【摘要】：煤礦井下環(huán)境惡劣,持續(xù)穩(wěn)定地監(jiān)測是保障礦井安全生產(chǎn)的必要需求,部署在煤礦中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)可以為煤礦開采工作者提供更加安全可靠的工作條件,但傳感器節(jié)點(diǎn)的能量受限問題一直阻礙了傳統(tǒng)WSNs的應(yīng)用發(fā)展,特別是在要求傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)工作的礦井巷道中。為了解決這個(gè)問題,在過去的幾年中,無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Rechargeable Sensor Networks,WRSNs)已經(jīng)被提出并且得到廣泛地研究,WRSNs能夠從理論上有效地解決節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)問題。在WRSNs中,若要保證傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)穩(wěn)定地工作,最核心的問題就是如何規(guī)劃充電策略。本文針對(duì)礦井巷道的特殊環(huán)境,將無線充電技術(shù)應(yīng)用于井下傳統(tǒng)的WSNs中,分析了靜態(tài)充電部署和移動(dòng)充電策略的問題,研究適用于礦井無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的充電策略。首先,本文研究分析了采用靜態(tài)充電裝置為礦井巷道中的WRSNs進(jìn)行充電的靜態(tài)部署策略問題,提出了一種基于網(wǎng)格劃分的井下無線充電裝置部署算法。將充電裝置的靜態(tài)部署問題轉(zhuǎn)化為充電覆蓋問題,建立了最優(yōu)充電覆蓋模型。提出的算法利用網(wǎng)格劃分的思想,通過不斷掃描網(wǎng)格的方式選擇充電裝置的最優(yōu)部署位置,在滿足巷道中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的能量需求下,最大限度地減少所需部署的充電裝置數(shù)量。然后通過大量的仿真實(shí)驗(yàn),分析了不同網(wǎng)格大小和充電半徑對(duì)充電覆蓋性能的影響以及不同充電半徑對(duì)充電裝置數(shù)量的影響。接著,本文研究分析了利用若干個(gè)能夠沿巷道軌道移動(dòng)的充電裝置為礦井巷道中的WRSNs進(jìn)行充電的移動(dòng)充電策略問題,提出了一種完全可行的節(jié)點(diǎn)分群調(diào)度算法。針對(duì)井下充電裝置移動(dòng)路徑受限的場景,將目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為受巷道充電限制的充電時(shí)間分配問題,推導(dǎo)出了能夠保證充電策略完全可行的邊界條件,并建立了問題模型。提出的算法將整個(gè)巷道網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)子網(wǎng)絡(luò),充電裝置采用周期向前地方式給子網(wǎng)絡(luò)提供能量,從而滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量需求,同時(shí)利用節(jié)點(diǎn)分群機(jī)制擴(kuò)大子網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。然后進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)所提算法的性能進(jìn)行驗(yàn)證和比較分析,并進(jìn)一步分析了各種參數(shù)對(duì)充電策略的影響。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD76;TN929.5;TP212.9
【圖文】：

3 靜態(tài)充電的部署問題分析充電傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子標(biāo)簽、樓宇安全監(jiān)測以及建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域。owercast 主要由基于射頻能量獲取的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和能量收集天線兩部分。其中的傳感器節(jié)點(diǎn)除了具有普通傳感器節(jié)點(diǎn)的感知環(huán)境參數(shù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處組網(wǎng)通信的能力外，最重要的特征是可以自主收集空間環(huán)境中的射頻能量并為直流電能，節(jié)點(diǎn)無需供電，特性參數(shù)如表 3-1 所示。能量收集天線主要的是接收射頻源發(fā)射的電磁波并將其轉(zhuǎn)換成高壓脈沖。圖 3-4 中是實(shí)驗(yàn)時(shí)使用頻能量發(fā)射器，其射頻信號(hào)頻段為 915MHz，發(fā)射功率分為 3W、2W 和 1

3 靜態(tài)充電的部署問題分析充電傳感器網(wǎng)絡(luò)、電子標(biāo)簽、樓宇安全監(jiān)測以及建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域。owercast 主要由基于射頻能量獲取的無線傳感器節(jié)點(diǎn)和能量收集天線兩部分。其中的傳感器節(jié)點(diǎn)除了具有普通傳感器節(jié)點(diǎn)的感知環(huán)境參數(shù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處組網(wǎng)通信的能力外，最重要的特征是可以自主收集空間環(huán)境中的射頻能量并為直流電能，節(jié)點(diǎn)無需供電，特性參數(shù)如表 3-1 所示。能量收集天線主要的是接收射頻源發(fā)射的電磁波并將其轉(zhuǎn)換成高壓脈沖。圖 3-4 中是實(shí)驗(yàn)時(shí)使用頻能量發(fā)射器，其射頻信號(hào)頻段為 915MHz，發(fā)射功率分為 3W、2W 和 1

碩士學(xué)位論文是可充電傳感器節(jié)點(diǎn)，右上方是示波器，左下方是射頻能量發(fā)射器。實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)的天線與射頻能量發(fā)射器之間的距離從 0.2 米到 2.0 米，以 0.2 米為增量進(jìn)行測試。每次射頻能量發(fā)射器在測試節(jié)點(diǎn)電容電壓顯示為零后打開，測試過程中利用示波器記錄節(jié)點(diǎn)電容的電壓變化，圖 3-6 是測試節(jié)點(diǎn)充放電波形圖。節(jié)點(diǎn)電壓和充電功率之間可以通過換算得到節(jié)點(diǎn)電容儲(chǔ)存的能量，電容充電功率的公式如式（3-3）所示：tCUPr 22(3-3)式中，C 表示節(jié)點(diǎn)電容的容量，U 表示電容充電過程中的最大電壓， t表示充電過程中電容電壓從零到最大電壓的時(shí)間，即充電時(shí)間。為了減小誤差，在每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行重復(fù) 3 次的充電實(shí)驗(yàn)，將這 3 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為此定點(diǎn)的測試值。

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本文編號(hào)：2768725