文摘

如今,物联网的传感器节点的使用是广泛;节点组成这些网络必须具备自组织功能和通信协议,需要更少的能源消耗在沟通过程中。在这项工作中,我们提出了一个使用生物电能量收集系统设计与分析从薄荷植物帮助驱动一个特定的设计无线传感器操作在一个持续的监控模式。系统是基于随机关闭节点(活跃节点)和(非活动节点)来避免他们的能源消耗。当一个节点处于不活跃状态,这可以从周围环境获取能量。然而,尽管节点从周围环境中获取能量,这是无法报告数据。正因为如此,一个清晰的报道的信息量之间的妥协是建立和网络的生命周期。可以很好地调整系统的参数,并提供足够的操作,我们推导出基于离散马尔可夫链的数学模型,描述了系统的主要动力。我们观察到使用薄荷植物的收获能量几焦耳秩序的;尽管如此,这么小的能源值可以维持一个无线传输如果正确地适应驱动无线传感器。 If we consider the lowest mean harvested energy obtained from mint plants, such energy can be used to transmit up to 259,564 bits or can also be used to receive up to 301,036 bits. On the other hand, if we consider the greatest mean harvested energy, this energy can be used to transmit up to 2,394,737 bits or can also be used to receive up to 2,777,349 bits.

1。介绍

物联网(物联网)越来越流行,由于所谓的三个任何- - - - - -,即任何人,任何在那里,任何时间。这些网络是由大量的传感器节点,这是人口附近一个感兴趣的现象,这是一个新一代通信系统的重要组成部分,提供和支持任何范例。通常,可以部署在难以到达的地形或救灾行动。传感器节点的位置可能不是先前设计或预定的。这种随机性意味着协议和算法必须具备自组织能力。

传感器节点相互分享信息和网络管理员向最终用户提供不同的服务(1]。它标志着一个重大的进步比传统的传感器。预计节点在长时间操作而无需人工干预。传感器节点的合作努力的正确功能网络是必要的。延长网络的生命周期,设计的协议必须需要更少的能源消耗在沟通过程中(2]。

最新进展在无线通信和电子使得发展低成本、低功耗、多功能的无线传感器节点。这样的节点可以在短距离(相对)可靠地通信。无线传感器节点配备机载处理器只进行简单的计算和传输所需的和部分处理过的数据3]。因此,节点并不总是需要将所有获得的信息发送到汇聚节点。这允许节点工作在低能耗模式(睡眠模式),在此期间,他们的精力可以补充如果启用了能量收获(4,5]。

绿色自身可持续发展经营最重要的一个问题是在今天的低功耗电子智能环境(物联网、智能皮肤、智能城市等)(6]。从环境能量收集技术力量游荡的无线电频率(RF)环境协助产生以来最近引起重大关注设备的操作时间可以扩展的能量损耗电池甚至可以完全避免。从这个意义上说,许多能源收集系统,设备,拓扑结构,电路开发(7]。

这个网络的设计受多种因素的影响,如容错、可伸缩性、生产成本,操作环境,网络拓扑结构、硬件限制,传输媒体(1]。能源消耗也是设计的一个关键因素,和电池的使用有限的能量水平需要一个有限的操作时间。在某些场景中,电源充电或更换电池可以是一个非常具有挑战性的任务。正在进行的研究,旨在为推动无线传感器可以提供能源获取解决方案提供了一个很大的优势,因为这些他们的电力需求提供可持续的解决方案8]。

无线传感器节点的主要任务是环境现象,执行本地数据快速处理,然后传输数据。每个任务意味着相应的功耗。如果实现能量收获,传感器负责从周围环境中获取能量。在使用之前,应由专门的电路条件提取电能。条件的电力可以直接使用或储存在充电电池或超级电容器。

无线传感器的功耗是非常重要的,因为它是功能完全取决于提供给无线节点的能量。事实上,几个节点的失败由于缺乏能量会导致显著的拓扑变化,意味着和重组网络重路由数据包。因此,权力的保护和管理重大。由于这些原因,目前的研究专注于节能协议和算法的设计无线传感器(9]。

