和存儲系統(tǒng)配置提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。
【附圖說明】
[0047] 圖1為本發(fā)明所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源配置及評價(jià)的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)演算方法中 140X140mm2單晶娃太陽能板在30天中提供的電能示意圖；
[0048] 圖2為140X140mm2單晶硅太陽能板在30天中提供的電能累積示意圖；
[0049] 圖3為140X140mm2單晶硅太陽能板單日內(nèi)的電能累積到達(dá)上下邊界示意圖；
[0050] 圖4為ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)單日內(nèi)的能量消耗示意圖；
[0051] 圖5