呂 濤，施偉斌，范坤坤，楊 凱，余家寶，孔維行，鞏艷慶，孫 鳳

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，通過(guò)無(wú)線通信的方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，目前已在醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居等諸多領(lǐng)域得到不同程度的應(yīng)用。在WSN中，考慮到要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長(zhǎng)的工作時(shí)間，因此低功耗幾乎就成了目前WSN研究的一個(gè)核心之一［1］。其中基于ZigBee技術(shù)的WSN以其低功耗、低成本和低復(fù)雜度受到高度關(guān)注，但其節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題仍有待解決［2］。目前傳感器節(jié)點(diǎn)主要依靠電池供電，為保證節(jié)點(diǎn)能較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，故在進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)［3－5］與節(jié)能策略研究［6－9］的同時(shí)，也對(duì)供電模塊電池的性能提出了較高的要求，尤其是一些放置于室外的傳感器節(jié)點(diǎn)，采用什么樣的供電方案才能保證其較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作，若采用太陽(yáng)能電池供電，如何選擇合適的太陽(yáng)能電池板和鋰電池就是一個(gè)必須要解決的問(wèn)題。

目前對(duì)電池性能的測(cè)試主要是針對(duì)電池剩余電量的監(jiān)測(cè)，通常使用電池荷電狀態(tài)(State of Charge)來(lái)描述電池的剩余電量［10］。目前對(duì)于電池剩余電量的監(jiān)測(cè)，主要有兩種方法:一種方法是以電壓測(cè)量為基礎(chǔ)，另一種方法則是以電流積分為基礎(chǔ)。其中電壓測(cè)量法是基于電池電壓和電池剩余電量之間存在的某種已知的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量電池兩端的電壓來(lái)計(jì)算電池的剩余電量［11］。由于WSN應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)需要大量布置在實(shí)際環(huán)境中，傳統(tǒng)的專用儀表測(cè)量電池電量技術(shù)受限于人力物力成本，不能很好地滿足實(shí)時(shí)能耗監(jiān)測(cè)的需要。本文采用電壓測(cè)量法，設(shè)計(jì)了一種基于WSN的電池電壓在線監(jiān)測(cè)的方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)組建基于ZigBee的WSN節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)使用的鎳氫電池與太陽(yáng)能電池的供電性能進(jìn)行了測(cè)量分析;在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下，通過(guò)測(cè)算節(jié)點(diǎn)的實(shí)際生存時(shí)間來(lái)尋找合適的節(jié)點(diǎn)供電方式。

1 伏安特性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前關(guān)于WSN節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間與電池供電性能的研究大多集中在理論分析與仿真階段，與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)際效果相差較大，故本文作者搭建如圖1所示的測(cè)試平臺(tái)，以ZStack－CC2530－2.2.0 －1.3.0 為基礎(chǔ)組建WSN，可較準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集與監(jiān)測(cè)。

圖1 WSN測(cè)試平臺(tái)硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

由CC2530數(shù)據(jù)手冊(cè)中對(duì)ADC控制寄存器ADCCON2的描述可知［12］，當(dāng)寄存器 ADCCON2的［3:0］位為1111時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)1/3電源電壓的AD采樣，所以可通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)電池電壓的采集。同時(shí)使用ADC的AIN7通道實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能充電電壓即鋰電池電壓的采集，使用ADC的AIN0－AIN1進(jìn)行差分采樣實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板充電電流的采集。由于太陽(yáng)能電池板的輸出電壓為5 V，超出了CC2530的工作電壓3.3 V，故將其輸出電壓使用10 MΩ的電阻進(jìn)行分壓后采集。

由于終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，除了包含采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以外，還有其他相關(guān)的輔助信息，因此需要對(duì)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信格式進(jìn)行如表1所示的相應(yīng)規(guī)定，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。同時(shí)為便于上位機(jī)軟件處理，對(duì)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信格式也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定如表2所示。

表1 終端節(jié)點(diǎn)－協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)通信格式

表2 協(xié)調(diào)器－PC機(jī)數(shù)據(jù)通信格式

1.2 上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)