在目前的工作,我们建议的设计、分析和研究的无线传感器网络(WSN),允许其开启和关闭节点,即。、节点不需要传递获得的所有信息。当节点在低能耗模式,数据获得和传播到水槽节点。具体来说,我们关注的是延长系统的生命周期利用能量收集技术。因此,我们在分析包括能量收获能力,节点的能量水平模式是补充。

此外,我们专注于一个计划扩展的生命周期系统通过分配高(低)包传输概率高(低)节点剩余能量水平。这也意味着,低能量节点报告更少的数据到汇聚节点。应用该方案可以找到的情况下,网络必须为长时间运行,即使数据报告是经过长时间操作时间减少。例如,当节点无法访问或放置在危险或偏远地区像极地地区,辐射区域,在森林火灾监测,甚至太空探索任务的目标是获得尽可能多的信息从环境中尽可能长时间,如果能源稀缺,尽可能保护它即使只是偶尔报告是可用的。我们研究这样一个系统的性能和局限性的建议。我们的主要贡献是:(我)我们开发的设计卡兼容Arduino IDE(2)卡是专为极低的功耗,所有在一个:广播、单片机、天线、传感器端口(3)协议基于剩余能量可用网络中的节点(iv)基于马尔可夫链的数学分析来确定网络的生命周期(v)一个详细的研究,以确定非常准确地发送一个需要多少能量。一个°(vi)一个高效的电子设计不需要一个非常复杂的无线电天线链接。然而,简单的线测量和特征来确定最优长度(七)一个开放的硬件架构设计,所有卡提供细节(八)低成本和可靠的卡片设计,Zig-Bee相比,非常便宜

2。相关工作

无线传感器是一种电子设备配备传感和初等函数的某些特征建立无线通信。这些特征通常都是由一个基本的计算系统中实现单片机或微处理器。此外,无线传感器必须具备有效的能源管理能力,也许能够收获来自环境的能源,包括太阳能、电磁、或从植物能量,见图1。

一般来说,无线传感器配有少量的能量储存在电池或超级电容器。正确的使用这种能量可能会导致延长无线传感器的生命周期。这样有限的能量被耗尽,最终,将无线传感器网络,直到获得更多的能量,例如,通过改变其与新的电池。这可能是一个挑战,如果无线传感器位于难以到达的位置。在这种情况下,网络节点将失去,最终都将是无用的。因此,确定必要的电力传送或接收数据估算传感器网络的生命周期是很重要的。传感器网络的生命周期的评估可以获得从一个随机的观点,例如,通过使用马尔可夫链(10- - - - - -14),或从一个充满活力的角度15- - - - - -17][18,19]。

估计发射/接收能量消耗的数据,我们考虑以下。根据定义,瞬时电力电能的速度吗作为时间的函数是转移到或从电路的一部分20.,21),这是

累积的能量经过一段时间 瞬时功率的积分,

让我们假设瞬时功率是一个连续函数在此期间 ,然后存在瞬间 这样 在哪里 的持续时间和在那个时期平均功率的物理意义,用哪一个 ,因此

注意,意味着权力从公式可以计算(1)和(2), 在哪里表示能量的变化的时期 ,从而 。

由一个单位的能量,我们指的是无线传感器执行工作所需的能量(传输、接收、或睡眠)在特定的时间。当然,这包括一些代码运行的能量消耗的由单片机控制的通信任务和执行相应的网络功能。让我们假设无线传感器执行单个操作的传输或接收时间的时间段秒。公式(4)提供了一个简单的方法来估计能量 , ,或每槽来执行这样的操作 在哪里 , ,和代表的价值观是电力消费在传输过程中,接待,分别或睡眠。

剩下的纸是组织如下:首先,部分3描述了无线传感器的设计;部分4介绍了无线传感器的电力和能源分析;部分5分析能源使用的传感器网络和从薄荷植物收获能量;部分6发展的数学模型用于描述系统。这项研究的结果发表在部分7最后我们的主要结论。

3所示。无线传感器的设计

在本节中,我们显示无线传感器的设计,包括一些相关的模拟和测量。目标不是设计一个复杂的设备或竞争对手和一些可用的无线传感器市场,但提供简单的设计准则和执行所需的能量和功率测量系统评价其性能。

