【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)在當(dāng)今社會中的使用范圍越來越廣,但是各種各樣的因素限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用,其中最主要的限制因素便是傳感器節(jié)點(diǎn)自身攜帶能量有限且很難補(bǔ)充。傳感器節(jié)點(diǎn)只能由容量有限的電池來供能,并且長期處于無人值守的狀態(tài)下工作,因此不可能通過更換電池的方式來補(bǔ)充能量。要想延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命,從周圍環(huán)境中采集能量是一種行之有效的途徑。目前主要采用溫差、壓力或震動(dòng)、電磁波能量以及太陽能等方式來從環(huán)境中捕獲能量。能量和信息都是通過無線電波來傳輸?shù)?在本文中向傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸能量的方式是基站通過微波進(jìn)行遠(yuǎn)場輻射。能量基站在中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰繒p的很快,而基站本身從硬件配置、施工周期、位置選定以及構(gòu)造成本等方面也決定了不可能在一個(gè)區(qū)域內(nèi)重復(fù)建設(shè)基站,因此需要一種結(jié)構(gòu)簡單且可以放大電磁波功率的節(jié)點(diǎn)來解決傳輸過程中的能量損耗大導(dǎo)致傳輸距離有限的問題。本文為了解決這一問題,提出了引進(jìn)能量中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)(Power Transfer Node,PTN)的方法來嘗試增加基站的能量傳輸距離和提高WSN節(jié)點(diǎn)接收到的能量。所謂的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)實(shí)質(zhì)就是一個(gè)將能量基站發(fā)出來的電磁波在中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行能量補(bǔ)充來放大發(fā)射功率的裝置,類似于一個(gè)無線通信中的功率放大器,從而提高傳感器節(jié)點(diǎn)接收到的能量,來滿足節(jié)點(diǎn)日常的工作需求,延長WSN的工作生命周期。為了研究WSN中的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)供能問題,首先描述了能量中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)單元和能量傳輸模型,類比無線通信系統(tǒng)中的利用功率放大器來增加發(fā)出的信號強(qiáng)度,本文提出了使用中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)放大電磁波功率的方式來放大電磁波的發(fā)射功率,進(jìn)而增加目的節(jié)點(diǎn)接收的能量。由于中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的位置不同,導(dǎo)致其接收到能量基站的瞬時(shí)功率不同,進(jìn)而發(fā)射出去的功率也不同,且傳輸過程中的能量損耗也隨著傳輸功率的變化而變化,因此先把中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用到只有一個(gè)能量基站和一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)的簡單能量傳輸模型中,并對這一模型的相關(guān)問題進(jìn)行了仿真研究。通過仿真和分析,得出了在能量基站和工作節(jié)點(diǎn)的位置恒定不變且能量基站的發(fā)射功率不變時(shí),中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)在中間距離時(shí)能量傳輸效率比最低。隨著中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)靠近能量基站或者靠近工作節(jié)點(diǎn),能量傳輸效率比逐漸增加。這說明在工作節(jié)點(diǎn)距離能量基站較遠(yuǎn)而接收到的能量無法滿足其正常工作時(shí),應(yīng)在距離能量基站較遠(yuǎn)處引入中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)來提高工作節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。為了研究中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用場景,本文在WSN中引入了能量基站和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn),提出了在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)供能協(xié)議,針對節(jié)點(diǎn)的能量覆蓋率和存活率進(jìn)行了仿真分析。通過對比分析發(fā)現(xiàn)引入中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)供能協(xié)議后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量覆蓋率和存活率得到了顯著地提高,延長了節(jié)點(diǎn)工作的時(shí)間,有效的解決了 WSN能量不足的現(xiàn)狀。
[Abstract]:Wireless Sensor Network (WSN) is widely used in today's society, but various factors limit the development and application of wireless sensor network. The sensor node can only be powered by a limited capacity battery and works in an unattended state for a long time, so it is not possible to supplement energy by replacing the battery. It is an effective way to collect energy from the surrounding environment in order to extend the service life of the wireless sensor network. At present, the energy is captured from the environment by means of temperature difference, pressure or vibration, electromagnetic wave energy and solar energy. Both energy and information are transmitted by radio waves in a manner in which the base station transmits energy to the sensor node in such a way that the base station radiates far-field radiation through the microwave. The energy of the energy base station in the mid-range transmission will decay very quickly, and the base station itself determines that it is not possible to repeat the construction of the base station in one area from the hardware configuration, the construction cycle, the location selection, and the construction cost, etc. There is therefore a need for a node that is simple in structure and which can amplify the power of the electromagnetic wave to solve the problem that the transmission distance is limited due to the large energy loss in the transmission process. In order to solve this problem, an energy transfer node (PTN) is introduced to try to increase the energy transmission distance of the base station and to increase the energy received by the WSN node. the so-called transfer node is essentially a means for amplifying the transmit power by means of an electromagnetic wave emitted by the energy base station on the transfer node, similar to the power amplifier in a wireless communication, to increase the energy received by the sensor node, And the working life cycle of the WSN is prolonged. In order to study the problem of energy supply in the transfer node in the WSN, the basic structural unit and the energy transmission model of the energy transfer node are described, and the power amplifier in the analog wireless communication system is used to increase the signal strength. In this paper, the transmission power of the electromagnetic wave is amplified by using the relay node to amplify the electromagnetic wave power, and then the energy received by the destination node is increased. because the position of the relay node is different, the instantaneous power of the energy base station is different, and the transmitted power is different, and the energy loss in the transmission process also changes with the change of the transmission power, Therefore, the transfer node is applied to a simple energy transmission model of only one energy base station and one working node, and the related problems of the model are simulated. Through simulation and analysis, the energy transmission efficiency ratio is the lowest when the position of the energy base station and the working node is constant and the transmission power of the energy base station is unchanged. As the transfer node is close to the energy base station or close to the working node, the energy transmission efficiency ratio is gradually increased. This indicates that when the working node is far from the energy base station and the received energy cannot meet its normal operation, the transfer node should be introduced at a far distance from the energy base station to improve the energy supply of the working node. In order to study the practical application scene of the transfer node, the energy base station and the relay node are introduced in the WSN, and a relay node energy supply protocol in the wireless sensor network is proposed, and the energy coverage and the survival rate of the node are simulated and analyzed. Through the comparison and analysis, the energy coverage and the survival rate of the wireless sensor network after introducing the relay node energy supply protocol are obviously improved, the working time of the nodes is prolonged, and the current situation of insufficient energy of the WSN is effectively solved.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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本文編號：2467632