使用VC++6.0開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)串口控件的操作、串口數(shù)據(jù)的接收和處理、顯示界面的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。圖2為上位機(jī)軟件界面，可對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分布以及電池伏安特性等工作狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖2 上位機(jī)軟件界面

1.3 與現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)比較

本文對(duì)現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用電壓測(cè)量法，結(jié)合WSN技術(shù)，提供了一種基于WSN的電池電壓在線監(jiān)測(cè)的方法，可以實(shí)現(xiàn)電池電壓的遠(yuǎn)程測(cè)量與采集工作;與使用精密測(cè)量?jī)x器測(cè)得數(shù)據(jù)相比較，測(cè)量誤差范圍在1%左右。與常用人工測(cè)量的方式相比較，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置環(huán)境復(fù)雜，在需要被測(cè)節(jié)點(diǎn)電池?cái)?shù)量較多時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，大量減少了測(cè)試的工作量與人工成本。本文基于此，對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)電池供電性能進(jìn)行測(cè)量分析，試圖在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下尋找合適的節(jié)點(diǎn)供電方式，在不影響節(jié)點(diǎn)正常工作的情況下盡量延長(zhǎng)其生存時(shí)間。

表3 方法有效性比較

2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有電池情況，針對(duì)不同型號(hào)不同容量的電池，制定了以下分組測(cè)試方案:

(1)鎳氫電池測(cè)試實(shí)驗(yàn) 根據(jù)節(jié)點(diǎn)所用電池的容量分為三組，每組由4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，分別以2 s、30 s、1 min、10 min 4 種不同數(shù)據(jù)發(fā)送頻率向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自身的電池電壓數(shù)據(jù)，具體的分組信息如表4所示。

(2)太陽(yáng)能電池板及鋰電池測(cè)試實(shí)驗(yàn) 如表5所示，對(duì)現(xiàn)有的鋰電池和太陽(yáng)能電池板分成四組，四組節(jié)點(diǎn)同時(shí)以相同的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自身的電池電壓數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)2 s、1 min、10 min 3種不同數(shù)據(jù)發(fā)送頻率各進(jìn)行為期9天的測(cè)試。

表4 鎳氫電池測(cè)試分組

表5 太陽(yáng)能電池板及鋰電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)分組

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文作者在研究生實(shí)驗(yàn)樓六樓利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)第26信道組建測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了連續(xù)四周的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。圖3為測(cè)試網(wǎng)絡(luò)某一時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)某一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.1 鎳氫電池測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)論

圖4為某公司將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，兩節(jié)鎳氫電池在電池電量為0、25%、50%、75%和滿電時(shí)的電壓值取平均值后的散點(diǎn)圖。并由此得出電池電量與電壓關(guān)系的估算關(guān)系式(1)，式中C為電池電量百分比，V為電池空載時(shí)的電壓。

圖4 鎳氫電池電量－電壓關(guān)系

由于測(cè)試結(jié)果只作為以后傳感器節(jié)點(diǎn)電池選型的參考依據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的精確度要求并不高，因此在隨后對(duì)使用鎳氫電池的傳感器節(jié)點(diǎn)耗電量的計(jì)算中，可采用關(guān)系式(1)估算電池的電量。

圖5為3種不同容量的電池在以2 s、30 s、1 min及10 min不同的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率由傳感器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送長(zhǎng)度為6 byte的數(shù)據(jù)時(shí)的日耗電量比較，表5為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間。由圖5可知，3種不同容量的電池在以2s的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率時(shí)耗電量明顯比其他發(fā)送頻率下要高很多。在30 s、1 min及10 min 3種數(shù)據(jù)發(fā)送頻率下各種型號(hào)的電池的耗電量基本接近。由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)以較高的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率(實(shí)驗(yàn)中的2 s每次)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)的能量主要消耗在射頻數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程;當(dāng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送頻率較低時(shí)(實(shí)驗(yàn)中時(shí)間間隔30 s以上)，節(jié)點(diǎn)的能量主要由維持節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行所消耗。因此，應(yīng)進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)，以降低傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能期間的供電時(shí)間。

