一种多电池供电的无线传感器节点及其高效调度方法
【专利摘要】本发明公开的一种用于无线传感器节点供电的多电池高效调度方法属于无线传感器网络能量管理领域，本发明的技术方案为：（1）采用ZigBee模块作为无线传感器节点无线通信单元，加装微处理器、数据感知模块、电源模块、电源管理模块以及能量收集模块；（2）采用线性规划算法作为无线传感器节点多电池调度方法：（a）设定各电池能恢复一个电荷单元的最大休息时间为Ti；（b）设定描述各电池恢复能力的二元函数Pi（Qn，Rt），Qn表示电池当前电荷数目，Rt表示电池的恢复次数；（c）设定多电池之间当前电荷数目容忍差值Qtd。本发明优势在于适用于无线传感器网络多数应用环境以及组织结构，有效提升无线传感器节点工作寿命。
【专利说明】一种多电池供电的无线传感器节点及其高效调度方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感器网络能量管理领域，尤其涉及到一种多电池供电的无线传感器节点及其高效调度方法。
【背景技术】
[0002]近十年来，随着相关技术和工艺的发展成熟，无线传感器网络得到了飞速发展，应用也越来越广泛，对无线传感器网络的研究和开发成为信息领域的一个热点。传感器网络一般由大量微型传感器在一定区域内布设而构成，这种微型传感器一般由电池供电且布设后不再更换或者需要大量的人力物力去更换，因此能量成为传感器网络的首要解决问题。
[0003]目前受电池制造技术的限制，在保持电池重量一定的条件下，电池容量很难有突破性的提高。随着电池技术发展，人们发现电池的额定容量效应和恢复效应影响电池的实际释放容量，因此电池作为无线传感器网络节点的能量源，应通过放电策略对其放电行为进行管理。对于无线传感器节点电池发挥恢复效应，充分释放电池容量应满足如下条件:①无线传感器网络是冗余系统，存在许多空间重复、功能重复的节点，从而可以使除工作外的节点休眠；②无线传感器节点采用双电池或多电池供电，通过电池组切换使除工作外电池恢复。对于条件①的电池放电策略研究具有复杂性和局限性。复杂性体现在需要判别无线传感器网络冗余节点群并时刻发送节点状态信息；局限性表现在要与具体的无线传感器网络相匹配。对于条件②研究具有通用性和可实现性，主要集中在多电池的节能调度策略，节能调度策略主要有随机选择法、电压判别算法、轮流算法以及能量最大算法，而这些算法或者节能效率低，或者复杂度较高，运行开销较大，尤其是没有充分考虑无线传感器节点电池恢复效应和额定容量效应。
[0004]基于以上原因，本发明应用数字电子技术设计无线传感器节点采用ZigBee模块作为无线通信单元，加装微处理器、数据感知单元、电源管理模块、能量收集模块以及电源模块，其中MOS管低功耗和快速通断的特性以及监测环境能量的收集保证无线传感器节点供电多电池的快速切换和节点的快速唤醒，使得无线传感器节点充分释放电池容量，提升工作寿命。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种多电池供电的无线传感器节点及其高效调度方法，适用于无线传感器网络多数应用环境以及组织结构，有效提升无线传感器节点工作寿命。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种多电池供电的无线传感器节点，该节点采用ZigBee模块作为无线传感器节点无线通信单元，加装微处理器、数据感知模块、电源模块、电源管理模块以及能量收集模块，其中微处理器分别与ZigBee模块、数据感知模块、电源管理模块以及电源模块相连接，电源模块分别与ZigBee模块、数据感知模块、电源管理模块相连接，电源管理模块与能量收集模块相连接，能量收集模块与数据感知模块相连接。电源模块由多电池构成，电池之间采用并联方式连接。
