【摘要】：傳統(tǒng)的傳感器由袖珍型的紐扣電池供電,由于電池有限的容量,導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期受限于傳感器的電池容量。近年來,隨著無線能量轉(zhuǎn)化技術(shù)的創(chuàng)新與突破,出現(xiàn)了電磁耦合共振技術(shù),該技術(shù)能高效、穩(wěn)定地將能量通過無線的方式傳送給一定距離范圍內(nèi)的可接收設(shè)備。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的無線充電問題,許多學(xué)者提出在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署一個(gè)可移動(dòng)的充電小車,通過小車對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地補(bǔ)充電量,無線充電技術(shù)的充電模型分為基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電模型。點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電是指充電小車在特定位置將能量通過無線的方式傳送給一定范圍內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電指充電小車在特定位置將無線能量只傳送給一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。學(xué)者們通過采用不同的充電模型,達(dá)到各自的充電優(yōu)化目標(biāo)。本文同樣基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電方式和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電模型分別設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了兩種不同的充電策略:(1)基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電模型的充電策略設(shè)計(jì)。本文探究在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電模型下,如何通過一個(gè)可移動(dòng)的充電小車來實(shí)現(xiàn)最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期的目標(biāo)。由于網(wǎng)絡(luò)中只部署了一個(gè)可移動(dòng)充電小車,因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不能太大。所以首先從理論上分析了網(wǎng)絡(luò)的最大規(guī)模與最小規(guī)模,即,網(wǎng)絡(luò)中部署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量。其次,在給定的規(guī)模下,提出了一種有效的充電策略,該策略包含充電序列和傳感器節(jié)點(diǎn)的充電時(shí)間兩部分。針對(duì)充電序列問題,借鑒旅行商(TSP-Traveling Salesman Problem)問題,把傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量與傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離作為權(quán)重,將充電序列問題轉(zhuǎn)化為類TSP問題求解。針對(duì)節(jié)點(diǎn)的充電時(shí)間問題,以最大化每個(gè)節(jié)點(diǎn)的充電時(shí)間為目標(biāo),以傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量要滿足給定的閾值為約束條件,轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題求解每個(gè)節(jié)點(diǎn)的充電時(shí)間。(2)基于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電模型的充電策略設(shè)計(jì)。首先,基于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電模型以及小車的能量有限的約束,同樣也分析了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,即單個(gè)充電小車能給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電的最大數(shù)量和最小數(shù)量。其次,利用集合覆蓋問題(SCP-Set Covering Problem)確定小車在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí)需要停止的位置。另外,通過計(jì)算哈密爾頓回路規(guī)劃小車的最短移動(dòng)路徑。接著,在最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期的目標(biāo)下,將節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)刻的剩余能量要高于給定閾值作為約束,將小車在每個(gè)停止點(diǎn)的停止時(shí)間轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題求解。最后,確定小車在每個(gè)停止點(diǎn)需要開啟的扇區(qū)。(3)本文在Eclipse平臺(tái)上,分別對(duì)提出的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電模型和基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多點(diǎn)充電模型的兩種充電策略進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在模擬實(shí)驗(yàn)中,分別進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),并且探究不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出的充電策略確實(shí)能有效地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.5
【圖文】：

環(huán)境因素制約，也不會(huì)因障礙物阻擋而優(yōu)勢，使得其在無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)器網(wǎng)絡(luò)中，部署一個(gè)可以移動(dòng)的充電小傳感器節(jié)點(diǎn)配備一個(gè)無線接收器模塊。點(diǎn)附近對(duì)其充電，使得網(wǎng)絡(luò)生命周期能也可以朝著某個(gè)特定的方向輻射，因此對(duì)多點(diǎn)充電，下面分別進(jìn)行介紹。型中[31-35]，充電小車在特定位置將能量通的單個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。如圖 2.1 所示

圖 2.2 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電模型線輸出功率半徑，但是不同于點(diǎn)對(duì)圍是一個(gè)以 r 為半徑的圓形區(qū)域，小車的無線輸出能量。型的小車能在特定地點(diǎn)同時(shí)對(duì)多個(gè)應(yīng)用的場合，比如在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測測橋梁的震動(dòng)頻率任務(wù)中，傳感器率，避免車流過大引起共震而導(dǎo)致直線型的帶狀區(qū)域，所以傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的充電模型，在小車的充這種情況下若依然采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的對(duì)點(diǎn)充電模型恰恰只對(duì)一個(gè)目標(biāo)節(jié)小車的能量。如圖 2.3(a)所示為小示意圖，圖中矩形區(qū)域?yàn)闃蛄焊┮暿且?R 為半徑的圓或扇形。

圖 2.2 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電模型地，r 為小車無線輸出功率半徑，但是不同于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電模型，點(diǎn)模型的無線覆蓋范圍是一個(gè)以 r 為半徑的圓形區(qū)域，在該圓形范圍內(nèi)器節(jié)點(diǎn)都能接收到小車的無線輸出能量。點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充電模型的小車能在特定地點(diǎn)同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)充電，充電方式依然有其應(yīng)用的場合，比如在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)中[39]、河等等[40, 41]。在監(jiān)測橋梁的震動(dòng)頻率任務(wù)中，傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在橋監(jiān)測橋梁的震動(dòng)頻率，避免車流過大引起共震而導(dǎo)致橋梁損傷或坍塌、河流等場景都是直線型的帶狀區(qū)域，所以傳感器節(jié)點(diǎn)分布在直線型，若充電小車采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的充電模型，在小車的充電范圍內(nèi)不能保目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，那么在這種情況下若依然采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的充電模型會(huì)極大小車的能量。而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電模型恰恰只對(duì)一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)充電，不僅能率，而且還能節(jié)省小車的能量。如圖 2.3(a)所示為小車的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)充(b)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電示意圖，圖中矩形區(qū)域?yàn)闃蛄焊┮晥D，實(shí)心圓點(diǎn)為，小車的充電范圍是以 R 為半徑的圓或扇形。

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本文編號(hào)：2789875