矿井无线可充电传感器网络的充电策略研究

发布时间：2020-07-24 10:44

【摘要】：煤矿井下环境恶劣,持续稳定地监测是保障矿井安全生产的必要需求,部署在煤矿中的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)可以为煤矿开采工作者提供更加安全可靠的工作条件,但传感器节点的能量受限问题一直阻碍了传统WSNs的应用发展,特别是在要求传感器节点持续工作的矿井巷道中。为了解决这个问题,在过去的几年中,无线可充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Networks,WRSNs)已经被提出并且得到广泛地研究,WRSNs能够从理论上有效地解决节点能量供应问题。在WRSNs中,若要保证传感器节点持续稳定地工作,最核心的问题就是如何规划充电策略。本文针对矿井巷道的特殊环境,将无线充电技术应用于井下传统的WSNs中,分析了静态充电部署和移动充电策略的问题,研究适用于矿井无线可充电传感器网络的充电策略。首先,本文研究分析了采用静态充电装置为矿井巷道中的WRSNs进行充电的静态部署策略问题,提出了一种基于网格划分的井下无线充电装置部署算法。将充电装置的静态部署问题转化为充电覆盖问题,建立了最优充电覆盖模型。提出的算法利用网格划分的思想,通过不断扫描网格的方式选择充电装置的最优部署位置,在满足巷道中所有传感器节点的能量需求下,最大限度地减少所需部署的充电装置数量。然后通过大量的仿真实验,分析了不同网格大小和充电半径对充电覆盖性能的影响以及不同充电半径对充电装置数量的影响。接着,本文研究分析了利用若干个能够沿巷道轨道移动的充电装置为矿井巷道中的WRSNs进行充电的移动充电策略问题,提出了一种完全可行的节点分群调度算法。针对井下充电装置移动路径受限的场景,将目标问题转化为受巷道充电限制的充电时间分配问题,推导出了能够保证充电策略完全可行的边界条件,并建立了问题模型。提出的算法将整个巷道网络划分为若干个子网络,充电装置采用周期向前地方式给子网络提供能量,从而满足整个网络的能量需求,同时利用节点分群机制扩大子网络的规模。然后进行了大量的仿真实验,对所提算法的性能进行验证和比较分析,并进一步分析了各种参数对充电策略的影响。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD76;TN929.5;TP212.9
【图文】：

3 静态充电的部署问题分析充电传感器网络、电子标签、楼宇安全监测以及建筑结构监测等领域。owercast 主要由基于射频能量获取的无线传感器节点和能量收集天线两部分。其中的传感器节点除了具有普通传感器节点的感知环境参数、进行数据处组网通信的能力外，最重要的特征是可以自主收集空间环境中的射频能量并为直流电能，节点无需供电，特性参数如表 3-1 所示。能量收集天线主要的是接收射频源发射的电磁波并将其转换成高压脉冲。图 3-4 中是实验时使用频能量发射器，其射频信号频段为 915MHz，发射功率分为 3W、2W 和 1

3 静态充电的部署问题分析充电传感器网络、电子标签、楼宇安全监测以及建筑结构监测等领域。owercast 主要由基于射频能量获取的无线传感器节点和能量收集天线两部分。其中的传感器节点除了具有普通传感器节点的感知环境参数、进行数据处组网通信的能力外，最重要的特征是可以自主收集空间环境中的射频能量并为直流电能，节点无需供电，特性参数如表 3-1 所示。能量收集天线主要的是接收射频源发射的电磁波并将其转换成高压脉冲。图 3-4 中是实验时使用频能量发射器，其射频信号频段为 915MHz，发射功率分为 3W、2W 和 1

硕士学位论文是可充电传感器节点，右上方是示波器，左下方是射频能量发射器。实验中，节点的天线与射频能量发射器之间的距离从 0.2 米到 2.0 米，以 0.2 米为增量进行测试。每次射频能量发射器在测试节点电容电压显示为零后打开，测试过程中利用示波器记录节点电容的电压变化，图 3-6 是测试节点充放电波形图。节点电压和充电功率之间可以通过换算得到节点电容储存的能量，电容充电功率的公式如式（3-3）所示：tCUPr 22(3-3)式中，C 表示节点电容的容量，U 表示电容充电过程中的最大电压， t表示充电过程中电容电压从零到最大电压的时间，即充电时间。为了减小误差，在每个测试点进行重复 3 次的充电实验，将这 3 次实验结果的平均值作为此定点的测试值。

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 黄海剑;;几种典型无线传感器网络中的自身定位算法[J];巴音郭楞职业技术学院学报;2012年02期

