Влияние степени разряда источника тока на функционирование узла беспроводной сенсорной сети

Беспроводная сенсорная сеть (БСС) состоит из пространственно распределенных автономных датчиков, которые служат для мониторинга физических или экологических условий, таких как температура, звук, давление и т.д., и совместно передают свои данные через сеть в пункт сбора информации. Более современные сети являются двунаправленными, что позволяет контролировать активность датчиков. Развитие беспроводных сенсорных сетей было мотивировано военными приложениями, такими как наблюдение за полем боя; сегодня такие сети используются во многих промышленных и потребительских приложениях, таких как мониторинг и управление производственными процессами, мониторинг работоспособности машин [6].

Типовой состав узлов БСС включает в себя сенсорные и исполнительные устройства, которые необходимо устанавливать в непосредственной близости к месту сбора данных или осуществления воздействия актуаторами. По этой причине топология и структура БСС в значительной степени обусловлены характеристиками окружающей среды [3; 10; 11].

Одной из наиболее существенных проблем, возникающих при работе БСС, является нестабильность радиоканала, что отражается на дальности приема и передачи. Это приво-

Башмаков Р.А., Олейников Д.Н. Влияние степени разряда источника тока...    123

дит к уменьшению связности сети, что служит основной причиной выхода из строя БСС, так как связность сети определяет возможность передачи информации от узла источника к получателю.

Несмотря на то что наиболее важными характеристиками БСС являются надежность и функционал, существует ряд ключевых вопросов, возникающих при разработке БСС, обусловленных необходимостью обеспечить приемлемые гравиметрические и объемные показатели, устойчивость к агрессивным воздействиям окружающей среды, диапазон рабочих температур, ресурс, безопасность, скорость разработки и т.д. При этом большое количество узлов БСС, теоретически достигающее миллионов единиц [15], определяет особенно строгие требования к стоимости конечного продукта. Это приводит к использованию комплектующих, имеющих компромиссные возможности, что значительно проявляется в выборе химических источников тока (ХИТ).

Цель настоящей работы состоит в изучении явлений, возникающих при изменении напряжения на выводах автономного источника питания, что соответствует постепенному разряду в ходе функционирования узла БСС.

Постановка проблемы

Работоспособность БСС зависит от состояния источников питания [1], поэтому на практике большое внимание уделяется расчетам, связанным со временем автономной работы. Такие расчеты часто основаны на законе Пейкерта [14]:

I ⁿt = c , (1) где I – ток, потребляемый нагрузкой; n – константа Пейкерта; t – время функционирования; c – емкость ХИТ.

При этом остается неучтенным тот факт, что потребляемый ток в узлах БСС не является постоянной величиной, как указано на рисунке 1 [5], и изменяется в широком динамическом диапазоне, характерное значение которого от 30 до 40 дБ. Также бывают длительные перерывы в работе аккумулятора, а константные значения емкости и экспоненты Пейкерта меняются в процессе работы [8].

Рис. 1. Характерная циклограмма энергопотребления узла беспроводной сенсорной сети

Время

Кроме того, электрофизические характеристики ХИТ изменяются в течение всего срока службы (рис. 2) [13].

Разрядное напряжение аккумулятора зависит также от внутреннего сопротивления, обусловленного электронными, а также ионными потоками в проводящих частях, включая электролит, токоприемники и активные массы [7]:

U разрядное

= U разомкнутой цепи

– I разряда

R ХИТ

при разряде

где U _{разрядное} – напряжение на выводах ХИТ при подключении нагрузки; U _{разомкнутой цепи} – напряжение холостого хода; I _{разряда} – ток, потребляемый нагрузкой.

124 в ыпуск 2/2020

Рис. 2. Типовая разрядная характеристика ХИТ

С учетом падения напряжения на электродах, вызванных электрохимическими реакциями, называемыми поляризацией [13]

разрядное разомкнутой цепи ор+

– V ор–

при разряде

где V _ор+ и V _ор– – падение напряжения на положительном и отрицательном электродах соответственно.

Полный учет электрохимических явлений, протекающих в ХИТ, приводит к более сложным аналитическим зависимостям напряжения на выводах ХИТ, поэтому на практике пользуются разрядными кривыми (РК) и уравнениями РК [2; 13]. Экспериментально определено, что наиболее общее уравнение РК имеет вид [4]

U разрядное

I — K_f ( i , q ) + AM .

ИТ при разряде разряда       f 2              3

Четыре слагаемых в формуле (4) представляют собой соответственно идеальную ЭДС, омическое сопротивление, поляризацию и релаксационную поляризацию.

Таким образом, видно, что часть энергетических запасов может быть недоступна для отдельных компонентов узла БСС в связи с различием между выходными напряжениями на выводах ХИТ в разных режимах работы узла БСС, сменяющихся в соответствии с выполнением текущей задачи. Поскольку максимальная потребляемая сила тока в типовом узле БСС соответствует функционированию трансивера, то в течение приема и отправки данных возможны эффекты, препятствующие корректной работе БСС.

Экспериментальная часть

Для изучения влияния степени разряда ХИТ на приемопередающую способность была составлена схема (рис. 3), включающая модем [16] и отладочную плату [17].

Встроенное программное обеспечение [18] инициализирует периферийное оборудование и циклически отправляет пакет одинакового размера и содержания.

Согласно источнику [16], мощность передачи сигнала зависит от программной настройки, которая происходит путем выбора необходимого значения из фиксированного дискретного списка. Обнаруженное в ходе эксперимента противоречие состоит в том, что измерения указывают на плавное снижение мощности по мере уменьшения напряжения питания, независимо от заданных разработчиком настроек (рис. 4).

Башмаков Р.А., Олейников Д.Н. Влияние степени разряда источника тока...    125

Рис. 3. Блок-схема экспериментальной установки

Рис. 4. Спектры зафиксированных сигналов при максимальном и минимальном напряжениях

Элементы схемы имеют гальваническую связь, но подключены к разным источникам питания, вследствие чего стало возможным определение влияния изменения напряжения на работу приемопередающей части.

Установленная разница в мощности сигналов при прочих равных условиях соответствует значительному уменьшению максимальной дальности передачи данных [9].

Заключение

В даташите от производителя [16] нет упоминания о том, что изменение напряжения в допустимом диапазоне значительно влияет на параметры приема или передачи. Отсутствие этой информации является характерным для недорогих и распространенных модемов, несмотря на то, что подобные явления наблюдаются в разнообразных исследованиях [12]. Пренебрежение изучаемым в настоящей работе фактором при расчете энергетических процессов в узлах БСС может стать причиной сложно уловимых неисправностей в работе БСС, возникающих на поздних этапах эксплуатации. Дальнейшее изучение этих неисправностей может быть направлено на возникающие вопросы о степени искажения сигнала, нарушения в связности БСС, увеличения вероятности битовой ошибки, ускорения разряда ХИТ.

126 в ыпуск 2/2020