无线可充电传感器节点开发与能量管理研究

1、 论文 作 者签 名 指导 教 师签 名 ：盐查 董 塾 拯 逝 婆太 堂 鱼 氢 三猩堂 瞳 本 学 位 论 文 作 者完全 了 解有 权保 留 并 向 国家 有 关 部 门 或 机 艿 难宦 畚脑诮 饷 芎 笫视帽 臼谌学 位论文 作 者签名：套臻锄签 字日 期：力啄月叫日 感谢给予 我 很多 帮 助 和关 心 的 程 鹏 副 教 授 。 程 老 师踏实 的 工 作 作 风，执 着 的科 学 追求，平易近 人又 循循善诱 的 教 诲给我 留 下了 深刻 的 印象，使 我 受益 匪 浅 。程 老 师思维 活 跃，视野 开阔。 科 研 经历 丰富，治 学 一 丝 不 苟 ，是我 今后 学 习的

2、 榜样 。 在和程 老 师的 讨 论中 ，程 老 师富有 启发性 的 建议 和一 针 见 血 的 意见 ，使 我 对课 题 有 了 更深刻 的 理解 。 程 老 师不 厌其 烦 的 给我 提 出 论文 的 修改 意见 ，更是我 完成论文 的 保证。感谢信电 系 的 陈抗 生 教 授 与 史 治 国副 教 授 。 陈老 师乐观 豁达 的 人生 态 度总 让我 在面 对 困难时 增添了 很多 勇气 ，他 平易近 人，设身处 地为 学 生 着 想 ，在精神上给予 了 我 很 多 支 持 与 帮 助 。 感谢史 老 师在我 硬 件设计 时 不 厌其 烦 的 讲 解 与 指导 ，是我 搭 建硬 件平台的

3、 保证。 史 老 师在我 刚进入实 验 室 时，包 容 我 的 不 足，给了 我很 多 鼓 励 与 指导 ，是我 前进的 动 力。 最 后 感谢我 的 父亲 和我 的 母亲 。 他 们 抚 育 我 成长 ，教 给我 做人的 道理。 在二十多 年 里 ，他 们 在物质 上 、 精神上 无条 件的 支 持我 关 心 我 ，给予 了 我 宝 贵 的 理解与 鼓 励 。 如果 没 有 他 们 对 我 的 付 出 ，我 将不 会 这 么顺 利 的 完成我 的 学 业。 父母辛勤的 工 作 让我 明 白生 活 的 艰辛与 伟 大，我 将铭 记 于心 ，并 激励 自 己 不 断 努 力，不断 进步。 无线可

4、 充电 传感器节 点 的 设计 要 求一 无线可 充电 传感器节 点 的 硬 件框架设计 无线可 充电 传感器节 点 的 硬 件设计 一 能量 转换模块 传感器模块 无线可 充电 传感器网 络 一 本 章小结 一 节 点 能量 传输 的 分 析与 建 模一 节 点 充电 的 分 析与 建 模节 点 漏 电 的 分 柝 与 建 模，节 点 工 作 能耗的 分 析与 建 模节 点 采 样 能耗的 分 析与 建 模节 点 计 算 能耗的 分 析与 建 模节 点 通信能耗的 分 析与 建模节 点 初始 化能耗模型分 析节 点 工 作 能耗的 小结 本 章小结 一 引言 面 向 随机 事 件捕捉 的 能

5、量 管 理算 法 一 面 向 随 机 事 件捕捉 的 能量 管 理算 法 的 问 题 描述 面 向 随 机 事 件捕捉 的 能量 管 理方 案 调 度方 案 的 仿真 一 “ 单 节 点 调 度 方 案 的 仿真 双 节 点 调 度 方 案 的 仿真 多 节 点 调 度 方 案 的 仿真 本 章小结 约 了 整个无 线传感器网 络 的 生 命 周 期，而 延 长 网 络 的 生 命 周 期需要 从 能量 收 集 和 能量 管 理这 两 个危 度迸 行 考 虑 囝 。无线可 充电 传感器网 络无线收 集 技术网 络 收 集 的 能量 通常 比较小，使 用 小型、 便 携的 能量 收 集 模块 。

6、显 而 易见 ，能量 收 集 技术有 着 以下几种 优 势： 工 作 。风能。 风能也是清 洁 可 再生 的 能源 ，已被广 泛 地研 究 使 用 。 主 流 的 风能热 能。 热 能的 研 究 早 于年 就开始 了 。 热 能采 集 的 基本 原理是使 用 温差 发电 机 采集 热 能，将其 转换为 电 能给节 点 供 电 。 热 能收 集 技术体 积小、 无震 动 、无噪 音、 适 合在恶劣的 环 境 下长 期工 作 ，也合适 低功 耗的 设备 ，通常 使 用 在短 程通信设备 和医 疗器械中 。 已有 德国科 学 家 研 究 出 使 用 人体 温 度 工 作 的 便 携式 电 子设备 ，

7、完全 消 除 了 设备 对 电 池 的 依赖 。相 对 于太 阳能、 风能、 热 能来 讲 ，电 磁作 为 载 体 的 能量 发生 及 收 集 的 系 统 有很 多 独 特 的 优 点 ： 设备 可 以全 面 封 闭 ，避 免 水 和氧 气 等 物质 的 腐蚀 ； 在医疗系 统 中 更为 安 全 ，采 用 电 磁能作 为 能量 传输 的 设备 避免 了 导 线的 使 用 ，因此 在嵌入式 医 疗设备 中 大大减 少了 安 置 难度 ，降 低了 感染 的 风险； 能量 可 控性 ，相 对 于太 阳能、 风能、 热 能来 说，电 磁能是完全 可 控的 ，这 将给设备 的 操 作 提 供极大的 便

