可充電無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

黃煜棟

一、目的和意義

隨著傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，可充電無線傳感網(wǎng)作為一種融合了感知、計算和通信等技術(shù)的新興網(wǎng)絡(luò)，以其低功耗、低成本、可分布式計算、自組織等特點帶來了信息感知的一場變革，成為物聯(lián)網(wǎng)和物理信息系統(tǒng)的重要前端組成部分，不斷改變著人與物理信息世界的溝通方式，使得信息世界與物理世界的有機融合成為可能，從而被廣泛應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測、智能建筑、入侵檢測、智能交通、健康監(jiān)護、智能物流等領(lǐng)域。

二、國內(nèi)外研究水平綜述

2.1可充電無線傳感網(wǎng)硬件平臺

目前比較成熟的無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件平臺有Intel公司的WISP 平臺、密西根大學的UMich Moo平臺以及Powercast公司的POWERCAST平臺，下面本章將分別對這三個無線可充電平臺的硬件基礎(chǔ)。

2.1.1WISP平臺

無線識別與傳感平臺WISP（Wireless Identification and Sensing Platform）是集傳感、識別、通信和計算為一體的硬件平臺，利用商用UHF RFID閱讀器，給WISP供電的同時讀取平臺上多種傳感器的數(shù)據(jù)?？沙潆姛o線傳感網(wǎng)能量管理優(yōu)化

相比于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠利用的能量更少，網(wǎng)絡(luò)對能量的補充與使用將直接影響網(wǎng)絡(luò)的壽命和性能。因此，理論研究領(lǐng)域大部分的工作都集中在能量管理優(yōu)化方面?？偨Y(jié)起來，前人的優(yōu)化策略分別從網(wǎng)絡(luò)的能量補充和使用兩個維度展開，第一種策略強調(diào)如何高效地從環(huán)境中補充能量;而第二種策略則著重強調(diào)降低節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的能耗。主要方法有采用低功耗硬件設(shè)計、優(yōu)化傳感器節(jié)點的工作調(diào)度、設(shè)計低功耗通信協(xié)議、路由算法等。

2.1.2能量補充優(yōu)化

在無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如何為節(jié)點高效地提供能量是最重要的研究目標之一。相關(guān)的研究按照能量源是否可移動可分為兩類：能量源靜態(tài)部署與能量源移動規(guī)劃。

2.1.3能量使用優(yōu)化

由于可充電網(wǎng)絡(luò)的能量限制，除了在能量補充上進行優(yōu)化外，許多學者還考慮在能量使用方面進一步優(yōu)化。按照優(yōu)化目標的不同，這一方面的工作可以分為滿足通信需求和最大化網(wǎng)絡(luò)壽命兩類。

三、項目研究內(nèi)容和實施方案

3.1主要研究內(nèi)容

3.1.1可充電無線傳感網(wǎng)能量管理與網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究

（1）研究可充電無線傳感網(wǎng)的能量管理機制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量監(jiān)視與協(xié)調(diào)管理

（2）研究適應(yīng)能量動態(tài)變化的可充電無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

（3）研究可充電無線傳感網(wǎng)能量源部署方案及移動控制策略

3.1.2可充電無線傳感網(wǎng)能量供給技術(shù)研究

（1）調(diào)研分析磁感應(yīng)、磁諧振、射頻、激光等無線供能技術(shù)和工頻電磁場取能、溫差取能、震動取能等多種能量收集技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢及適用場景

（2）研究可充電無線傳感網(wǎng)的集成多種取能技術(shù)的混合式能量供給技術(shù)，設(shè)計瓦級、毫瓦級和微瓦級的混合式能量供給策略

（3）研究微能量電源管理技術(shù)，研制微能量電源管理模塊

3.1.3可充電無線傳感網(wǎng)開發(fā)及試點驗證

（1）研究可充電無線傳感網(wǎng)在輸電線路在線監(jiān)測、變電設(shè)備狀態(tài)檢測、配電網(wǎng)線路故障檢修等典型應(yīng)用場景中的應(yīng)用模式及其部署方案

