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自动化联盟 - 自动化技术文章一箩筐

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    环境监测无线传感器网络节点能源技术

    孙严军 2009-11-11 13:17
    1、引言

    无线传感器网络通常包括传感器节点,汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内,通过自组织方式构成网络。各节点监测数据沿其他节点逐跳传输后送至汇聚节点,最后通过远距数据传输技术到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务及收集数据。无线传感器网络可广泛应用于军事安全、环境监测、交通管理、灾害预报、医疗卫生等领域。美国《技术评论》认为,无线传感器网络是21世纪十种会产生巨大影响的新兴技术中的一项[1]-[2]。

    在不同应用中,传感器网络节点的组成不尽相同,但一般都由传感器模块、处理模块、无线通讯模块和能量提供模块组成,其中能量提供模块是节点生命周期最大化的关键。无线传感器网络节点大多为随机播撒安放,且由于环境恶劣或节点移动等原因,各节点一般采用一次性自备电源,一旦播散后无法更换。基于上述原因,传感器网络节点的能源提供与管理技术一直是无线传感器网络技术中研究的重点。本文将针对应用于环境监测的无线传感器网络节点,从能源提供技术、能源补充技术、能耗降低技术三个方面进行论述。

    2、环境监测传感器节点能源的提供技术

    传感器网络应用于环境监测,改变了以往单一传感器定点、定时测量的模式。实现了对观测对象多角度(多种类传感器)、同步、连续测量。因此获得的数据更全面,更有代表性,便于描述观测对象空间与时间变化规律,发现其内在联系。

    2.1环境监测对传感器节点能源提供技术的要求

    ● 体积小

    传感器网络节点应该在体积上足够小,保证对目标系统本身不会造成影响,在某些场合甚至需要节点能小到不被觉察的程度,以完成特殊任务。因此各节点的能源提供模块体积也要小。

    ● 环境适应性强

    作为环境监测的传感器节点经常安放于环境较为恶劣,人迹罕至的区域。因此,节点能源提供模块需要具备较强的环境适应能力,主要是工作温度,水密性等指标应满足使用需要。

    ● 放电特性稳定

    随着芯片制造技术和传感器技术的发展,节点传感器、处理器和无线收发模块的功耗大大降低。因此,节点对供电系统瞬时放电能力的要求不是很高,但持续放电稳定性对系统使用及寿命影响较大。

    ● 成本低

    低成本是传感器节点的基本要求。只有成本低,才能大量布置,因此供电模块不能使用价格昂贵的技术方案。

    ● 无污染

    应用于环境监测的节点由于使用环境艰险且数量巨大,因而能源模块必须采用无污染或低污染的技术方案。

    2.2环境监测传感器节点电池特性比较与选择

    根据环境监测对传感器节点能源模块的技术要求,目前可行且基本满足要求的解决方案是采用高性能电池作为能源提供模块。下面对几种主要类型的电池特点进行分析比较。

    (1)锌锰碱性电池

    一次性锌锰碱性干电池是最常见的一种电池。这种电池价格便宜,电量较好,储存时间长,温度适应条件好。公称电压1.5V,适用于中小电流密度放电。缺点是一般内阻较大,在放电电流过大的情况下,电化学极化增大,工作电压迅速下降,电池输出容量减少。

    (2)镍镉(Ni-Cd)充电电池

    镍镉充电电池正极为氧化镍,负极为海绵状金属镉,电解液多为氢氧化钾、氢氧化钠碱性水溶液。小型密封镉镍电池的结构紧凑,坚固,耐冲击,震动。成品电池自放电小,适合大电流放电,适用温度范围-40℃~60℃。循环寿命长,理论上达到2000-4000次循环。

    (3)镍氢电池

    镍氢电池大大减少了镍镉电池的“记忆效应”,使用更方便,寿命更长久。镍氢电池还具有电容量高、放电深度大、耐过充和过放电、充电时间短等优点。最重要的是镍氢电池不再使用有毒的重金属作为材料,可以消除对环境的污染。但镍氢电池高温特性比较差,在45℃以上的高温环境将无法正常工作。另外,这种电池的自放电率也比较高。

    (4)锂离子电池

    锂离子电池具有重量轻,容量大、能量密度大的优点,但价格较高。与镍氢电池相比,锂离子电池比较轻便,能量比却高出60%。此外,锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点,使它的生产和销售正逐渐超过镍氢电池。

    从以上种类电池中,选择有代表性的产品进行相关参数的比对。其中锌锰碱性电池选择南孚LR6AA型,镍镉电池选择傲能D-4/3AA1300,镍氢电池选择傲能H-AA2100A,锂电池选择力兴CR2450,锂离子电池选择JJJLC16340。

      表1 几类电池代表型号主要参数对比表

    电池

    通过上表可以看出,几种类型的电池各项性能虽有差异,但从体积,环境适应性,放电稳定性,成本等几方面都能满足环境监测无线传感器网络节点能源提供的要求,其中锂离子电池环保优势明显。在实际使用时,针对各节点耗电大小,供电电压要求等情况,从不同类型电池中进行优化细选。

