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传感器网络移动充电策略设计与实现

龚向阳  
【摘要】:无线传感器网络在越来越多的领域发挥着重要的作用,但能量瓶颈问题一直制约着无线传感器网络的进一步应用。针对此问题,许多学者提出了不同的解决方案,如传感器节能方法,以及环境能量收集和转换方法,但节能方案对于延长节点寿命极为有限,而能量收集并转换的方案不可控、且能量转换效率低,这些方案均无法从根本上解决传感器网络能量瓶颈问题。近年来,无线充电技术为解决传感器网络能量瓶颈问题提供了新的思路,即在遵循移动充电调度策略的基础上,利用无线充电设备(MobileCharger,MC)为传感器节点补充电量。移动充电调度策略是无线充电方案中重要的组成部分,目前主流的充电调度策略主要有周期性充电和按需充电等方案。上述方案在对移动充电设备MC进行移动充电路径规划和充电时机规划时,存在待充电节点等待时延过高、MC移动能耗过高、MC充电效率较低等缺点,导致部分传感器节点在MC到来之前由于能量耗尽而停止工作,无法保证传感器网络在预期的生命期内正常运行。针对上述充电策略存在的问题,本文提出一种基于周期性充电和按需充电的混合充电调度算法(Mixed Charging Scheduling Algorithm,MCS),在动态阈值机制的基础上加入节点速率分组机制来确定待充电节点;在周期性充电回路的基础上,配合服务站部署机制构造充电回路,从而指导MC对传感器节点进行无线充电服务。本算法在保证所有传感器节点正常工作的前提下,尽可能降低传感器网络的总能耗,并提高MC的充电效率。仿真实验结果表明,在节点等待时延、传感器网络能耗、MC移动距离等方面,本文提出的MCS算法均具有较好性能。在提出的MCS算法的基础上,本文设计并实现了传感器网络移动充电管理系统。设计了网络拓扑呈现模块,能够在系统Web界面实时显示传感器网络分布情况以及各个传感器节点的详细信息;设计了传感器状态监测模块,能够获取传感器节点的剩余电量、能耗速率等信息数据的变化情况:设计了传感器历史告警模块,记录电量告警节点的名称、告警时间以及告警原因等;设计了移动充电调度模块,根据告警节点的详细信息,调用MCS算法构造本轮次调度的移动充电回路,展示MC的移动充电路径,并能动态更新服务站部署坐标、节点分组、充电阈值等;设计了用户管理模块,能够修改用户密码及个人权限等。测试结果表明,本系统可以指导无线传感器网络进行能量管理和移动充电,提高网络的运行性能。


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