3.1。单片机的选择

对于无线传感器的设计,我们采用芯片ATMega32U4,这是一种低功耗CMOS 8位单片机,高级RISC体系结构。这个单片机拥有32 kb的在系统self-programmable flash程序内存,1 kb eepm, 2.5 kb的内部存储器,和USB 2.0全速/低速设备模块和中断传输完成,见图2(一个)。同时,它拥有六个睡眠模式,即闲置,ADC降噪,省电,省电,待机,待机和扩展。

单片机是建立在一个独立的配置中,使用一个16兆赫晶体振荡器,见图2 (b)。针的配置提供了一组作为I / O端口。这些端口可以用于连接传感器遥感物理变量如温度、压力、气体,存在,和光线。如果端口被配置为模拟输入,他们内部使用模拟-数字转换器(ADC),从而导致更高的功耗的单片机。

单片机可以编程使用USB或SPI接口。USB编程需要引导装载程序启用内置USB支持。SPI编程不需要引导装载程序和著名的工具如AVRDUDE可编程芯片。燃烧(闪烁的)引导装载程序在单片机中,应该使用SPI接口。

3.2。无线电芯片选择

空中接口的无线传感器包括一个无线电电路建立与其他传感器网络的无线通信。存在几个商业选项提供集成解决方案配置一个无线网络像XBee,见图3(一个)。XBee模块内部使用IEEE 802.15.4网络协议提供服务的快速点对多点或对等网络;然而,这些模块有一些缺点关于当前工作的目标。首先,他们通常采用2.4 GHz的ISM波段用于全球兼容。在这个乐队的频率,一个无线连接到达距离数十米的室内环境(22,23)和一些改善户外(24]。一些XBee模块提高覆盖范围的传输和更高的能量,像XBee Pro在视线,达到1.6公里63兆瓦(18 dBm) (25),从而增加模块的整体功耗。

另一方面,2.4 GHz的ISM波段辐射填充的wi - fi和蓝牙设备,微波炉等。这些干扰源的行为导致更高的包错误率(27- - - - - -29日),较低的吞吐量(30.,31日),更高的路径损耗,和衰落32]。由于这些原因,一些协议和设备搬到较低的频率,这是人口较少,提供更高的覆盖范围。找到一个例子在IEEE 802.11啊无线局域网协议,它使用这些基金GHz license-free ISM乐队(33]。XBee-PRO 900马力模块适用于902 - 928 MHz的乐队和达到15.5公里在视距传输250兆瓦(dBm) 24日晚上10 kb / s, (34]。虽然这个模块的范围相当广泛,其能耗相对较高( )。

XBee模块的另一个缺点是不可能为特定的应用程序编写自定义固件。虽然XBee模块是高度可配置的,是不可能修改的方式传送一个字节,更不用说他的高价。另一侧,一些射频模块非常便宜和缺乏固件,因此用户需要编写自定义软件操作通过微控制器模块。一个例子是图的射频模块3 (b),它可以工作在ISM波段315 MHz和433 MHz。发射机(TX)模块确实是一个简单的科耳皮兹振荡器,由晶体管开启/关闭开关配置,从而导致书灯。接收者(RX)模块是一个简单的超再生接收配备一个运放作为比较器检测数字符号。RX和TX模块消耗20 mW和10兆瓦,分别,35]。即使没有天线,无线链路与一系列可以建立一些米,但单个链线作为TX模块可能会增加天线覆盖范围几十米。事实上,覆盖范围可以扩展到几公里通过使用高增益相配的天线在两个模块。不幸的是,这些模块的多氯联苯不旨在提供一个合适的射频连接器插入外部天线。另一个缺点是装备的大量源代码的链接部署一个基本的传感器网络的基本功能,因此占据大部分的单片机程序内存。

中点时,我们发现商业基于无线模块从北欧nRF24系列的芯片,它工作在2.4 GHz的ISM波段,见图3 (c)。其他流行的基于无线模块CC1101芯片来自德州仪器工作在这些基金GHz ISM乐队(36在低功耗)。这些模块是高度可配置的,可以编写定制软件从标准库。此外,覆盖范围相当高使用高增益相配的天线和发射时的最大输出功率(0 dBm的nRF24L01 + 2.4 GHz和11 dBm CC1101 915 MHz)。

