本文關鍵詞：可持續(xù)能量收集無線傳感器網絡能量建模與優(yōu)化

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【摘要】：隨著能量收集技術研究的不斷深入,配備能量收集設備的無線傳感器節(jié)點能夠為無線傳感器網絡提供更加優(yōu)秀的能量解決方案。能量收集無線傳感器網絡(EH-WSNs:Energy Harvesting Wireless Sensor Networks)克服了傳統的無線傳感器網絡存在的諸多缺陷:有限的電池存儲容量、不可預測的電池壽命以及極高的維護成本等,因此也逐漸成為近年來諸多科研工作者努力探索與研究的焦點之一。能量收集無線傳感器節(jié)點通過能量收集設備,比如太陽能電池板,源源不斷地獲取環(huán)境中的能量并轉換成電能,作為無線傳感器節(jié)點的穩(wěn)定電源。理論上,如果無線傳感器節(jié)點的能量收集功率恒大于能量消耗功率,就可以保證能量的可持續(xù)性,使得無線傳感器節(jié)點的生命周期達到無限并且無需人工維護,能夠一勞永逸地解決傳統的無線傳感器節(jié)點存在的固有缺陷。本文的理論研究主要針對固定式的太陽能驅動無線傳感器網絡,并分別從優(yōu)化能量收集效率和優(yōu)化能量調度策略的角度,重點涉及兩個方面的內容:其一,針對太陽能收集的隨機性與不確定性等特點,基于太陽光線入射規(guī)律和能量計算模型,本文提出了針對任意地理位置和時間區(qū)間的太陽能驅動無線傳感器節(jié)點的部署與優(yōu)化策略,使得能量收集效率達到最優(yōu);其二,根據確定的節(jié)點部署策略,以及超低功耗無線傳感器節(jié)點的能量消耗規(guī)律,設計節(jié)點的能量管理模型,并在此基礎上設計并實現節(jié)點的動態(tài)能量調度算法:動態(tài)占空比算法和能量再分配算法。基于上述研究內容,本文設計并實現了太陽能驅動無線傳感器節(jié)點部署與調度系統。系統主要包括三個功能模塊:網絡監(jiān)控模塊、節(jié)點部署與優(yōu)化策略模塊和動態(tài)能量調度模塊。網絡監(jiān)控模塊作為太陽能驅動無線傳感器網絡的遠程終端,通過UART串口連接到整個無線傳感器網絡,實時顯示整個無線傳感器網絡的感知信息與工作狀態(tài);節(jié)點部署模塊主要針對本文提出的節(jié)點部署與優(yōu)化策略,根據用戶指定的一系列參數信息,基于晴天/非晴天能量計算模型,生成太陽能驅動無線傳感器節(jié)點的部署策略和起止時間之內的能量分布規(guī)律;動態(tài)能量調度模塊與節(jié)點級應用程序直接相關,實時顯示無線傳感器網絡的拓撲結構以及節(jié)點的能量調度狀態(tài)。作為動態(tài)能量調度模塊的一部分,本文設計并實現了節(jié)點級嵌入式動態(tài)能量調度算法:動態(tài)占空比算法和能量再分配算法,并根據真實的實驗數據對算法的合理性進行驗證。
【關鍵詞】：無線傳感器網絡 太陽能 節(jié)點 能量收集 能量管理 占空比
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-15
• 1.1 課題來源及研究意義9-10
• 1.1.1 課題來源9
• 1.1.2 課題研究意義9-10
• 1.2 課題相關理論及技術在國內外的研究現狀10-13
• 1.2.1 無線傳感器網絡研究現狀10-12
• 1.2.2 能量收集無線傳感器網絡研究現狀12-13
• 1.3 課題研究內容及章節(jié)安排13-15
• 第2章 太陽能驅動無線傳感器節(jié)點能量計算模型15-30
• 2.1 節(jié)點能量收集與能量消耗規(guī)律及相關分析15-20
• 2.1.1 節(jié)點能量收集規(guī)律及相關分析15-17
• 2.1.2 節(jié)點能量消耗規(guī)律及相關分析17-20
• 2.2 節(jié)點太陽輻射能量計算模型20-27
• 2.2.1 不同季節(jié)下太陽光線入射規(guī)律及相關分析20-23
• 2.2.2 節(jié)點太陽輻射強度計算23-27
• 2.3 節(jié)點晴天與非晴天能量計算模型27-29
• 2.4 本章小結29-30
• 第3章 太陽能驅動無線傳感器節(jié)點部署與優(yōu)化策略30-40
• 3.1 節(jié)點部署模型30-32
• 3.1.1 節(jié)點部署傾斜角與方位角30-31
• 3.1.2 太陽能電池板傾斜角與太陽光線31
• 3.1.3 節(jié)點日出日落時角與日照時間的確定31-32
• 3.2 節(jié)點傾斜角部署策略32-35
• 3.2.1 針對任意時間區(qū)間的太陽輻射強度計算33-34
• 3.2.2 針對任意時間區(qū)間的電池板傾斜角的部署策略34-35
• 3.3 節(jié)點方位角部署策略35-37
• 3.4 節(jié)點工作區(qū)間優(yōu)化策略37
• 3.5 針對不同時間區(qū)間的節(jié)點部署與優(yōu)化策略仿真實驗37-39
• 3.6 本章小結39-40
• 第4章 太陽能驅動無線傳感器節(jié)點能量管理模型與動態(tài)能量調度策略40-54
• 4.1 節(jié)點能量管理模型40-45
• 4.1.1 節(jié)點時隙序列40-42
• 4.1.2 節(jié)點能量收集與儲存模型42-44
• 4.1.3 節(jié)點修正電壓與功率44-45
• 4.2 節(jié)點動態(tài)能量調度策略45-50
• 4.2.1 初始化占空比序列45-47
• 4.2.2 動態(tài)占空比算法47-49
• 4.2.3 能量再分配算法49-50
• 4.3 節(jié)點動態(tài)能量調度算法實驗分析50-52
• 4.4 本章小結52-54
• 第5章 節(jié)點部署與調度系統設計與實現54-77
• 5.1 開發(fā)工具EZ430-RF2500-SEH簡介54-55
• 5.2 基于Simplici TI網絡協議的應用層數據通訊協議和報文轉發(fā)策略55-63
• 5.2.1 網絡拓撲結構選擇56-57
• 5.2.2 數據通訊協議和報文轉發(fā)策略57-63
• 5.3 節(jié)點部署與調度系統設計與實現63-71
• 5.3.1 節(jié)點部署與調度系統概述63-65
• 5.3.2 節(jié)點部署與調度系統詳細設計65-70
• 5.3.3 嵌入式動態(tài)占空比和能量再分配程序設計與實現70-71
• 5.4 節(jié)點部署與調度系統實驗成果展示71-75
• 5.5 本章小結75-77
• 結論77-79
• 參考文獻79-85
• 致謝85

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本文編號：868203