    在迄今世界上最成功的无线传感器网络环境监测实验——美国大鸭岛实验中, Wec节点使用CR2450电池,Renee、Mica2和Mica2dot等节点使用2节AA电池[3]。

    3、环境监测传感器节点能源补充技术

    节点能源补充技术是利用节点布放环境中一些可利用的能量资源为节点工作提供能量或为节点电池充电,从而延长节点有效期。应用于环境监测的传感器节点一般可采用光能和风能来进行能量补充。

    德州大学Shashank Priya教授采用压电器件制造了一种小型发电机。这种发电机可由时速8~16公里的风力驱动,能够为无线传感器网络中的独立节点提供最多50mW 的功率。这种小型风力发电机使用成熟的压电和机械技术,使得原型设备的成本不到20美元,改变了以往风力能源补充技术过于昂贵和技术要求过高的难题[4]。

    光电材料的发展,使光能收集成为无线传感器网络能量来源另一种可能的解决方案[5]。一般情况下,应用于环境监测的传感器节点获取足够的光照并不困难。

    利用MAX1555电池充电控制芯片设计了一套实用的环境监测传感器节点能源补充系统。其中,太阳能电池尺寸为55mm×50mm,安装于节点的外壳或密封盖上。输出电压最大为4.5V,最大电流为50mA,最大功率约为0.2W。MAX1555外接电路简单,大大减少了充电控制系统功耗、成本及体积。充电电池选择南孚LR6AA型锌锰碱性电池。从电池储、放电原理分析,碱性锌锰电池是可充电的,但充电电流不能过大。只有保证电池内部的化学反应有充足的完成时间,才可以减少电池的各种极化现象,同时系统还设计了过温与过压保护电路。

    利用所设计的、具备太阳能充电功能的电源模块与一般电池电源模块进行了相同负载的供电试验。实验期间为冬季,气温在5~10℃之间,天气以多云和阴为主。光照、温度等条件,在一年中都属于较差的情况。

    电源模块

    图1 两个电源模块相同负载下供电首日电压变化图

    由图1看出,两个电源模块初始电压相近。当接入负载后,无充电功能的电源模块2的电压持续下降。具备太阳能充电功能的电源模块1的电压则随日照强度而变化,并在14点左右达到峰值。经过三天的放电试验,电源模块2的电压持续下降,从3.2V降到3.1V。电源模块1的电压除在每天12点至14点期间出现峰值外,整体没有下降趋势。

    如以传感器节点平均日耗电8.148mAh为例,日耗电88J,使用没有太阳能充电功能的两节LR6AA型锌锰碱性电池(2500mAh),理论上可持续工作300天。使用太阳能充电功能的相同电池供电系统,以年平均日照时数为2550.7小时(青岛市)为例,选用的光电池平均日输出电能大于500J,大于节点日耗能量,因此使用期限取决于电池的充电寿命。

    4、环境监测传感器节点能耗降低技术

    无线传感器节点的能量问题既包括能量的补充技术,还包括能量的节约技术。节电降耗措施主要包括几个方面:

    1、节点通讯模式

    传感器节点一般工作于四种模式:发送、接收、空闲和休眠。研究表明,发送功耗、接收功耗和空闲功耗处于同一个数量级,而休眠功耗比其他模式功耗低1~2个数量级;休眠模式切换到其他模式需要较多的能耗(和启动时间);通信模块的发送功耗与传输距离和调制策略等因素密切相关。因此,为了节省通信能耗,应尽可能使通信模块处于休眠状态;尽可能减少节点通信模式的切换;适当考虑多跳路由取代单跳路由。

    2、通讯协议能效策略

    由于无线信道的广播特性,通讯协议的研究主要围绕MAC协议进行,以确保各相邻节点能够共享信道,减少或避免碰撞,提高能效和吞吐率。利用处理功耗远低于通信功耗的特性,通过中间节点的处理,降低数据中的冗余度以减少通信量,提高通讯有效性[6]。

    3、通讯路由算法的能效标准[7]

    网络层的路由协议决定监测信息的传输路径[8]。在路由协议的选择与设计中,不但要考虑时间,拥堵,可靠性等指标,还要考虑单节点能量消耗和整个网络能量分布均衡等指标。

    4、网络应用的能效优化

    无线传感器网络的通信设计和功能设计应充分考虑环境监测应用特点,优化网络动作和控制行为,避免不必要的联络与测量,以保证在完成监测任务的前提下延长网络的生命周期。

    5、结语

    无线传感器网络应用于环境监测是一种新的环境信息获取方式,提供了一个新的观察角度和平台。节点能量提供与管理是无线传感器网络的关键技术之一。要有效延长环境监测传感器网络的寿命,须从节点能源提供技术、能源补充技术、能耗降低技术等方面加强。

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    韩斐 2011-09-04 11:46
    环境监测无线传感器网络节点能源技术
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