可持续能量收集无线传感器网络能量建模与优化

摘要

随着能量收集技术研究的不断深入，配备能量收集设备的无线传感器节点能够为无线传感器网络提供更加优秀的能量解决方案。能量收集无线传感器网络(EH-WSNs:Energy Harvesting Wireless Sensor Networks)克服了传统的无线传感器网络存在的诸多缺陷：有限的电池存储容量、不可预测的电池寿命以及极高的维护成本等，因此也逐渐成为近年来诸多科研工作者努力探索与研究的焦点之一。能量收集无线传感器节点通过能量收集设备，比如太阳能电池板，源源不断地获取环境中的能量并转换成电能，作为无线传感器节点的稳定电源。理论上，如果无线传感器节点的能量收集功率恒大于能量消耗功率，就可以保证能量的可持续性，使得无线传感器节点的生命周期达到无限并且无需人工维护，能够一劳永逸地解决传统的无线传感器节点存在的固有缺陷。
　　本文的理论研究主要针对固定式的太阳能驱动无线传感器网络，并分别从优化能量收集效率和优化能量调度策略的角度，重点涉及两个方面的内容：其一，针对太阳能收集的随机性与不确定性等特点，基于太阳光线入射规律和能量计算模型，本文提出了针对任意地理位置和时间区间的太阳能驱动无线传感器节点的部署与优化策略，使得能量收集效率达到最优；其二，根据确定的节点部署策略，以及超低功耗无线传感器节点的能量消耗规律，设计节点的能量管理模型，并在此基础上设计并实现节点的动态能量调度算法：动态占空比算法和能量再分配算法。
　　基于上述研究内容，本文设计并实现了太阳能驱动无线传感器节点部署与调度系统。系统主要包括三个功能模块：网络监控模块、节点部署与优化策略模块和动态能量调度模块。网络监控模块作为太阳能驱动无线传感器网络的远程终端，通过U A RT串口连接到整个无线传感器网络，实时显示整个无线传感器网络的感知信息与工作状态；节点部署模块主要针对本文提出的节点部署与优化策略，根据用户指定的一系列参数信息，基于晴天/非晴天能量计算模型，生成太阳能驱动无线传感器节点的部署策略和起止时间之内的能量分布规律；动态能量调度模块与节点级应用程序直接相关，实时显示无线传感器网络的拓扑结构以及节点的能量调度状态。作为动态能量调度模块的一部分，本文设计并实现了节点级嵌入式动态能量调度算法：动态占空比算法和能量再分配算法，并根据真实的实验数据对算法的合理性进行验证。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2课题相关理论及技术在国内外的研究现状

1.3课题研究内容及章节安排

第2章 太阳能驱动无线传感器节点能量计算模型

2.1节点能量收集与能量消耗规律及相关分析

2.2节点太阳辐射能量计算模型

2.3节点晴天与非晴天能量计算模型

2.4本章小结

第3章 太阳能驱动无线传感器节点部署与优化策略

3.1节点部署模型

3.2节点倾斜角部署策略

3.3节点方位角部署策略

3.4节点工作区间优化策略

3.5针对不同时间区间的节点部署与优化策略仿真实验

3.6本章小结

第4章 太阳能驱动无线传感器节点能量管理模型与动态能量调度策略

4.1节点能量管理模型

4.2节点动态能量调度策略

4.3节点动态能量调度算法实验分析

4.4本章小结

第5章 节点部署与调度系统设计与实现

5.1开发工具EZ430-RF2500-SEH简介

5.2基于SimpliciTI网络协议的应用层数据通讯协议和报文转发策略

5.3节点部署与调度系统设计与实现

5.4节点部署与调度系统实验成果展示

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