[0008]电源管理模块包括MOS管开关电路、MOS管驱动电路、MOS管加速电路、升压电路以及控制电路；MOS管加速通断电路，通过该MOS管加速通断电路的反接二极管和与二极管并联的电阻实现MOS管的加速通断；升压电路能够使电压2.4V升压到5V，保证MOS管的正常导通；控制电路包括38译码器和三态门，控制电路与微处理器的引脚连接，38译码器实现电源模块的扩展，三态门的选通端实现对于供电电池的选择，三态门输入端实现无线传感器节点的快速深度休眠。
[0009]能量收集模块包括换能器、整流滤波单元、稳压单元以及储能单元；当无线传感器节点深度休眠时，能量收集模块能够独立供电给数据感知模块，保证节点工作的实时性。
[0010]上述的多电池供电的无线传感器节点采用线性规划算法的调度方法如下:
[0011](a)设定各电池能恢复一个电荷单兀的最大休息时间为Ti ;(b)设定描述各电池恢复能力的二元函数Pi (Qn, Rt), 0?为电池当前电荷数目，Rt为电池的恢复次数；(C)设定多电池之间当前电荷数目容忍差值Qtd; (d)当多电池之间当前电荷数目差值Qd达到Qtd时，根据各电池恢复概率Pi (Qn，Rt)以及当前电荷数目Qn，计算出多电池之间能量均衡值I，公式Qe= Σ Pi (Qn，Rt) *Qn，然后由工作的电池失去一个电荷，休息电池的以概率Pi (Qn，Rt)恢复一个电荷或者以概率(1-Pi (Qn，Rt))保持当前电荷数目的规则得到多电池从当前到能量均衡时，各电池恢复电荷的期望值Ei,最后由目标函数max QzEfqjE；^+…+Ea+…以及能量均衡的约束条件，计算出各电池供电量Qi从而控制电源管理模块对多电池的切换以使电池充分释放容量。
[0012]本发明的一种多电池供电的无线传感器节点及其高效调度方法，适用于无线传感器网络多数应用环境以及组织结构，实现节能高效的同时，也降低了算法的空间复杂度和时间复杂度。`
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为发明的无线传感器节点电路框图。
[0014]图2为发明的电源管理模块电路示意图。
[0015]图3为发明的无线传感器节点工作流程图。
【具体实施方式】
[0016]下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0017]如图1、图2以及图3所示，其特征是开发方法为:
[0018]图1所示为发明的无线传感器节点电路框图。实际应用时，其中处理器和无线通信模块采用Jennic5148模块，该模块包含32位低功耗RISC处理器和符合IEEE802.15.4协议的无线通信模块；数据感知模块由传感器单元、AD/DA单元组成，通过SPI与处理器连接，传输数据同时唤醒深度睡眠无线传感器节点微处理器；能量存储模块包括换能器、整流滤波单元、稳压单元以及储能单元，储能单元在无线传感器节点深度休眠状态时可独立供电给数据感知模块；电源模块由双或多电池构成，电池间采用并联方式连接；电源管理模块由处理器IO 口进行控制，用以调度多电池以及无线传感器节点休眠时数据感知模块的供电。
[0019]图2所示为发明的电源管理模块电路示意图。该电源管理模块采用型号为SI2304的MOS管作为无线传感器节点多电池供电的模拟开关，该MOS管具有低能耗和通断时间短等优势；该电路采用双三极管、并联二极管以及BL8530升压芯片以保证MOS管顺利驱动和快速通断；该电路采用74L138译码器作为处理器控制芯片。该模块具有低能耗、快速通断等特点，能满足多电池顺利切换。
[0020]图3所示为发明的无线传感器节点工作流程图。工作过程如下:开启无线传感器节点，由纽扣电池供电给该节点处理器；稳定运行后，随机选择多电池中的一组为该节点供电，同时设定T1、p (Qn, Rt)以及Qtd ;然后判断该节点工作状态，若间歇工作则使该节点深度休眠，此时由能量存储模块独立为数据感知模块供电，数据感知模块监测数据采集事件，若发生则由数据感知模块通过SPI唤醒该节点，若不发生则以固定周期通过SPI唤醒该节点；若该节点连续工作，则需要判断电池间Qd是否达到Qtd，若否，则继续工作，若是则对电池进行调度，调度完成后重新随机选择一个电池组为该节点供电。
【权利要求】