8、利 。基于电 磁能的 无线可 充电 装置 通常 分 为 两 个部 分 ，一 个是能量 发射 部 分 ，一个是能量 接收 部 分 。 能量 发射 部 分 由 电 源 供 电 ，将电 能转换为 可 用 电 磁能进行 传输 ； 电 磁波 作 为 能量 的 载 体 能够进行 一 定距 离的 传输 ； 能量 接收 部 分 接收 能量 发射 部 分 传输 过来 的 电 磁能，并 将其 转换为 电 能为 后 继 设备 供 电 ，从 而使 得传感器网 络 无需使 用 电 池 也能够稳 定工 作 。 电 磁感应 。 电 磁感应 是指因磁通量 的 变化从 而 产生 感应 电 动 势的 现象，点 借 此 充电 ，并

9、 与 阅读 器进行 通信。 无线可 充电 传感器网 络 的 能量 管 理技术 献 【】 首 次 提 出 了 动 态 能量 管 理法 给节 点 分 配无 线信道，主 调 度 算 法 一 般 为 时 分 多 址。 典 型有 习等 等 。 如何 能够平衡路由 协 议 优 化。 其 主 要 目标 是建 立传感器节 点 和汇 聚 节 点 之 间的 最 佳路径，而 节 能是路由 协 议 的 主 要 设计 原则。 分 簇 网 络 中 簇 头负 责 协 调 整个簇 中 节 点的 时 槽 分 配以及 数 据 传输 ，典 型的 分 簇 路由 协 议 有 和协 议。 基于数 据 的 路由 协 议 中 ，每 个节 点

10、 一 视同仁，协 议 需要 维 护 路由 表 ，典 型的 有 协 议 【协 议 蚐 椤 。 地理位 置 路由 中 节 点 知 道自 己的 地理位 置 并 且知 道目的 节 点 的 位 置 ，典 型的 有 协 议 ，节 点 总 是选 择最 短 的 欧 式 距 离来 建立并 维 护 路由 表 ，这 将大大减 少存 储需求，减 少传输 延 迟。能量 路由 协 议 需要 知 道全 局 的 能量 信患，根 据 节 点 可 用 能量 和传输 所需能耗来 确定数 据 传输 的 路径。 典 型的 有 镮 蚴 。 每 种 路由 协 议 都 有 各 自 适 用 的 范 围 ，应 根据 具 体 的 网 络 选 择

11、相 应 的 路由 协 议 来 达 到 最 佳的 能量 管 理的 需求。 提 出 了 静态 能源 的 位 置 部 署 以及 动 态 能源 的 路径规划 使 得无 线传感器网 络 可 持续工 作 。 文 献 【】 采 用 近 似 算 法 提 出 了 保 证大规模无 线可 充电 传感器网 络 持 续运无线可 充电 传感器网 络 的 现状 本 文 首先 针 对 无线可 充电 传感器网 络 的 需求，开发了 可 充电 节 点 并搭 建了 网络 平台，在此 平台上 开展了 大量 的 实 验 研 究 以建 立可 充电 节 点 的 能量 传输 与 任 务能耗的 模型，最 后 基于节 点 的 模型与 参数 ，研

12、 究 了 面 向 随机 事 件捕捉 的 能量 管 理技术。 本 文 的 主 要 任 务包 括 传感器节 点 的 硬 件设计 、 节 点 充电 漏 电 模型的 建立、任 务能耗模型的 建 立和能量 管 理技术的 研 究 。第 一 章绪论 。 首先 介绍 了 无线传感器网 络 的 概念 ，指出 能量 问 题 是制 约无线传感器网 络 可 持续工 作 的 重要 因素，而 解 决 能量 问 题 需要 从 能量 收 集 以及 能量 管理两 方 面 考 虑 。 接着 介绍 了 能量 收 集 技术以及 基于该 技术的 无线可 充电 传感器网络 的 概念 ，迸 一 步介 绍 了 能量 管 理技术，指出 了 目

13、前基于无 线可 充电 传感器网 络的 能量 管 理技术的 意 义 与 挑战。第 二 章介 绍 无线可 充电 传感器网 络 。 首先 介绍 了 无线可 充电 传感器网 络 节 点 第 四章介 绍 在面 向 随机 事 件捕捉 的 能量 管 理的 工 作 。 考 虑 随机 事 件发生 在节点 工 作 时间节 点 捕获 的 概率，并 对 单节 点 随机 事 件捕捉 的 调 度方 案 。 双 节 点 同步调 度方 案 与 启发式 调 度方 案 ，以及 多 节 点 同步调 度方 案 与 多 节 点 的 启发式 调 度方案 进行 了 理论 分 析与 比较，最 后 对 调 度方 案 进行 仿真 ，仿真 结 果

14、 验 证了 上 述 的 理论分 析。 在设计 中 ，将系 统 按 照 功 能的 不 同分 为 相 对 独 立的 模块 。 自 顶 向 下将系 统 划采用 合适 的 网 络 协 议 将提 高 网 络 的 可 靠性 。 在选 择 通信协 议 时，也应 考 虑 超使 得节 点 的 安 置 更加 容 易，适 合更多 的 应 用 场 合。所设计 的 无线可 充电 传感器网 络 平台需要 适 应 不 同的 应 用 场 合，对 传感器节点 的 各 项能力要 求可 能都 不 尽相 同。 采用 模块 化设计 能够很 好地满 足可 扩 展性 的需求，在特 定的 应 用 场 合只需要 增加 所需的 模块 即可 ，并 且预 留 了 通用 的 扩