设计无线传感器,我们选择MRF49XA芯片从芯片37),见图3 (d)。这是一个低于GHz射频收发器,可以工作在433年,868年,915 MHz ISM波段。特别是,我们选择了915 MHz的ISM波段设计无线传感器。一些外部组件需要一个完全集成的射频收发器设计。芯片采用移频键控调制数据率从1.2 kbps 256 kbps。因为芯片可以迅速解决承运人所需的频率,它可以执行跳频和实现多通道。接收方相当敏感,增加-110 dBm的接收灵敏度。上面的无线连接允许足够强劲,能够超越多路径衰落和干扰。

MRF49XA芯片通过SPI接口配置,见图4(一),需要一些额外的信号由单片机处理中断和收发器的其他功能。芯片允许不同的睡眠模式,降低整体电流消耗。射频接口(RFN和芯片的RFP别针)由一个开路集电极微分输出驱动50天线使用合适的变压器,见图4 (b)。915 MHz的射频接口的输出阻抗 ,必须输入阻抗的变压器。芯片的数据表(37)提供了变压器组件的适当的值。

3.3。设计一个简单的天线

为简单起见,天线的无线传感器是由单个的链24 AWG线(毫米)。它的长度实验确定了先后缩短线观察的共振 MHz。这是由使用矢量网络分析仪(VNA) MS46121B特制。共振的参数决定 ,反射系数在天线的输入端口。在对数刻度,数量(dB)通常被称为回波损耗 。回想一下,负载的反射系数定义为振幅的比值反射波的振幅入射波的 。较低的价值 ,反射功率越小,以及返回损失。这意味着大多数的电力提供给负载可以用来执行电气工作。共振的天线是由频率决定的达到最小值。我们确定谐振长度的两个候选人,即 厘米, 厘米。其他谐振长度确实是有可能的,但它们比 。在图5,我们观察到的频率响应的天线谐振长度。

VNA执行频率扫描在给定带宽,和测量 函数的频率 见图,标注在史密斯圆图吗5(一个)。这张图对应的中心点 ,这意味着最好的耦合。附近的这一点上,我们有一个地区一个最佳的耦合,这是显示在图中灰色圆盘。当我们接近外圆,丢失的耦合 ;因此,所有的能量反射。相对应的测量和更接近915 MHz的中心点。在图5 (b),同样的信息标注在笛卡尔轴。的频带的频率达到更低的值是由灰色条纹图中表示。我们可以看到,确实的载波频率915 MHz位于这一地区。相对应的情节 厘米有另一个共振频率400 MHz但不是有用的在目前的设计。

工作波长在 MHz是 m。天线的认为这是通常被称为单极或马可尼天线38]。其理想谐振长度给出了 , 。这个公式适用于理想的细丝的天线,天线中 。真正的谐振长度和与理想的谐振长度吗 厘米, 厘米,分别。差异是由于导线以及周围的环形电流建立了最终的效果。最终在 MHz,天线的阻抗 的长度和 的长度 ,这是接近阻抗 变压器的设计。

3.4。组装无线传感器的原型

基于先前部分的设计考虑,无线传感器的原型与SMD组件组装在一个PCB板。由此产生的PCB的布局图所示6。焊接后的所有组件和燃烧的引导装载程序的单片机,原型被证明作为TX和RX通过加载一些测试项目通过USB接口与Arduino IDE。原型作为TX的光谱测量的频谱分析仪DSA710普源精电,如图7。几个单位相应的原型是组装和测试后部署的传感器网络。

4所示。电力和能源分析无线传感器

根据前面的设计无线节点,在本节中,我们估计用于TX, RX,和关闭模式。

4.1。推动无线传感器与超级电容器

使用超级电容器代替电池的无线传感器将导致准操作模式。事实上,超级电容器银行可以收取不断从周围环境中获取能量而单片机在睡眠模式。无线传感器将醒着的只有它需要发送或接收数据,以便它将使用一些储存能量。一旦TX / RX操作已经完成了,无线传感器将返回到睡眠模式,和超级电容器将继续充电过程到下一个事件。

数据传输到汇聚节点与割缝ALOHA协议执行,以便与包准备传输节点必须等待时间段的开始和传输概率 。为了进一步降低能源消耗,我们让概率取决于每个节点的剩余能量。这是基于事实,最高的能耗来自传输操作。因此,节点剩余能量最高的执行更数据包传输比最低的残余能量水平。当节点有低能量水平需要很长时间操作后,该方案将节约能源报告很少事件节点时积极(上)模式。具体地说,是由 在哪里是节点的初始能量,它也可以被认为是最大的能源存储在超级电容器中,是它的残余能量,然后呢是一个由网络管理员定义的参数控制数据包传输的数量,因此系统的生命周期。考虑无线传感器,我们有 。这个值估计如下。