1.一种多电池供电的无线传感器节点，其特征在于: 该无线传感器节点采用ZigBee模块作为无线通信单元，加装微处理器、数据感知模块、电源模块、电源管理模块和能量收集模块，其中微处理器分别与ZigBee模块、数据感知模块、电源管理模块以及电源模块相连接，电源模块分别与ZigBee模块、数据感知模块、电源管理模块相连接，电源管理模块与能量收集模块相连接，能量收集模块与数据感知模块相连接；电源模块由多电池构成，电池之间采用并联方式连接。
2.根据权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于:电源管理模块包括MOS管开关电路、MOS管驱动电路、MOS管加速通断电路、升压电路以及控制电路； 所述的MOS管加速通断电路，通过该MOS管加速通断电路的反接二极管和与二极管并联的电阻实现MOS管的加速通断； 所述的升压电路能够使电压2.4V升压到5V，保证MOS管的正常导通； 所述的控制电路包括38译码器和三态门，控制电路与微处理器的引脚连接，38译码器实现电源模块的扩展，三态门的选通端实现对于供电电池的选择，三态门输入端实现无线传感器节点的快速深度休眠。
3.根据权利要求2所述的无线传感器节点，其特征在于:所述的MOS管驱动电路采用图腾柱式驱动电路。
4.根据权利要 求1、2或3所述的一种用于无线传感器节点供电的多电池高效调度方法，其特征在于:能量收集模块包括换能器、整流滤波单元、稳压单元以及储能单元；当无线传感器节点深度休眠时，能量收集模块能够独立供电给数据感知模块，保证节点工作的实时性。
5.权利要求1、2或3所述的一种多电池供电的无线传感器节点的高效调度方法，采用线性规划算法作为无线传感器节点多电池调度方法，其特征包括以下步骤， (a)设定各电池能恢复一个电荷单兀的最大休息时间为Ti； (b)设定描述各电池恢复能力的二元函数Pi(Qn，Rt)，QnS电池当前电荷数目，Rt为电池的恢复次数； (c)设定多电池之间当前电荷数目容忍差值Qtd； Cd)当多电池之间当前电荷数目差值Qd达到Qtd时，根据各电池恢复概率Pi (Qn, Rt)以及当前电荷数目Qn，计算出多电池之间能量均衡值Qe，公式Qe= Σ Pi (Qn, Rt)*Qn，然后由工作的电池失去一个电荷，休息电池的以概率Pi (Qn，Rt)恢复一个电荷或者以概率(1-Pi (Qn，Rt))保持当前电荷数目的规则得到多电池从当前到能量均衡时，各电池恢复电荷的期望值Ei,最后由目标函数max QzEfqjE；^+…+Ea+…以及能量均衡的约束条件,计算出各电池供电量Qi从而控制电源管理模块对多电池的切换以使电池充分释放容量。
6.权利要求4所述的一种多电池供电的无线传感器节点的高效调度方法，采用线性规划算法作为无线传感器节点多电池调度方法，其特征包括以下步骤， (a)设定各电池能恢复一个电荷单兀的最大休息时间为Ti； (b)设定描述各电池恢复能力的二元函数Pi(Qn，Rt)，QnS电池当前电荷数目，Rt为电池的恢复次数； (c)设定多电池之间当前电荷数目容忍差值Qtd； Cd)当多电池之间当前电荷数目差值Qd达到Qtd时，根据各电池恢复概率Pi (Qn, Rt)以及当前电荷数目Qn，计算出多电池之间能量均衡值Qe，公式Qe= ∑ Pi (Qn, Rt)*Qn，然后由工作的电池失去一个电荷，休息电池的以概率Pi (Qn，Rt)恢复一个电荷或者以概率(1-Pi (Qn，Rt))保持当前电荷数目的规则得到多电池从当前到能量均衡时，各电池恢复电荷的期望值Ei,最后由目标函数max Q=E1*Q1+E2Q2+…+E1Q1+...以及能量均衡的约束条件,计算出各电池供电量Qi从而控制电源管理模块对多电池的切换以使电池充分释放容量。
【文档编号】H02J7/36GK103607761SQ201310634748
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】金仁成, 王震, 车志平, 何青叶, 刘冲 申请人:大连理工大学