圖5 鎳氫電池日耗電量

表6 節(jié)點(diǎn)生存時(shí)間

此外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送頻率相同時(shí)，理論上每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的電量應(yīng)該一樣，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)圖5所示現(xiàn)象，除了參考文獻(xiàn)［13－14］所提到的原因外，還受到以下因素的影響:

(1)由于節(jié)點(diǎn)放置的位置不同，在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)所消耗的電量也不一樣;

(2)由于本實(shí)驗(yàn)所用電池已循環(huán)充放電的次數(shù)不同，造成即使是同品牌、同規(guī)格的電池在性能上也會(huì)存在差別;

(3)不同型號(hào)容量的電池在消耗相同電量時(shí)的壓降不同，本文在采用統(tǒng)一的電壓－電量關(guān)系式換算后，計(jì)算出的電池電量也存在一定差異。

3.2 太陽(yáng)能電池測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)論

對(duì)太陽(yáng)能電池的主要測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試周期如表7所示。表8是實(shí)驗(yàn)期間的天氣情況記錄。圖6則是使用太陽(yáng)能電池板和鋰電池的傳感器節(jié)點(diǎn)以及只使用鋰電池的傳感器節(jié)點(diǎn)的電池電壓實(shí)時(shí)曲線圖。

表7 測(cè)試項(xiàng)目及周期

表8 測(cè)試期間天氣情況

由圖6中節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的電壓變化曲線可知，使用0.7W太陽(yáng)能電池板收集能量，并采用鋰電池將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，即使在實(shí)驗(yàn)期間出現(xiàn)了連續(xù)3天(3 d)的陰雨天氣時(shí)，也可以維持傳感器節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)電池電壓仍然維持在3.9 V以上。圖6中節(jié)點(diǎn)1的電壓波動(dòng)比節(jié)點(diǎn)2的電壓波動(dòng)較為明顯，原因是1 000 mAh鋰電池受其容量所限并沒(méi)有將太陽(yáng)能電池板收集到的全部能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在出現(xiàn)連續(xù)陰雨天時(shí)電池電量的消耗會(huì)較明顯的體現(xiàn)在電壓下降上。

如圖6中節(jié)點(diǎn)3曲線所示，節(jié)點(diǎn)3在以2s每次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，鋰電池電量在正常工作了5天(5 d)左右后電量耗盡。與節(jié)點(diǎn)2的電壓變化曲線相比可知，0.4 W太陽(yáng)能電池板收集的能量不足以維持傳感器節(jié)點(diǎn)在以2s每次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行。

圖6 鋰電池+太陽(yáng)能電池板節(jié)點(diǎn)電池電壓變化曲線

圖6中所示節(jié)點(diǎn)18只采用1 000 mAh鋰電池供電，未使用外接太陽(yáng)能電池板收集能量。實(shí)驗(yàn)期間節(jié)點(diǎn)18分別在11月25日10:12、11月29日2:28、12月5日10:29、12月9日14:45、12月15日19:35時(shí)不能正常工作。由此可知，1 000 mAh的鋰電池僅能維持傳感器節(jié)點(diǎn)在以2 s每次的頻率向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)下正常運(yùn)行3天～4天(3 d～4 d)。結(jié)合表8可知，在連續(xù)4天(4 d)陰雨天太陽(yáng)能電池板無(wú)法正常收集能量時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將無(wú)法正常的工作。

在對(duì)太陽(yáng)能電池板搭配鋰電池組合方案的供電時(shí)效性進(jìn)行測(cè)試中，考慮到該組合方案以后的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，本文采用最直接的測(cè)試方式，在室外實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，而非在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中搭建標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件應(yīng)為:光譜AM1.5，輻照度1 000 W/m2，溫度25℃)，實(shí)際測(cè)試條件如表9所示。