图8显示了一个超级电容器的行为15 F @ 4.3 V为一个不断传输的无线传感器。超级电容器具有数量部分MAL219691203E3威世BCcomponents。理想情况下,这个超级电容器可以存储 J,尽管这能量不能完全利用无线传感器。图中可以看出,当电容器的电压低于1.83 V无线电芯片和单片机可以充分工作。如果达到这一点,无线传感器网络中无法操作,除非在某些方面提高超级电容器能量。超级电容器显示一个等效串联电阻(ESR)可能会消耗一些存储能量的即使没有负载连接到他们的目的。为了减少这种权力泄漏,ESR的价值应该尽可能接近零。

值得注意的是,在连续传输模式中,一个单一的超级电容器可以喂养一个无线传感器40分钟的最小发射功率-17.5 dBm和大约10分钟的最大传输功率0 dBm。因此,战略必须发送少量的数据,然后发送无线传感器一次睡眠模式其沟通工作已经完成了,如果有必要重复这个过程。在无线传感器在睡眠模式下收取的超级电容器可以从周围环境中获取能量。此外,无线传感器的睡眠倾向于超级电容器“刷新”可用,实验中观察到,可能是由于某些物理化学过程发生在超级电容器(39,40]。否则,不间断使用无线传感器导致“干燥”的超级电容器,和1.83 V的重点将达到更快。的让人耳目一新和干燥电容器应该学习更多严格的实验室。

4.2。设计了无线传感器的功率预算

在本节中,我们报告的功耗无线传感器在TX, RX和睡眠模式。这是通过测量当前执行的消耗的无线传感器,它是由一个电压应用于传感器的终端。让和表示当前消耗的单片机和无线芯片,分别,所以 。传感器用的电力消耗计算公式的传统 。表1和2显示的结果以TX模式无线传感器的功耗 V和 分别V。在这两种情况下,无线传感器是在持续经营的形式。这些表的第一列显示可用传输能力的无线电芯片,-17.5 dBm和0 dBm可用的最低和最高权力,分别。另一方面,表3和4显示的无线传感器的功耗RX和睡眠模式,分别为 V和 V。在RX情况下,无线传感器是在持续经营的形式。

根据表中所示的结果1- - - - - -4使用一个喂养的电压,我们观察到 V是积极比使用更贵 V。因此,超级电容器必须选择在政权工作接近3.3 V。另一方面,TX的平均微控制器的当前消费模式 马马(4.37) V (3.3);在处方模式下,消费 马马(4.1) V (3.3);最后,睡眠模式的消费 马马(3.94) 3.3 V (V)。这些值同意ATMega32U4的数据表中指定的值,即 马8 MHz V和 马在4 MHz V。

对收音机,平均电流消耗 马马(13.6) 在TX模式和3.3 V (V) 马马(12.8) 3.3 V (V)的处方模式。这些值不显示关于操作模式的巨大差异或喂养电压和低于典型值显示数据表的无线电芯片,约17马。然而,大量减少在睡眠模式下,观察到的电流消耗 μ(552一个) 3.3 V (V)。换句话说,减少的整体功耗无线传感器主要取决于减少当前单片机。存在一些策略来实现这一目标包括设置时钟频率值低于1 MHz或更少,禁用暗光检测器(BOD),禁用ADC如果不使用的传感器,等等。也可以选择另一个微控制器电流消耗较低不改变无线传感器的设计太多。

在表5,我们显示值用于模型数学的建议。

5。分析能源使用的基础上,从薄荷植物收获能量

在本节中,我们估计发射/接收数据的能量消耗的设计基于无线传感器从实证的角度的测量部分4。然后,我们考虑的超级电容器充电的无线传感器从薄荷植物收获能量。从结果,我们建立这样一个收获的可行性配置一个真正的系统。

