面向无线传感网的软件定义电源技术研究

Limited energy is the major factor for applications of large scale wireless sensor networks(WSNs). The power source of sensor nodes has evolved from simple battery powered structure to energy harvesting powered structure and then to hybrid powered structure. However, it is still unable to meet demand of practical applications. As battery technology is hard to make significant breakthrough in a short time, fully developing the potential of batteries and matching working profiles of sensor nodes, battery characteristics and energy harvesting profiles is the inevitable direction to release the energy limitation for wireless sensor networks at present. It needs multi-source heterogeneous power source structure, fine grained control for power source and making batteries smarter. This proposal will perform research on Software Defined Power Source for WSNs. The hardware and software co-designed multi-source heterogeneous power source models will be studied. Learning algorithms for working profiles of sensor nodes and energy harvesting profiles will be proposed. Evaluation mechanisms for battery characteristics will be presented. With these, matching methods for supplied energy and consumed energy will be implemented. It has very important scientific significance and application value for prolonging lifetime of nodes and networks in WSNs.

能量问题是制约无线传感器网络大规模应用的主要因素。传感器节点电源经过从简单的电池供电、能量收集供电再到混合模式供电的发展，仍无法满足大规模应用的需求。在电池技术短时间内难以取得显著突破的情况下，如何深入挖掘现有电池技术的潜能，实现节点工作特性与电池特性、能量收集特性的优化匹配，成为目前解决无线传感器网络能量限制的必然趋势。这需要采用多源异构的电源结构，实现对电源更精细的控制，同时让电源更加智能。本项目拟开展面向无线传感网的软件定义电源技术的研究，研究软硬件协同的多源异构电源模型，提出节点工作特性、能量收集特性的学习方法和电池特性的评估机制，实现节点消耗能量特性和电源提供能量特性的匹配方法，对于在现有电源技术条件下延长节点和网络寿命，具有非常重要的理论意义和应用价值。

能量问题是制约无线传感器网络大规模应用的主要因素之一。节点电源经过从简单电池供电、能量收集供电再到混合模式供电的发展，仍无法满足实际需求。在电池技术短时间难以取得显著突破的情况下，如何深入挖掘电池的潜能，实现节点工作特性与电池特性、能量收集特性的优化匹配，成为目前解决无线传感器网络能量限制的必然趋势。针对这一问题，本项目提出了面向无线传感器网络的软件定义电源概念，通过采用新的多源异构电源模型，实现对电源更精细的监测和控制。建立了更为精确的碱性电池模型，能够对当前可用电量做出有效判断。建立了考虑泄漏效应的超级电容模型，降低了低占空比工作模式对电量估计准确性的不利影响。设计了更为高效的太阳能收集结构，针对部分阴影条件下出现的多峰问题，提出了一种最大功率点跟踪电路，能够实现对环境能量的最大化利用。提出了利用历史数据和环境数据对能量收集进行预测的方法，能够对未来可转化电量做出有效预测。提出了新的工作模式转换策略优化模型，能够通过对工作模式的预判实现对节点功耗的预测。在此基础上，研究了节点消耗能量特性和电源提供能量特性的匹配方法。同时，针对上述模型的测试需求，设计了用于无线传感器网络的低功率无线信道模型和多种链路质量估计算法，以及计算和通信密集的密钥交换算法，为模型测试提供了不同的功耗模式。本项目的开展，对于在现有电池技术条件下延长节点和网络寿命，具有非常重要的价值。一方面，可以降低无线传感器网络应用的维护成本，推动应用更快地走向大规模部署。另一方面，可以有效提高电池的利用率，减小更换频率，从而显著降低废旧电池带来的环境影响问题。截至目前，已发表/录用13篇论文，其中期刊论文9篇，会议论文4篇。已申请发明专利2项、实用新型专利1项，其中实用新型专利已获得授权。