在可收集能量的無線傳感器網絡中對收集能量受限因素的研究

郭振杰

（四川大學計算機學院，成都610065）

0 引言

目前，隨著人工智能技術的發展，物聯網的應用更加廣泛，如環境監測、森林火災監測、農業生產監控、道路情況監測、軍事領域、工業自動化系統監控、智能電網網絡監控等[1-2]。

在無線傳感器網絡中，傳感器作為終端設備，可以感知并傳送周圍環境的信息，如溫度、濕度、風速、光照強度以及氣體濃度等。在傳統的無線傳感器網絡中，傳感器由能量有限的電池供電，傳感器在感知、傳輸和接收轉發數據時將會消耗大量能量，一旦傳感器能量消耗殆盡將無法正常工作，因此將會造成網絡中的數據丟失。當傳感器能量耗盡后，通常采用更換傳感器的電池或用移動的充電車來為傳感器充電。由于傳感器一般部署在環境比較惡劣的地方，因此更換傳感器的電池或用移動充電車為傳感器充電難度大且成本高。因此，如何更有效的利用傳感器自身的能量尤為重要，也是現在研究的重點。

近年來，隨著可再生能量技術的發展和應用，可以為傳感器安裝能量轉換裝置，例如太陽能板，將太陽能轉化成電能為傳感器自身供電。為了解決網絡壽命問題，一些開創性的研究人員提出使傳感器能夠從其周圍環境中獲取能量，例如太陽能、風能、熱能等，使得傳感器補充能量不再受到地域和充電設備的限制。在無線傳感器網絡中由于傳感器部署的隨機性以及部署位置的復雜性，傳感器使用可收集太陽能能量的電池時收集的能量多少會受到諸多因素的影響，目前的研究往往會忽略這些因素對太陽能收集的影響，因此本文將研究一些因素對能量收集的實際影響情況。

1 可收集能量無線傳感器網絡概念

能量收集是通過轉化設備將一些自然界的能量，如太陽能、風能、熱能等轉化為電能。隨著可再生能量技術的發展以及成熟，目前在無線傳感器網絡中也得到了廣泛的應用，例如無線傳感器網絡中的傳感器通過內嵌能量收集和轉化裝置可以從周圍環境中獲取能量為其供電，例如太陽能、風能、熱能等。在本文中，考慮傳感器內嵌的能量轉化裝置為太陽能板，傳感器通過將太陽能轉化為電能為其供電，因此解決了為傳感器充電受到地理環境復雜惡劣的影響以及使用充電車為傳感器充電成本高的約束。在使用能量收集技術的無線傳感器網絡稱為可收集能量無線傳感器網絡。

2 能量收集受限因素

眾所周知，太陽能的收集受到諸多因素的影響，如時間因素、周圍環境因素以及天氣因素等。在計算傳感器收集能量值時需要考慮這些因素對能量預測值的影響。

2.1 時間因素對太陽能收集率的影響

如圖1（a）所示，在天氣晴朗的一天，傳感器太陽能的收集率隨著時間的變化情況。由于太陽朝升夕落在一天中是不斷變化的，因此太陽能收集率的高低受太陽光照強度的影響，如在凌晨6：00 以前以及傍晚20：00以后，由于太陽還沒升起沒有太陽光照，因此太陽能收集率非常低或為0。6：00 到14：00 隨著太陽的上升太陽關照強度也逐漸加強，太陽能的收集率隨之也逐漸升高。14：00 到20：00 隨著太陽降落太陽關照強度也逐漸減弱，太陽能的收集率隨之也逐漸降低。

另外，發現太陽能收集率與一天中太陽的關照強度變化一致，因此，太陽能收集率受到時間因素影響隨著時間變化而變化。

圖1 太陽能收集率變化

2.2 周圍環境因素對太陽能收集率的影響

眾所周知，當傳感器周圍有樹木或建筑物存在時，在某一時刻太陽光將會被遮擋。一旦太陽光照被遮擋后則無法感受到光照強度，因此也無法將太陽能轉化為電能。例如當傳感器部署在特定區域內如果周圍存在樹木或建筑物等一些比傳感器體積大的物體，如圖2所示，則傳感器在一天光照變化的過程中必定會被障礙物遮擋，當傳感器被遮擋后收集的太陽能也會受到影響。

如圖1（b）所示，傳感器被建筑物遮擋時太陽能收集率的變化情況，當在14：00 之前，由于傳感器被太陽直射到，因此太陽能收集率變化與周圍沒有障礙物的太陽能收集率相同，當在14：00 之后，由于傳感器的光照被建筑物遮擋，所以太陽能收集率變低甚至收集率變為0。本文定義δ為遮擋因子，當傳感器在t時刻被遮擋δ(t)=0，未被遮擋則δ(t)=1。

圖2 可收集能量的物聯網部署在有樹木的環境中

2.3 天氣因素對太陽能收集率的影響

眾所周知，日常生活中一天中的天氣變化多端，尤其在春夏兩個季節，因此天氣在一天中的不同時間也可能是不同的。例如，在某一天，上午是晴天有太陽，但下午有可能太陽消失天氣發生變化，變為陰天或是下雨。因此，在時間間隔t處收獲的能量的量與天氣條件高度相關。

在本文中采用了一個天氣因子ζ(d,t)來表示當天時間間隔t的天氣狀況，并且ζ(d,t)值越大，表示天氣越好，其中0≤ζ(d,t)<1。例如，如果在時刻t天氣晴朗，則ζ(d,t)=1 ；如果在時刻t天氣部分多云，則ζ(d,t)=0.8；如果在時刻t的天氣多云，則ζ(d,t)=0.5；如果在時刻t下雨，則ζ(d,t)=0.1。

3 傳感器收集能量預測

由于時間因素、周圍環境因素以及天氣因素的存在，因此傳感器在收集能量時需要考慮這些因素對太陽能收集率的影響。可以根據歷史信息和天氣預報來預測傳感器收集的能量。根據前一天的太陽能收集率以及當天的天氣情況，可以預測第二天每個時間間隔t的能量收獲率，本文不僅通過擴展指數加權移動平均算法[4]，而且還考慮了不同時間間隔的天氣因素。因此，在d天的每個時間間隔t處傳感器vi的收集能量的量可以預測為：

其中η是給定的權重，用來平衡預測和實際收集能量 的量，其 中0≤η ≤1（例 如，η=0.5），E'(vi,d,t)和E(vi,d-1,t)分別表示在前一天d-1 的時間間隔t處的預測和實際收集能量的量。

4 結語

本文介紹了在無線傳感器網絡中采用能量收集技術時傳感器收集能量會受到其他因素的影響情況。本文討論了時間因素、周圍環境因素以及天氣因素對傳感器能量收集的影響，目前的研究在使用能量收集技術時往往會忽略這些因素對傳感器收集能量轉化的影響，但是在實際的應用中這些因素對能量的收集會造成很大的影響，因此在計算傳感器收集的能量值時考慮這些因素對預測值的影響是至關重要的。