5.1。电力和能源估计无线传感器

作为算例,利用公式(6)- (8),让我们假设无线传感器是由 第五,让 女士,这是一个典型值在一段时间内开槽的通信系统,看到如(41]。从表2- - - - - -4,我们将作为代表值 mW, 兆瓦, mW,第一个相应的0 dBm的传输功率。这些值的基础上,我们获得

我们也可以估计所需要的能量传输/接收单个位或字节。例如,假设广播的数据速率是256 kbps。这意味着5槽女士768位或相当于96字节。因此,单个字节的能量 和所需要的能量传输或接收单个位

所有这些值可以用于指定单位能源的基础上。上述值实际上依赖于数据的广播和持续时间的时间段 。

5.2。从薄荷植物收获能量

能量转换由生物本质上是可持续的,本质上与未来相关的合成技术和绿色能源(42]。研究人员正在想办法利用的力量从微藻光合作用生成少量的电43],蓝藻[44),和植物42]。植物细胞产生电势,可以传播沿等离子体膜在维管束的长距离和短距离胞间连丝和原生木质部(45]。植物外部的刺激转化为电信号,例如,调节各种生理功能,间接防御反应(46),与其他植物(45]。

薄荷油或薄荷(、L。),属于唇形科多年生芳香草本植物(唇形科绿薄荷(之间)的家庭,是一个天然的混合留兰香L。)水和薄荷(各种水生L。)[47]。薄荷油是巨大的经济价值由于其使用在医学(48)、化妆品(49),和食品工业50]。事实上,由于这些原因,薄荷广泛种植在温带和热带国家。薄荷生长尤其是在土地土壤蓄水性能(高51]。2014年,世界生产薄荷92296吨(52]。

存在三个主要途径碳同化的植物,即C3, C4和凸轮。在公司期间₂固定,当植物光合生产3碳酸作为第一个产品,分为C3通路。当光合的工厂生产4碳化合物作为第一个稳定的产品,它是归类为C4。如果植物吸收阳光的能量在一天的时间,并使用这种能量的同化、修理有限公司₂晚上的时间,这是归类为景天酸代谢或凸轮。植物使用C3途径往往繁荣地区光照强度和温度适中,与有限公司₂浓度约为200 mg / l或更高版本和丰富的地下水。相反,C4和凸轮通路是适应干旱条件下由于他们提高水分利用效率(53]。在此基础上,薄荷是归类为C3植物。

光呼吸是一种重要的能量耗散过程保护植物免受高光照强度,防止多余的水分损失(54]。它由分子氧的吸收₂伴随的释放有限公司₂从有机化合物。气体交换类似于呼吸和光合作用的逆转是有限公司₂是固定的和O₂(发布55]。C4途径是一个适应祖先C3光合作用的途径来减轻可能发生的光呼吸的影响,针对生态压力C3光合作用[56]。光呼吸的第一个产品是phosphoglycolate,它是由酶Ribulose-1, 5-bisphosphate羧化酶/加氧酶,光呼吸的最终产品的根源。氨( )氧化为亚硝酸盐( )随后硝酸( )为微生物中的细菌氨氧化剂催化过程称为硝化。这种行为生成系统中增加电子和质子,导致系统内部电阻的减少和增加的发电(57]。过多的损失由于在薄荷栽培[浸出是一个严重的问题58];然而,这个缺点可以利用植物生长的能量收获。

在这项工作中,我们报告的能量收获从薄荷植物和评估的可能性使用这种能源microsource超级电容器充电的无线传感器。实验进行了如下。在一个小塑料罐 米 ,我们把7-turn螺旋由25 AWG铜线,长度 m。这将是microsource的阴极。接下来,在螺旋但不碰,我们放置一个镀锌钢丝网表面为0.010 m²,这将作为源的阳极,见图9(一个)。这些电极连接到女性香蕉插头,遍历,见图9 (b)。在螺旋的内部空间,薄荷植物的根(留兰香),然后,锅中充满了盆栽土壤混合,这样电极和根得到覆盖。这种植物锅产生生物电,因为土壤的微生物氧化代谢(见,例如,59- - - - - -62年]),这是衡量外部的女性香蕉插头通过万用表,见图9 (c)。

实验中进行了四天从10:00至18:00小时。在第一天,盆栽浇水在9:00小时。在晒干,生物电测量每小时在每个壶如下:开路电压用万用表测量电压表,短路电流用万用表测量安培表,在哪里 年代, 。瞬时电力被计算为 。最后,实验进行了7倍,从而七盆植物被单独测量实验。

