采用太阳能电池无线传感器网络能量模型研究.pdfVIP

采用太阳能电池的无线传感器网络能量模型的研究1 刘勇，仲元昌，李秀珍，李飞 重庆大学通信工程学院，重庆(400044) E-mail:liuyongzero@ 摘 要：为了实现太阳能电池在无线传感器网络节点中能量最优利用，本文研究了采用太阳 能电池供电的无线传感器网络节点能量关系，提出了在标准光强度下太阳能电池输出功率与 传感器网络节点能够正常工作消耗的功率的关系模型，设计了保证该传感器网络节点在不同 光强度下正常工作的自适应算法。仿真和实验结果表明，该能量模型实现了太阳能电池的能 量最优化利用，在保障传感器节点长期稳定地工作地同时，有效减小了节点的体积。 关键词：太阳能电池，无线传感器网络，自适应算法 中图分类号：TP393 1．引言 [1] 无线传感器网络(WSN) 一般由散布于一定区域内数量庞大的传感器节点组成 ，通常采 用电池供电。由于常规电池提供的能量是有限的，且传感器节点经常处在恶劣环境中，为每 个节点更换电池很难，因此在设计无线传感器网络时，应充分依靠潜在的可以利用的能源： 太阳(光)能、风能、热能、机械振动能、声能、电磁场能等。如何在传感器网络节点上收集 储存这些能源，近年来科学家进行了一些研究，取得了一定的进展。其中，利用机械振动和 光能的能量收集技术研究比较多。本文针对太阳能供电的无线传感器网络提出了一种能量模 型，为类似网络设计提供了理论依据。 太阳能电池工作的基本原理是利用光电材料吸收光子，进而激活太阳能电池中的电子， 产生电动势。太阳能电池在光的照射下产生电压，增加相应的调整和储存电路，即可为负载 实现供电。实际电压输出随温度的不同而变化，一般说来温度越低输出电压越高，光照越强 输出电流越大[2] 。在解决由于光照强度、时间不同导致太阳能电池产生的能量不同的问题中， 本文提出了保证无线传感器网络正常工作的自适应算法[3] 。其思想：由于无线传感器网络能 量消耗主要集中在无线通信中，通过降低无线通信的次数来减少能量消耗，以维持传感器网 络全天候工作。在一年中根据光照时间长短适当调整无线通信的次数；在一天中根据光照强 度、温度变化和蓄电池电能储量水平，增加或减少无线通信的次数。 2 ．传感器节点各模块能量关系 2.1 传感器节点各模块能量关系图 无线传感器节点通常包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块、太阳能电池、蓄电 池。太阳能电池采用光电转换原理，将光能转换为电能，存储在蓄电池中。由蓄电池统一为 传感器节点的耗能模块提供能量。处理器根据蓄电池的电量水平、各季节的日照时间、日照 强度、昼夜关系等及时调整无线通信模块的信息发送频率，以改变节点的能量消耗状况，使 传感器网络最大限度的利用有限的电能，维持正常工作。如图1 所示： 1资助项目：国家（973 ）计划（2002CB410803 ）；重庆市自然科学基金（CSTC，2006BB2242 ）。 基金项目：重庆大学研究生科技创新基金，项目编号：200801A1B0160275 。 - 1 - 图1 传感器节点各模块能量关系图 2.2 最大功率点的阻抗匹配 设太阳能电池的电压为es ，电流为is 。其电压- 电流( es −is )特性在忽略太阳能电池内部 小的串联和并联电阻以后可以表示为: q es i I I eKT − ( −1) (1)