采用環(huán)境能量的自供電無線傳感器網(wǎng)絡關鍵技術研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡是新一代的傳感器網(wǎng)絡，綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，它的應用和發(fā)展將會給人類生產(chǎn)和生活的各個領域帶來深遠的影響。但是電源供電問題直接影響其性能和生存時間，是限制其實際應用的關鍵性問題。針對該“瓶頸”，目前眾多學者也提出并研究了相當多的能量管理策略，在一定程度上延長了無線傳感器網(wǎng)絡的生存時間，但是如何從根本上解決供電問題還需進一步研究。
　　本文深入研究了利用外界環(huán)境能量為傳感器節(jié)點供

2、電的自供電無線傳感器網(wǎng)絡，解決無線傳感器網(wǎng)絡的自供電問題并對能量進行正確、合理的使用是本文的重點。自供電無線傳感節(jié)點通過采集環(huán)境中的能量來補充供給本身的能耗，可以在很大程度上緩解能量瓶頸并改善網(wǎng)絡性能。本文根據(jù)能量采集方式的不同分別設計了兩種低功耗自供電無線傳感節(jié)點，詳細分析了其組成結(jié)構、各子單元能耗模型和系統(tǒng)工作效率，優(yōu)化了能量采集預測算法和系統(tǒng)能量管理算法，同時本文還分析了自供電無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議層研究的特性，提出了專用的非均勻分簇

3、自適應路由協(xié)議，并將協(xié)作通信成功應用于網(wǎng)絡的簇間通信。具體包含以下幾方面內(nèi)容:
　　1.設計了一種具備完善的自適應能量采集及管理策略的太陽能供電無線傳感器節(jié)點BFCap，采用雙向flyback變換器，實現(xiàn)了最大功率傳輸跟蹤算法，并具有更寬的能量采集范圍和冷啟動功能。同時還設計了WCSAD算法，可更準確預測下一階段的可采集太陽能。
　　2.分析并設計了風能供電無線傳感器節(jié)點的系統(tǒng)能量管理算法。通過解決兩個核心問題:最大功率采集

4、和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，將風能供電無線傳感節(jié)點的采能和耗能兩個方面有機聯(lián)系起來，實驗證明該算法可達到真正的節(jié)點級別的能量最優(yōu)化管理。
　　3.研究了一種基于強化學習的自供電無線傳感器節(jié)點能量管理架構，當面對無法預測的環(huán)境能量時，該架構不僅可以實時地滿足節(jié)點維持“永久性”運行的能量需求，而且可以滿足自供電無線傳感器網(wǎng)絡具體任務應用中的服務品質(zhì)需求。
　　4.設計了一種非均勻分簇的自供電無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，該協(xié)議通過在網(wǎng)關中集中式運

5、行大運算量的分簇和路由建立優(yōu)化算法，而在自供電無線傳感節(jié)點中分布式運行低功耗的簇首調(diào)整和路由更新過程，以盡量提高能量利用率。仿真結(jié)果證明該路由可有效平衡網(wǎng)絡能量分布并增強通信可靠性。
　　5.針對所設計的分簇型自供電無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議，研究了協(xié)作通信協(xié)議在其上的應用，該協(xié)議通過在各個簇內(nèi)成員節(jié)點中分布式運行功率分配及中繼選擇聯(lián)合優(yōu)化算法，來降低簇首間的通信能耗，仿真結(jié)果證明該算法適用于所設計的分簇路由并可在保障網(wǎng)絡通信性能的前