1. 研究目的与意义
现代信息科学由信息的生成、获取、存储、传输、处理及应用这六个部分组成,信息的获取是其中的重要一环。随着物联网技术的发展与成熟,物联网的一大核心无线传感器网络已经和我们的生活联系的十分紧密了,这一技术通常应用于目标跟踪、环境监测、火灾预警和机器救援等方面。无线传感器已经成为一种最基本的信息获取技术和手段,主要由于其有着低成本、高效率、灵活方便的优势。
无线传感器网络如今还不能大规模使用,主要因素是能源问题。现在很多的传感器网络都是用容量有限的电池供电,导致它们生命周期有限,无法顺利的完成数据收集和通信任务。近期随着研究者在无线电充电技术方面的突破,提出了通过无线充电设备对传感器节点进行无线充电的能量补给方法。无线充电是指供电设备借助电感耦合,不用导线连接,将电能通过电磁场传送至用电装置的过程。无线充电技术源于无线电能传输技术,主要是利用磁场感应、磁场共振、电场感应、电磁波原理通过非物理连接方式给用户端进行电能传输,以实现给设备充电的目的。在未来我们的生活中,智能家居、物联网、人工智能等方面会越来越多的运用到无线可充电传感器网络。
在无线可充电传感器网络中,移动充电设备携带的能量一般是有限的,需要定期返回数据中心进行维护充电。传感器节点如果低于能让它工作的最小值那么整个无线电可充电传感器网络会停止工作,所以移动充电小车要及时给传感器节点充电,保证其电量要一直高于最低的电量,移动充电设备必须确定充电设备的数量、参数、访问顺序和路径等信息,才能保证及时地对网络中的节点进行充电,满足无线可充电传感器网络的多样化需求。因此,对于各种情境下传感器网络的不同情况,进行无线可充电传感器网络的充电规划十分重要。
2. 研究内容和预期目标
本文主要研究在无线可充电传感器网络中,传感器从环境中收集信息并将收集到的信息传递给数据中心。当一个传感器的电量低于一个阈值时便无法进行正常的信息采集工作,为了让无线可充电传感器网络正常运转,移动充电器需要定期为传感器进行充电以避免其电量低于阈值。移动充电器从数据中心出发,以固定的速度依次经过每个传感器,在每个传感器处停留一段时间并以固定的充电速率为传感器充电,直到为所有传感器充电完成之后返回数据中心。每个传感器都有特定的能量消耗速率,以及固定的电池容量。移动充电器的能量消耗主要有两个方面:一是为传感器节点充电所导致的正常的能量消耗;另外一方面则是移动充电器在去为传感器充电的路上的能量消耗。为了减小移动充电器在路上的能量消耗,需要合理地规划移动充电器的充电路线。
本文核心内容主要是建立两个模型。要使得能耗最小化,就要保证移动充电器行走的路程最优,首先建立线性规划模型表示充电小车所走路径最短,然后将此路径最优化问题转化为tsp问题,在此基础模型上,考虑各个传感器节点的能量消耗约束,建立了考虑节点能量消耗的非线性规划模型,对此设计了相应的遗传算法进行求解。用具体算例对模型进行分析,证明其合理性,第一个模型用python程序语言求解出最优线路,根据这一最优路径计算出小车根据这一路径进行充电各个传感器至少所需要的电量;第二个考虑电量约束的模型利用遗传算法求解可用python程序语言求解出最优路径。比较两个模型规划出的路径的差异,并得出路径规划的方法。
3. 研究的方法与步骤
本文主要研究方法及步骤有(1)文献研究 :起初查阅相关文献,分析研究者们对于无线可充电传感器网络充电路线规划主要采用什么样的方法。(2)建模规划 :首先建立充电线路最小的线性规划模型,该问题可以视为一个简单的tsp问题进行求解。在此基础上,考虑各个传感器节点的能量消耗约束,建立了考虑节点能量消耗的非线性规划模型(3)遗传算法:对于建立出的两个模型设计了相应的遗传算法进行求解,主要依靠编写python程序语言求出最优解。
4. 参考文献
[1] 何灏,陈永锐,易卫东,李鸣.无线可充电传感器网络中固定充电器的部署策略[j].通信学报,2017(10):157
[2] 胡诚,汪芸,王辉.无线可充电传感器网络中充电规划进展[j].软件学报,2015(01):74
5. 计划与进度安排
1.2022-2022学年第2学期,第1-4周,收集相关资料,申报课题,下达任务书
2.2022-2022学年第2学期,第5-8周,前期研究
3.2022-2022学年第2学期,第9周,开题
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