表9 供電時(shí)效性測(cè)試條件

以2 000 mAh容量鋰電池為例，如果直接用電源適配器對(duì)其充電一般需要3 h左右充滿電;而采用0.7 W太陽(yáng)能電池板對(duì)其供電，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間的光照條件下，從上午8:30開(kāi)始測(cè)試，需要充7個(gè)多小時(shí);實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中午(10:00～14:00左右)光照充足的情況下充電效率較高，約占總電量的60% ～80%左右;夜間或者光線較弱時(shí)，太陽(yáng)能電池板充電電流幾乎沒(méi)有，此時(shí)太陽(yáng)能電池板不能對(duì)鋰電池進(jìn)行有效的電量補(bǔ)充，只能一直依靠鋰電池自身所蓄電量為節(jié)點(diǎn)供電。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般會(huì)先對(duì)鋰電池用電源適配器進(jìn)行充電，再搭配太陽(yáng)能電池板對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電。

同時(shí)，在使用鋰電池時(shí)還應(yīng)注意:

(1)由于鋰電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，即使電池還有部分電量殘存的情況下充電都是有效的，可以隨用隨充。在平時(shí)使用中注意不要過(guò)度放電，否則會(huì)對(duì)電池造成不可逆的容量損失，對(duì)其自身使用壽命造成損害。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果遭遇連續(xù)陰雨天氣，當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)端顯示節(jié)點(diǎn)電壓較低、太陽(yáng)能電池板無(wú)法滿足其供電需求時(shí)，要及時(shí)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。

(2)在前期使用電源適配器對(duì)鋰電池充電時(shí)注意不能過(guò)充，當(dāng)電源適配器充電完成指示燈亮?xí)r，要及時(shí)停止充電過(guò)程。

在后續(xù)研究中，為了提高太陽(yáng)能電池板搭配鋰電池組合方案的光電轉(zhuǎn)換效率，充分利用太陽(yáng)能源，除選用轉(zhuǎn)換效率更高的太陽(yáng)能電池板外，在現(xiàn)有條件下也可考慮增加光敏傳感器來(lái)獲取當(dāng)天太陽(yáng)照射相對(duì)位置信息，利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光線入射位置的較大角度跟蹤，盡可能保持太陽(yáng)光線垂直照射在太陽(yáng)能電池板，提高其太陽(yáng)能采集效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在搭建的測(cè)試平臺(tái)上基于ZigBee協(xié)議組建了一個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)功耗的測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)的鎳氫電池與太陽(yáng)能電池的供電性能進(jìn)行了初步測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)采集周期為2 s～600 s的情況下，用普通鎳氫電池為WSN節(jié)點(diǎn)供電只能維持其正常工作10天(10 d)左右，無(wú)法保證節(jié)點(diǎn)在室外環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常工作，顯然，為了使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到實(shí)際應(yīng)用，需要對(duì)現(xiàn)有通信協(xié)議和供電方案等進(jìn)行改進(jìn)。太陽(yáng)能電池板與鋰電池組合是一種可行的供電方案，根據(jù)數(shù)據(jù)采集頻率和應(yīng)用系統(tǒng)的工作條件需要選擇合適的電池功率和容量，在本文所述的實(shí)驗(yàn)條件下，使用2 000 mAh鋰電池搭配0.7 W太陽(yáng)能電池板對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電能維持其在室外環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作。

同時(shí)，本文提供了一種基于WSN的電池電壓在線監(jiān)測(cè)的方法，可實(shí)現(xiàn)電池電壓的遠(yuǎn)程采集與測(cè)試工作;與常用人工測(cè)量的方式相比較，在需要被測(cè)電池?cái)?shù)量較多時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，大量減少了測(cè)試的工作量;由于采用WSN技術(shù)，在消耗較小電量的基礎(chǔ)上可完成電池電壓的采集，不會(huì)影響電池的后期正常使用。

本文的工作可以為WSN節(jié)點(diǎn)的電源設(shè)計(jì)以及WSN系統(tǒng)的生存時(shí)間估計(jì)提供參考，同時(shí)也提供了一種電池電壓遠(yuǎn)程測(cè)試的方法。未來(lái)我們將對(duì)影響電池使用壽命的因素以及在不同條件下如何確定太陽(yáng)能電池板和鋰電池的優(yōu)化參數(shù)開(kāi)展進(jìn)一步研究。

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