（2）研制集成混合能量供給方式的無線傳感網(wǎng)節(jié)點樣機，構(gòu)建可充電無線傳感網(wǎng)實驗平臺

（3）選取典型變電站，開展可充電無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)試點驗證

3.2項目研究方法和具體實施方案

3.2.1可充電無線傳感網(wǎng)能量管理與網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究

（1）可充電傳感器節(jié)點能量管理機制研究

傳感器節(jié)點通過能量收集技術(shù)從環(huán)境中不斷獲取能量來克服其電池總能量受限問題，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期有效地工作提供了可能。然而，由于從環(huán)境中獲取的能量具有時變特性，如何利用可獲取的能量來最大化網(wǎng)絡(luò)性能成為可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，也是可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的一個熱點問題。現(xiàn)有的能量管理技術(shù)主要基于已獲取的能量從網(wǎng)絡(luò)性能的角度出發(fā)管理節(jié)點的能量，缺乏對節(jié)點實際能量消耗的監(jiān)視與協(xié)調(diào)管理，限制了網(wǎng)絡(luò)性能。因此，本項目建立節(jié)點能量的實時監(jiān)測系統(tǒng)，同時設(shè)計相應(yīng)的協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，實現(xiàn)其預期目標。

（2）可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)研究

路由策略作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)收集的重要一環(huán)，與節(jié)點的能量消耗息息相關(guān)，一定程度上決定了整個網(wǎng)絡(luò)的性能。在可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點的能量受所獲取能量和電池能量狀態(tài)的限制，因此路由策略的選擇必須根據(jù)節(jié)點的能量以及網(wǎng)絡(luò)性能進行實時調(diào)整。如何利用所獲取的能量來設(shè)計和優(yōu)化路由策略從而最大化可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)性能是該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的極其重要的一類研究問題。

（3）研究可充電無線傳感網(wǎng)能量源部署方案及移動控制策略

此前可充電無線傳感網(wǎng)中能量源部署與移動控制策略均基于很強的假設(shè)，而如果想要將可充電傳感技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合，并真正應(yīng)用起來，需要在理論研究中不斷克服硬件的物理局限。

根據(jù)項目實際需求，本項目主要研究在電網(wǎng)系統(tǒng)的輸配電端的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的部署問題。在電力電網(wǎng)的應(yīng)用中，為了實現(xiàn)無縫的、節(jié)能的、可靠的和低成本的遠程監(jiān)控，無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須合理地部署在待檢測區(qū)域，同時采用有效地檢測方式，將所需求的數(shù)據(jù)采集到。

故障檢測：據(jù)統(tǒng)計，2002年在美國由于設(shè)備故障原因而造成的經(jīng)濟損耗為790億美元，這相當于整個電力零售行業(yè)收入總和的二分之一，因此電力故障對社會生活和經(jīng)濟都帶來嚴重的后果。故障無法檢測出的根本原因是缺少自動化的分析和可見性很差。因此，電力系統(tǒng)急需先進的傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)來減少故障的發(fā)生并提高系統(tǒng)的可靠性。而無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的部署將有助于故障檢測。

地下線纜系統(tǒng)監(jiān)測：架空輸電線系統(tǒng)、地下線纜系統(tǒng)的關(guān)鍵連接點和終端會發(fā)生很多故障。然而，由于惡劣的地下環(huán)境，監(jiān)測與維護地下線纜就變的更難了。WSN能夠大幅減少地下線纜系統(tǒng)監(jiān)測的開銷，并為地下線纜提供更準確的狀態(tài)信息。

導體溫度和動態(tài)熱定值系統(tǒng)：電力公司很在意電纜的溫度是因為這能衡量對線纏的利用是否達到最優(yōu)。負載容量是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，與線繩導體溫度有著直接的關(guān)系。用智能傳感器節(jié)點測量線纜導體溫度是一種性價比很高的、可靠和靈活的解決方法。

以上是電力系統(tǒng)中WRSN系統(tǒng)部署環(huán)境的分析，如何在這些典型的應(yīng)用場景中部署和應(yīng)用無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是本項目重點研究的內(nèi)容。本項目將分析多種部署方案，并根據(jù)實際的應(yīng)用場合分析比較，為每個不同的應(yīng)用場景定制不同的解決方案。

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