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无线传感器网络移动充电算法研究与设计

刘洪涛  
【摘要】:近年来,随着无线通信和硬件技术的进步,WSN得到了飞速的发展。基于WSN的应用也从美国军方领域扩散到了生活中的方方面面,如环境监测、森林火灾预警、家庭应用自动化、身体健康监测甚至旱农作业等。然而,传感器节点的电量有限问题已经成为阻碍WSN发展的最关键因素之一。受节点体积的影响,采用电池供电的传感器节点仅仅存储有极小容量的电池。此外,传感器网络通常由大规模数量的传感器节点组成,这些节点往往随机散布在危险、恶劣甚至无人员到达过的原始环境中,一经部署便极难维护甚至不可维护。基于此限制,通过更换电池为传感器节点持续供能完全不现实,节点能限问题早已变成WSN研究过程中的一大核心问题,亟待解决,如何解决WSN节点的能量受限问题,具有战略性的意义。在能量管理方面,国内外研究人员致力于节点环境能量收集和节能这两方面的研究,并且取得了不错的进展。然而,节能仅仅可以延长传感器节点的寿命,而能量采集由于技术限制和环境的影响也是不稳定、不可靠的。近期在无线能量传输和可充电锂电池技术的突破为无线传感器网络的供能提供了可能:携带者高电量的移动车辆或机器人来充当移动充电器周期性的为传感器节点传输能量。本文首先从体系结构、特征等方面对无线传感器网络做了简要的概述,然后详细的介绍了移动充电领域所涉及到的相关技术,包括节能技术、能量收集技术以及无线充电技术等。通过引入能量上下限的概念,把无线传感器网络的移动充电问题问题转化为基于时间窗的车辆路径问题,这是一个经典的多旅行商问题。简单来说,就是在网络中各个传感器节点具有不同能量消耗率的前提下,基于传感器节点具有充电阈值上下限的事实,合理的为每个传感器节点定义需要充电的时间上限和下限,设计出最合理的路径规划算法,完成对传感器节点的充电。随后,本文定量分析了网络半径及所需的移动充电器数量与传感器节点的数量,移动充电器所携带的能量等之间的定量关系。在此基础之上,提出了一个近似算法。通过添加虚拟点的方式,将该多旅行商问题转化为单旅行商问题,通过近似算法构造出可行解;将所构造出的可行解使用2-opt的局部优化方法进行进一步优化,同时考虑移动充电器之间的相互协作。最后通过实验和仿真,证明本文所提出移动充电算法的可行性及优越性。


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