从一组数据点 ,我们构建一个插值函数这取决于时间 。在图10,我们观察瞬时功率的情节对于每个薄荷锅( )作为时间的函数 ,为每一天。我们可以看到订单的收获力量W,开路电压的一些伏特和短路电流的一个。

一般来说,权力的最高测量发生在天当植物被浇水。观察很强的相关性之间的太阳辐照和生成的电力,是预期。另一方面,在下午时间,电力也生成,达到更高的值比在早晨。电力是由于其他先前描述的化学过程。尽管如此,这样的小功率水平将无法驱动一个小装置,甚至一个领导。然而,这些小国家可以补充的超级电容器无线传感器而在睡眠模式。根据(2),累积能量收获的植物盆栽给出约

集成可以直接从插值函数计算 。在表6,我们观察到的值计算这个积分累积收获能量。同时,我们观察平均值和总收获能量,总被求和计算能源值四天。情节的能量的函数图中可以看到的天数11。我们观察到的能量会减少。这可能是由于植物只有浇水的第一天实验,并没有其他的水涌向植物提供日常。在天2,3,4,实验在多云天气,以便进行辐照和第一天相比大大降低。

6。数学模型

在本节中,我们开发一个数学分析基于离散时间马尔可夫链(DTMC)模型的主要动力学系统,即。打开和关闭,节点,数据包的传输概率 ,接收数据包,碰撞。

时间槽时间将作为参考时间提出DTMC结构。系统可能发生的变化只有一开始的时间槽,槽之间,没有事件可以发生在。的有效状态空间马尔可夫链 在哪里系统中节点的数量,剩余的能量吗 - - - - - -th节点,和国家表明该节点是否( )或( )。我们假设节点改变状态(下)(上)和概率 。这意味着节点保持平均时间 在每个州秒。因此,有效的状态转换如下:(我)从国家 国家 用一个概率 。这种转变对应情况中的所有节点上状态( 为 )但是没有一个传输数据包。通过这种方式,每个节点消耗的能量相应的活动(听和接收)但不传输。(2)从国家 国家 的概率 。这种转变对应情况中的所有节点上状态( 为 )但只有节点( )传输一个数据包。因此,传输节点消耗的能源 ,和其他节点消耗的能量相应的活动(听和接收)但不传输。(3)从国家 国家 用一个概率 。这种转变对应情况中的所有节点上状态( 为 )只有节点和( )传输一个数据包。因此,传输节点和消耗的能量 ,和其他节点消耗的能量相应的活动(听和接收)但不传输等等。(iv)从国家 国家 用一个概率 ,所有节点的传输。通过这种方式,每个传输节点消耗的能量 。(v)从国家 国家 用一个概率 。这种转变对应的节点( )进入关闭状态而其余保持活跃(倾听和接受),但没有传输,每个消耗的能量 。因此,睡眠节点消耗的能量 在哪里是收获从环境和能源能源消费在睡眠模式,都在一个时间段。的条件 意味着在睡眠期间使用的能源是补充,而不是排干。的情况下两个或两个以上的节点到关闭状态,据此计算转移概率。(vi)节点的所有可能的组合去()状态和传输或接收时活跃推导相似。

为例,表7和8显示可能的转换的情况下网络是由两个和四个节点,分别。在两个节点的情况下,图12显示相应的马尔可夫链中,节点是假定为关闭状态,可以改变九个不同的州。

上述链对应于一个不可约马尔可夫链。因此,稳态概率可以通过求解线性系统的计算 ,在哪里是形成的转移概率矩阵计算所有可能有效的状态之间的转换和是稳定状态向量 对所有可能的值和为 。由于错综复杂的马尔可夫链,我们通过数值方法解决线性系统。

7所示。结果

在本节中,提出了数值结果来评估性能的基础上,当我们使用从薄荷植物获得的收获能量。我们学习六个主要参数:一生中,活跃的时间,离线时间,和成功的概率传播,免费的槽,碰撞。(我)一生的时间第一个节点是WSN死的(2)活动时间是所有节点的时候有自己的能量高于阈值,即:、节点有足够的精力去网络中充分运作(3)离线时间至少有一个节点的时候收获能量(iv)成功传输概率的概率是一个节点的活跃节点传输一个数据包(v)空闲插槽的概率的概率是没有一个活跃节点传输一个数据包(vi)碰撞的概率的概率是超过一个活动节点传输一个数据包

