在可收集能量的无线传感器网络中对收集能量受限因素的研究

郭振杰

（四川大学计算机学院，成都610065）

0 引言

目前，随着人工智能技术的发展，物联网的应用更加广泛，如环境监测、森林火灾监测、农业生产监控、道路情况监测、军事领域、工业自动化系统监控、智能电网网络监控等[1-2]。

在无线传感器网络中，传感器作为终端设备，可以感知并传送周围环境的信息，如温度、湿度、风速、光照强度以及气体浓度等。在传统的无线传感器网络中，传感器由能量有限的电池供电，传感器在感知、传输和接收转发数据时将会消耗大量能量，一旦传感器能量消耗殆尽将无法正常工作，因此将会造成网络中的数据丢失。当传感器能量耗尽后，通常采用更换传感器的电池或用移动的充电车来为传感器充电。由于传感器一般部署在环境比较恶劣的地方，因此更换传感器的电池或用移动充电车为传感器充电难度大且成本高。因此，如何更有效的利用传感器自身的能量尤为重要，也是现在研究的重点。

近年来，随着可再生能量技术的发展和应用，可以为传感器安装能量转换装置，例如太阳能板，将太阳能转化成电能为传感器自身供电。为了解决网络寿命问题，一些开创性的研究人员提出使传感器能够从其周围环境中获取能量，例如太阳能、风能、热能等，使得传感器补充能量不再受到地域和充电设备的限制。在无线传感器网络中由于传感器部署的随机性以及部署位置的复杂性，传感器使用可收集太阳能能量的电池时收集的能量多少会受到诸多因素的影响，目前的研究往往会忽略这些因素对太阳能收集的影响，因此本文将研究一些因素对能量收集的实际影响情况。

1 可收集能量无线传感器网络概念

能量收集是通过转化设备将一些自然界的能量，如太阳能、风能、热能等转化为电能。随着可再生能量技术的发展以及成熟，目前在无线传感器网络中也得到了广泛的应用，例如无线传感器网络中的传感器通过内嵌能量收集和转化装置可以从周围环境中获取能量为其供电，例如太阳能、风能、热能等。在本文中，考虑传感器内嵌的能量转化装置为太阳能板，传感器通过将太阳能转化为电能为其供电，因此解决了为传感器充电受到地理环境复杂恶劣的影响以及使用充电车为传感器充电成本高的约束。在使用能量收集技术的无线传感器网络称为可收集能量无线传感器网络。

2 能量收集受限因素

众所周知，太阳能的收集受到诸多因素的影响，如时间因素、周围环境因素以及天气因素等。在计算传感器收集能量值时需要考虑这些因素对能量预测值的影响。

2.1 时间因素对太阳能收集率的影响

如图1（a）所示，在天气晴朗的一天，传感器太阳能的收集率随着时间的变化情况。由于太阳朝升夕落在一天中是不断变化的，因此太阳能收集率的高低受太阳光照强度的影响，如在凌晨6：00 以前以及傍晚20：00以后，由于太阳还没升起没有太阳光照，因此太阳能收集率非常低或为0。6：00 到14：00 随着太阳的上升太阳关照强度也逐渐加强，太阳能的收集率随之也逐渐升高。14：00 到20：00 随着太阳降落太阳关照强度也逐渐减弱，太阳能的收集率随之也逐渐降低。

另外，发现太阳能收集率与一天中太阳的关照强度变化一致，因此，太阳能收集率受到时间因素影响随着时间变化而变化。

图1 太阳能收集率变化

2.2 周围环境因素对太阳能收集率的影响

众所周知，当传感器周围有树木或建筑物存在时，在某一时刻太阳光将会被遮挡。一旦太阳光照被遮挡后则无法感受到光照强度，因此也无法将太阳能转化为电能。例如当传感器部署在特定区域内如果周围存在树木或建筑物等一些比传感器体积大的物体，如图2所示，则传感器在一天光照变化的过程中必定会被障碍物遮挡，当传感器被遮挡后收集的太阳能也会受到影响。

如图1（b）所示，传感器被建筑物遮挡时太阳能收集率的变化情况，当在14：00 之前，由于传感器被太阳直射到，因此太阳能收集率变化与周围没有障碍物的太阳能收集率相同，当在14：00 之后，由于传感器的光照被建筑物遮挡，所以太阳能收集率变低甚至收集率变为0。本文定义δ为遮挡因子，当传感器在t时刻被遮挡δ(t)=0，未被遮挡则δ(t)=1。

图2 可收集能量的物联网部署在有树木的环境中

2.3 天气因素对太阳能收集率的影响

众所周知，日常生活中一天中的天气变化多端，尤其在春夏两个季节，因此天气在一天中的不同时间也可能是不同的。例如，在某一天，上午是晴天有太阳，但下午有可能太阳消失天气发生变化，变为阴天或是下雨。因此，在时间间隔t处收获的能量的量与天气条件高度相关。

在本文中采用了一个天气因子ζ(d,t)来表示当天时间间隔t的天气状况，并且ζ(d,t)值越大，表示天气越好，其中0≤ζ(d,t)<1。例如，如果在时刻t天气晴朗，则ζ(d,t)=1 ；如果在时刻t天气部分多云，则ζ(d,t)=0.8；如果在时刻t的天气多云，则ζ(d,t)=0.5；如果在时刻t下雨，则ζ(d,t)=0.1。

3 传感器收集能量预测

由于时间因素、周围环境因素以及天气因素的存在，因此传感器在收集能量时需要考虑这些因素对太阳能收集率的影响。可以根据历史信息和天气预报来预测传感器收集的能量。根据前一天的太阳能收集率以及当天的天气情况，可以预测第二天每个时间间隔t的能量收获率，本文不仅通过扩展指数加权移动平均算法[4]，而且还考虑了不同时间间隔的天气因素。因此，在d天的每个时间间隔t处传感器vi的收集能量的量可以预测为：

其中η是给定的权重，用来平衡预测和实际收集能量 的量，其 中0≤η ≤1（例 如，η=0.5），E'(vi,d,t)和E(vi,d-1,t)分别表示在前一天d-1 的时间间隔t处的预测和实际收集能量的量。

4 结语

本文介绍了在无线传感器网络中采用能量收集技术时传感器收集能量会受到其他因素的影响情况。本文讨论了时间因素、周围环境因素以及天气因素对传感器能量收集的影响，目前的研究在使用能量收集技术时往往会忽略这些因素对传感器收集能量转化的影响，但是在实际的应用中这些因素对能量的收集会造成很大的影响，因此在计算传感器收集的能量值时考虑这些因素对预测值的影响是至关重要的。