可充电无线传感网关键技术研究及应用

黄煜栋

一、目的和意义

随着传感器技术、计算机技术、无线通信技术和低功耗嵌入式技术的飞速发展，可充电无线传感网作为一种融合了感知、计算和通信等技术的新兴网络，以其低功耗、低成本、可分布式计算、自组织等特点带来了信息感知的一场变革，成为物联网和物理信息系统的重要前端组成部分，不断改变着人与物理信息世界的沟通方式，使得信息世界与物理世界的有机融合成为可能，从而被广泛应用于生态监测、智能建筑、入侵检测、智能交通、健康监护、智能物流等领域。

二、国内外研究水平综述

2.1可充电无线传感网硬件平台

目前比较成熟的无线可充电传感器网络系统硬件平台有Intel公司的WISP 平台、密西根大学的UMich Moo平台以及Powercast公司的POWERCAST平台，下面本章将分别对这三个无线可充电平台的硬件基础。

2.1.1WISP平台

无线识别与传感平台WISP（Wireless Identification and Sensing Platform）是集传感、识别、通信和计算为一体的硬件平台，利用商用UHF RFID阅读器，给WISP供电的同时读取平台上多种传感器的数据。可充电无线传感网能量管理优化

相比于传统传感器网络，无线可充电传感器网络能够利用的能量更少，网络对能量的补充与使用将直接影响网络的寿命和性能。因此，理论研究领域大部分的工作都集中在能量管理优化方面。总结起来，前人的优化策略分别从网络的能量补充和使用两个维度展开，第一种策略强调如何高效地从环境中补充能量;而第二种策略则着重强调降低节点和网络的能耗。主要方法有采用低功耗硬件设计、优化传感器节点的工作调度、设计低功耗通信协议、路由算法等。

2.1.2能量补充优化

在无线可充电传感器网络中，如何为节点高效地提供能量是最重要的研究目标之一。相关的研究按照能量源是否可移动可分为两类：能量源静态部署与能量源移动规划。

2.1.3能量使用优化

由于可充电网络的能量限制，除了在能量补充上进行优化外，许多学者还考虑在能量使用方面进一步优化。按照优化目标的不同，这一方面的工作可以分为满足通信需求和最大化网络寿命两类。

三、项目研究内容和实施方案

3.1主要研究内容

3.1.1可充电无线传感网能量管理与网络路由技术研究

（1）研究可充电无线传感网的能量管理机制，实现网络节点能量监视与协调管理

（2）研究适应能量动态变化的可充电无线传感网网络路由技术

（3）研究可充电无线传感网能量源部署方案及移动控制策略

3.1.2可充电无线传感网能量供给技术研究

（1）调研分析磁感应、磁谐振、射频、激光等无线供能技术和工频电磁场取能、温差取能、震动取能等多种能量收集技术的技术优势及适用场景

（2）研究可充电无线传感网的集成多种取能技术的混合式能量供给技术，设计瓦级、毫瓦级和微瓦级的混合式能量供给策略

（3）研究微能量电源管理技术，研制微能量电源管理模块

3.1.3可充电无线传感网开发及试点验证

（1）研究可充电无线传感网在输电线路在线监测、变电设备状态检测、配电网线路故障检修等典型应用场景中的应用模式及其部署方案

（2）研制集成混合能量供给方式的无线传感网节点样机，构建可充电无线传感网实验平台

（3）选取典型变电站，开展可充电无线传感网系统试点验证

3.2项目研究方法和具体实施方案

3.2.1可充电无线传感网能量管理与网络路由技术研究

（1）可充电传感器节点能量管理机制研究

传感器节点通过能量收集技术从环境中不断获取能量来克服其电池总能量受限问题，为无线传感器网络长期有效地工作提供了可能。然而，由于从环境中获取的能量具有时变特性，如何利用可获取的能量来最大化网络性能成为可充电传感器网络设计中的一个关键问题，也是可充电传感器网络研究中的一个热点问题。现有的能量管理技术主要基于已获取的能量从网络性能的角度出发管理节点的能量，缺乏对节点实际能量消耗的监视与协调管理，限制了网络性能。因此，本项目建立节点能量的实时监测系统，同时设计相应的协调管理系统来优化网络性能，实现其预期目标。

（2）可充电传感器网络的路由技术研究

路由策略作为无线传感器网络中数据收集的重要一环，与节点的能量消耗息息相关，一定程度上决定了整个网络的性能。在可充电传感器网络中，由于传感器节点的能量受所获取能量和电池能量状态的限制，因此路由策略的选择必须根据节点的能量以及网络性能进行实时调整。如何利用所获取的能量来设计和优化路由策略从而最大化可充电传感器网络性能是该网络设计中的极其重要的一类研究问题。

（3）研究可充电无线传感网能量源部署方案及移动控制策略

此前可充电无线传感网中能量源部署与移动控制策略均基于很强的假设，而如果想要将可充电传感技术与其他技术结合，并真正应用起来，需要在理论研究中不断克服硬件的物理局限。

根据项目实际需求，本项目主要研究在电网系统的输配电端的无线传感器网络系统的部署问题。在电力电网的应用中，为了实现无缝的、节能的、可靠的和低成本的远程监控，無线可充电传感器网络系统必须合理地部署在待检测区域，同时采用有效地检测方式，将所需求的数据采集到。

故障检测：据统计，2002年在美国由于设备故障原因而造成的经济损耗为790亿美元，这相当于整个电力零售行业收入总和的二分之一，因此电力故障对社会生活和经济都带来严重的后果。故障无法检测出的根本原因是缺少自动化的分析和可见性很差。因此，电力系统急需先进的传感器和监测系统来减少故障的发生并提高系统的可靠性。而无线可充电传感器网络系统的部署将有助于故障检测。

地下线缆系统监测：架空输电线系统、地下线缆系统的关键连接点和终端会发生很多故障。然而，由于恶劣的地下环境，监测与维护地下线缆就变的更难了。WSN能够大幅减少地下线缆系统监测的开销，并为地下线缆提供更准确的状态信息。

导体温度和动态热定值系统：电力公司很在意电缆的温度是因为这能衡量对线缠的利用是否达到最优。负载容量是电力系统的关键参数之一，与线绳导体温度有着直接的关系。用智能传感器节点测量线缆导体温度是一种性价比很高的、可靠和灵活的解决方法。

以上是电力系统中WRSN系统部署环境的分析，如何在这些典型的应用场景中部署和应用无线可充电传感器网络系统将是本项目重点研究的内容。本项目将分析多种部署方案，并根据实际的应用场合分析比较，为每个不同的应用场景定制不同的解决方案。

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