首先,我们研究了系统生命周期中的不同数量的节点和网络0.1、0.3和0.5。在图13时,我们将展示系统生命周期能量收集系统不被认为是当节点从薄荷植物收获能量。正如我们所料,当不考虑,能量收集系统增加,减少操作时间。然而,当从植物被认为是获得能量,节点不会耗尽的能量。事实上,能源从植物获得足以无限期的节点。在图中,我们代表这个值0,因为事实上,系统寿命趋于无穷时,很难表示在图中。

在图14,我们显示系统活动的时间。在这种情况下,当没有收获和能量增加,活动的时间减少,因为有更多的节点概率变化从关闭状态到州和消耗更多的能量。然而,当我们考虑从薄荷植物获得的能量,我们观察到活跃的时间增加。这是因为系统中的能量收获足够的再生能源消耗的过程中传输和接收的数据包为节点提供更多的功能时间水槽和传输更多的数据。

这种行为反映在离线如图15。当系统没有收获的能力和能量增加,离线时间因为有更高的概率增加一个节点改变状态从关闭状态,消耗更多的能量。启用能量收获时,节点不会进入离线模式,,为简单起见,我们用0表示在图中。

在数据16- - - - - -18成功的概率,我们显示包传输网络和不同数量的节点 ,分别为0.3和0.5,不同节点的概率可以传输一个数据包( )。正如所料,当增加,还成功传输概率的增加。这是因为一个节点的概率从关闭状态的状态和传输一个数据包较高。

在数据19- - - - - -21,我们显示空闲插槽的概率不同的网络和节点的数量 ,分别为0.3和0.5,不同节点的概率可以传输一个数据包( )。当空闲时段的概率值增加,减少,因为它更有可能的是,一个节点传输一个数据包。

在数据22- - - - - -24,我们显示数据包碰撞的概率不同的网络和节点的数量 ,分别为0.3和0.5,不同节点的概率可以传输一个数据包( )。正如预期的那样,当一个节点的概率从关闭状态变化在国家和增加传输数据包,也碰撞的概率增加。

在图25网络中,我们显示可用的节点随时间当我们考虑的价值 和一个值的剩余能量的依赖网络。正如我们所料,提高网络的生命周期,当我们考虑的价值这取决于能源可用的节点上。

8。结论

在这项工作中,我们研究、分析和设计一个方案,可以无限期地从两个独立的来源获取能源。在第一种情况下,从普及电磁天线是用来捕获能量的来源,即。,无线电频率信号,在城市和郊区。在第二种情况下,我们认为可以从植物中提取的能量在农村地区,农业应用程序或动物或在森林火灾监测太阳能和射频信号非常丰富。我们证明通过使用这些能量收集系统之一,网络中的节点可以不消耗能量。同时,我们提出一个节点设计为这些应用程序和计划。

根据表6收获能源的几个焦耳秩序的;尽管如此,这么小的能源值可以维持一个无线传输如果正确地适应驱动无线传感器。例如,让我们考虑从表意味着收获能量最低6,即 J,对应于盆栽1。这种能量可以用来传输259564位,32452字节,和3375年ms-slots;这种能量也可以用来接收到301036位,37637字节,391 5 ms的插槽。另一方面,让我们考虑最大的从表意味着收获能量6,即 J,对应于盆栽5。这种能量可以用来传输2394737位,299406字节,和3118年5 ms的槽;它也可以用来接收到2777349位,347245字节,和5 ms - 3616插槽。注意,这些大量的数据可以用来传输不仅传感器的有效载荷,而且涉及的协议栈的网络功能。

然而,请注意,在这个数学模型,当我们考虑2节点在网络中,有36个可能的有效状态,与4个节点,都有1296种可能的有效状态。因此,计算复杂度和运行时间与节点的数量大大增加。因此,该模型不是可伸缩。在未来的工作中,我们计划开发一个新的模型,可以伸缩的考虑整个网络的能量,而不是每个节点。

数据可用性

表,模拟和数字数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。