WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點功耗與能量預(yù)警研究

WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點功耗與能量預(yù)警研究一、引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）是一種由大量無線節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，能夠自組織形成一個分散式的系統(tǒng)，實現(xiàn)對大面積地理區(qū)域或物理對象的采集、處理、傳輸和監(jiān)控任務(wù)。WSN在面對廣泛的應(yīng)用時具有優(yōu)異的優(yōu)點，如高穩(wěn)定性、低成本、大規(guī)模、適應(yīng)性和靈活性等，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，智能交通，智慧城市等方面。WSN的應(yīng)用越來越多，功耗與能量預(yù)警已經(jīng)成為研發(fā)WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的重要議題。論文將解析這一問題并探討可行解決方案。二、WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點功耗的問題WSN系統(tǒng)由許多小型的節(jié)點組成，當(dāng)環(huán)境變化時，這些節(jié)點將大量的數(shù)據(jù)上傳到中心或基站，相應(yīng)地會產(chǎn)生大量的功耗。節(jié)點功耗會受到許多因素的影響，如通信，傳輸，傳感器，數(shù)據(jù)采集等,以下主要對幾個重要的因素進行探討：1.無線傳輸相對于有線傳輸，無線傳輸?shù)墓氖呛艽蟮?。無線傳輸時，傳輸能耗成為系統(tǒng)中的重要因素之一。在采樣數(shù)據(jù)傳輸過程中，節(jié)點需要開啟無線模塊，傳輸數(shù)據(jù)時需要進行頻繁的封包和解包等操作，導(dǎo)致功耗高。2.傳感器傳感器具有很多不同的類型，包括溫度、濕度、壓力等。使用不同的傳感器需要不同的能量。例如，在溫度傳感器中，當(dāng)傳感器被頻繁使用時，SPR磁阻傳感器耗電量較低，所以更為節(jié)能。3.數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集也是節(jié)點中的另一個重要因素之一，當(dāng)節(jié)點的采樣率較高時，節(jié)點將消耗更多的電能。另一方面，采樣率太低時，將失去許多精度和實時性，無法有效地滿足實際需要。三、WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的能量預(yù)警為了解決節(jié)點能耗的問題，提高WSN系統(tǒng)的可靠性和效率，需要將能量預(yù)警系統(tǒng)集成到WSN系統(tǒng)中。當(dāng)節(jié)點的能量水平降低至某個預(yù)定的值時，就會出現(xiàn)節(jié)點失效的問題。因此，在節(jié)點出現(xiàn)能耗問題之前，應(yīng)該提前預(yù)測能量消耗情況，提前采取措施，從而提高WSN系統(tǒng)的可靠性。1.節(jié)點能量預(yù)警方法節(jié)點能量預(yù)警方法有兩種：一種是基于估計能量水平的方法，另一種是基于能量消耗速率的方法。基于能量水平的方法，是指在節(jié)點能量水平降到某個水平時，預(yù)測節(jié)點的運行時間。例如，在節(jié)點剩余5％的電能時，預(yù)測該節(jié)點可以保持多長時間運行。2.能量預(yù)警策略節(jié)點能量預(yù)警策略基于節(jié)點能量剩余百分比，采用不同的預(yù)警策略。能量預(yù)警策略包括三個基本要素：預(yù)測節(jié)點能量水平、定義警戒值和規(guī)定特定行為。四、WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點功耗與能量預(yù)警的解決方案1.節(jié)點充電管理方案充電方案是實現(xiàn)注冊節(jié)點供電和自動充電的關(guān)鍵所在，該方案基于節(jié)能且靈活的掌握電池運行情況的思想。首先，將能耗水平降到最小；其次，利用太陽能充電，避免頻繁充電且減少電池沖擊。2.運用低功耗模式采用低功耗模式來降低節(jié)點的功耗。低功耗模式主要包括四種狀態(tài)：睡眠模式、淺睡眠模式、待機模式和高功耗模式。節(jié)點在芯片的待機模式下使用最小的能量，以達到節(jié)電和節(jié)省能源的目的。3.能量預(yù)測算法優(yōu)化節(jié)點能量預(yù)警算法，決定節(jié)點所處的狀態(tài)，例如，如果能量強度很低，節(jié)點改進要么充電，要么降低采樣率等。可以根據(jù)這些狀態(tài)創(chuàng)建模型，包括能耗模型、能耗速率模型和能耗測量模型。五、結(jié)論節(jié)點功耗與能量預(yù)警問題對整個WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的運行和可靠性非常重要。優(yōu)化功耗必須從各個方面入手來降低能耗，從而提高WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的性能。在節(jié)點能量