2 马康忠;;无线传感器网络应用若干关键问题研究[J];电子测试;2019年09期

3 刘蓉;;基于性价比的无线传感器网络能量空洞避免研究[J];电子制作;2017年22期

4 郭祥东;;无线传感器网络的技术特点及应用[J];中国新技术新产品;2018年09期

5 吴瑞睿;刘洁琳;;无线传感器网络综述[J];科技创新与应用;2018年14期

6 李志杰;;无线传感器网络的研究现状及主要应用[J];南方农机;2018年18期

7 李妩可;颜宁;;无线传感器网络的研究与应用[J];科技创新与应用;2016年36期

8 同晓荣;;基于ZigBee无线传感器网络构建[J];微型电脑应用;2016年11期

9 韩超;;无线传感器网络在智能电网中的应用[J];通讯世界;2017年01期

10 郝洁;;《无线传感器网络》课程特点、挑战和解决方案[J];现代计算机(专业版);2016年35期

相关会议论文 前10条

1 丁翠;牛长流;李建军;秦爱梅;;浅析无线传感器网络中的协作信号与信息处理[A];《教师教学能力发展研究》科研成果集（第十一卷）[C];2017年

2 吴佳;苏丹;袁卫国;;智能电网中的认知无线电传感器网络[A];2016智能电网发展研讨会论文集[C];2016年

3 张争明;林春;应怀樵;;化工安全领域的一种无线传感器网络设计[A];第二十二届全国振动与噪声应用学术会议论文集[C];2009年

4 周杨;张冬梅;查选;;基于时空模型的无线传感器网络入侵检测算法[A];第十届中国通信学会学术年会论文集[C];2014年

5 王晓;牛长流;魏晓东;王迪;;基于超声波的无线传感器网络定位设计[A];第十届中国通信学会学术年会论文集[C];2014年

6 林吉;齐晋维;李晖;;无线传感器网络测距技术综述[A];第十三届沈阳科学学术年会论文集（理工农医）[C];2016年

7 于海斌;曾鹏;;中国无线传感器网络的研究进展与挑战[A];2007-2008控制科学与工程学科发展报告[C];2008年

8 李娜;翟建设;;无线传感器网络数据融合设计[A];第三届长三角气象科技论坛论文集[C];2006年

9 王培国;陈芳群;闫斌;;基于无线传感器网络的通信枢纽安防系统的设计[A];四川省通信学会2009年学术年会论文集[C];2009年

10 高静;李建中;;无线传感器网络数据收集算法研究进展[A];黑龙江省计算机学会2009年学术交流年会论文集[C];2010年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报记者 党博文;昕诺飞:打造全球最大传感器网络[N];通信产业报;2018年

2 四川科技职业学校鼎利学院 刘桄序;物联网无线传感器网络中传感器应用热点[N];电子报;2017年

3 赛迪顾问半导体产业研究中心分析师 李龙;工业无线传感器网络产品前景广阔[N];中国计算机报;2015年

4 张庆佳;无线传感器网络成为当前研究热点[N];人民邮电;2015年

5 樊哲高;我国传感器网络标准工作取得新进展[N];中国电子报;2012年

6 本报记者 王博;传感器网络标准取得新进展[N];计算机世界;2012年

7 本报记者 赵建国;无线传感器网络改变未来世界[N];中国知识产权报;2011年

8 记者 陆成钢　通讯员 尚晓天;以无线传感器网络打造智能化城市[N];嘉兴日报;2009年

9 赛迪顾问信息产业研究中心高级咨询顾问 王坤;国际物联网行业应用概况[N];通信产业报;2009年

10 记者 张平阳;传感器网络助力精准农业[N];西安日报;2009年

相关博士学位论文 前10条

1 邢子瑞;多传感器网络系统的状态估计融合与故障可诊断性研究[D];北京理工大学;2017年

2 许皓;无线传感器网络中的信息几何方法[D];北京理工大学;2017年

3 杜鹏飞;面向最优信息质量的无线传感器网络资源分配[D];西安电子科技大学;2017年

4 刘学文;基于压缩感知与逆向调制的链路采样技术研究[D];西安电子科技大学;2017年

5 胡瑾瑜;基于能量协作的无线传感器网络若干关键技术研究[D];湖南大学;2018年

6 裴氏莺;无线传感器网络的定位算法研究[D];东南大学;2017年

7 贺维;无线传感器网络可靠性评估方法研究[D];哈尔滨理工大学;2018年

8 钱慕君;协作无线传感器网络中的传输能效性与安全性研究[D];南京邮电大学;2016年

9 闫雷兵;基于无线传感器网络的目标定位与跟踪技术研究[D];南京邮电大学;2017年

10 郭浩;无线传感器网络信息质量评估及能量优化[D];国防科学技术大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 冯皓宇;基于LoRa无线传感器网络的供水管道漏水MAC层协议研究[D];内蒙古大学;2019年

2 张晓璐;异质无线传感器网络中高能效路由协议研究[D];内蒙古大学;2019年

3 康婷;无线传感器网络节点定位算法研究[D];东北师范大学;2019年

4 汪昕;无线传感器网络节点定位算法研究[D];兰州理工大学;2019年

5 万叶晶;无线传感器网络能耗管理与应用研究[D];江西师范大学;2018年

6 郭雨;矿井无线可充电传感器网络的充电策略研究[D];中国矿业大学;2019年

7 王建华;煤矿井下应急救援无线传感器网络设计[D];中国矿业大学;2019年

8 苗欢欢;基于无线传感器网络的现代农业展示中心设计与实现[D];南京农业大学;2017年

9 汪洋;基于ZigBee无线传感器网络技术的厂区智能照明控制系统研究[D];浙江科技学院;2019年

10 张光跃;基于无线传感器网络的母猪产前行为监测系统研究与实现[D];南京农业大学;2017年

本文编号：2768725