无线可充电传感器网络中多跳无线充电结合移动数据采集问题研究

作     者：祝贞阳 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐向华

授予年度：2018年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：无线传感网 锚点 磁共振耦合 无线充电 数据收集 TSP路径 

摘      要：随着无线传感器网络中充电技术的快速发展,如何保证传感器网络的持续运行成为现今的研究趋势。为了延长网络的生命周期,我们引进了无线充电技术。与此同时,数据采集也是无线传感器网络研究的热点问题,考虑到传统数据采集模型的效率问题,本文只考虑Sen Car的移动数据采集。本文通过结合多跳无线充电技术和移动数据采集模型提出新的问题研究。首先设计一个新的最优Sen Car分配方案,即在一定时间和损耗率约束的条件下,提出近似算法求解完成无线传感器网络中所有充电任务所需的最少Sen Car数量。接下来还设计一个最优的成本优化方案,即完成所有充电任务所需的总时间满足一定约束下,综合考虑Sen Car的使用成本,规划方案在使用一定数量Sen Car的前提下使得完成所有充电任务所需的系统总开销最小。本文的具体研究工作如下:(1)通过结合多跳无线充电技术和移动数据采集模型,提出一种新的最优Sen Car分配方案。首先构建了磁共振耦合下的能耗模型,并计算多跳无线充电的充电效率。然后,将多跳无线充电方案构建成一个单目标优化问题,接下来提出一个近似算法求解该问题。为了保证网络的持续运行,我们首先将传感器节点进行聚类,在每个分类中分别计算各节点作为中继的充电损耗,然后将充电损耗最低的那个节点作为“锚点,而且Sen Car在给“锚点充电的同时还对各传感器节点产生的数据进行采集。接下来再对所有选出的“锚点进行聚类,针对每个分类中的“锚点分别求一条TSP路径,再根据Sen Car的容量限制,得到完成所有充电任务所需最少的Sen Car数量。最后,我们对提出的算法进行模拟实验,实验结果表明,该策略能在满足一定时间和损耗率约束以及Sen Car容量限制的条件下用最少数量的Sen Car完成所有充电任务。(2)提出一个新的最优成本优化方案。首先,根据能量消耗和能量补充之间的关系可以近似得到完成所有充电任务所需最少的Sen Car数量。接下来我们将传感器节点进行聚类,针对每个充电集合,分别求各节点的平均损耗,优先选择平均损耗最低的节点作为“锚点,且Sen Car在给“锚点充电的同时还对各传感器节点产生的数据进行移动采集。然后对所有选出的“锚点求一条完整的TSP路径,再结合考虑Sen Car的电池容量,Sen Car的移动成本以及多跳能量传递过程中的充电成本将充电路线分配给一定数量的Sen Car,保证每条路径都在一个Sen Car的服务范围内,从而得到完成所有充电任务所需的总成本。最后,我们对提出的算法进行模拟实验,实验结果表明,该策略在满足一定时间约束的条件下,使用适当数量的Sen Car可以使得完成所有充电任务所需的总开销最低。(3)本文在Eclipse的平台上,对提出的两种方案分别进行了编码实现。通过大量的模拟实验,验证了本文提出方案的有效性和可行性。