【摘要】：目前,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多采用電池進行供電,在缺乏人工維護的情況下只能維持有限的工作壽命。而且,大部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的部署區(qū)域較為偏遠或者環(huán)境惡劣,如火山監(jiān)測、軍事敵后偵察等,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得人工維護非常困難。網(wǎng)絡(luò)中多對一的數(shù)據(jù)收集方式和不均勻的數(shù)據(jù)分布,使得各節(jié)點的能耗極不均衡,某些節(jié)點可能因能耗過大而提前死亡,嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)性能,甚至使得網(wǎng)絡(luò)癱瘓。采用人工維護的方式成本較高,且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時缺乏實用性,從環(huán)境獲取能量的方式局限性較大,而通過新興的無線充電技術(shù)結(jié)合移動式數(shù)據(jù)收集為延長網(wǎng)絡(luò)壽命,均衡節(jié)點能耗提供了新的解決方案。配備可充電傳感器節(jié)點和無線充電設(shè)備(WCE)的無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò),通過WCE移動到節(jié)點附近為節(jié)點補充能量。WCE同時配備數(shù)據(jù)收集模塊,在充電的同時進行數(shù)據(jù)收集,需設(shè)計合理的充電和數(shù)據(jù)收集算法才能有效延長網(wǎng)絡(luò)壽命,均衡節(jié)點間能耗。本文在WCE移動距離受限的情況下,針對二維無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量受限及能耗不均衡問題,提出了基于非均勻分簇的無線充電和數(shù)據(jù)收集算法。在綜合考慮監(jiān)測區(qū)域和WCE最大充電范圍的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種非均勻分簇方法。分析網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流、節(jié)點能耗和WCE的移動特性,采用蟻群系統(tǒng)求解節(jié)點的最佳路由路徑,在延長網(wǎng)絡(luò)壽命的基礎(chǔ)上均衡節(jié)點能耗,提高網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量利用率。在仿真實驗中得到了算法相關(guān)參數(shù)的最優(yōu)取值,相比于Mdcr算法,在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量利用率方面平均提高61.64%,在節(jié)點存活率方面提高5%。進一步考慮在WCE充電能量和移動距離均受限的情況下,提出了一種無線充電和WCE輔助移動數(shù)據(jù)收集算法,采用一對一的充電方式以獲得更加均衡的充電功率。以最小化WCE充電能量消耗為目標(biāo),綜合考慮網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)流、節(jié)點的能耗模型和WCE的移動特性,建立優(yōu)化模型。設(shè)置節(jié)能系數(shù),用于計算WCE輔助收集數(shù)據(jù)量。綜合考慮節(jié)點剩余能量、鄰居節(jié)點數(shù)目和已作為錨點次數(shù),設(shè)計了一種錨點選擇算法,充分利用有限的移動距離為盡可能多的節(jié)點補充能量。運用拉格朗日對偶分解和次梯度算法求解優(yōu)化問題,優(yōu)化節(jié)點的充電量和路由。仿真結(jié)果表明錨點選擇算法在提升網(wǎng)絡(luò)內(nèi)平均剩余能量方面優(yōu)于僅考慮節(jié)點剩余能量的錨點選擇算法;相比于第三章所設(shè)計算法,在犧牲一部分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能量利用率的情況下,能夠有效避免節(jié)點死亡。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【圖文】：

不同的應(yīng)用對傳感器功能的不同要求，使得傳感器節(jié)點可能具有不同的設(shè)計，逡逑但是其基本結(jié)構(gòu)是相同的。典型的傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)主要由四個部分組成，逡逑分別是感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊，如圖２．２所示。數(shù)據(jù)逡逑處理模塊是傳感器節(jié)點的核心模塊，負責(zé)感知數(shù)據(jù)的處理、應(yīng)用層協(xié)議的運行以逡逑７逡逑

遠程任務(wù)管理系統(tǒng)｜＂？邐Ａ逡逑邐ａＱ逡逑圖２．１無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｓｙｓｔｅｍ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｗｉｒｅｌｅｓｓ邋ｓｅｎｓｏｒ邋ｎｅｔｗｏｒｋｓ逡逑不同的應(yīng)用對傳感器功能的不同要求，使得傳感器節(jié)點可能具有不同的設(shè)計，逡逑但是其基本結(jié)構(gòu)是相同的。典型的傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)主要由四個部分組成，逡逑分別是感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和電源模塊，如圖２．２所示。數(shù)據(jù)逡逑處理模塊是傳感器節(jié)點的核心模塊，負責(zé)感知數(shù)據(jù)的處理、應(yīng)用層協(xié)議的運行以逡逑７逡逑

更多的簇頭節(jié)點來分擔(dān)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。受限于無線充電設(shè)備的移動距離，本章采用一逡逑對多的方式為節(jié)點補充能量，以獲得更好的充電效率。逡逑如圖３．１所示，存在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點隨機分布在基站周圍，逡逑基站位于網(wǎng)絡(luò)的中心位置。有一個ＷＣＥ在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)移動，采用無線充電的方式逡逑為傳感器節(jié)點補充能量。ＷＣＥ每個工作周期在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的某些停留點駐留，為停留逡逑點周圍的傳感器節(jié)點補充能量，并承擔(dān)一定的數(shù)據(jù)收集任務(wù)。逡逑＼ｚ；．分逡逑Ｏ傳感器節(jié)點邋＊邋ＷＣＥ駐留點邋？邋ＷＣＥ逡逑一Ｚ２－無線充電一？邋ＷＣＥ移動路徑邋？數(shù)據(jù)傳輸逡逑圖３．１網(wǎng)絡(luò)模型示意圖逡逑Ｆｉｇ邋３．１邋Ｎｅｔｗｏｒｋ邋ｍｏｄｅｌ逡逑１６逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2756639