无线可充电传感器与执行器网络移动能量补充机制研究

Wireless sensor and actuator networks (WSAN) have such characteristics of real-time response and action on the environment which are not belong to wireless sensor networks, but also suffer the same serious energy limited problems. Currently, the breakthrough of wireless charging technology provides a new important opportunity for solving the energy limited problem of WSAN. However, the wireless energy supplement problem of WSAN has not been addressed. Mobile energy supplement are a closely related key problem need to be resolved first while applying wireless charging technology to WSAN, and are also research topics in this project. We will take the autonomous mobility and collaborative communication and actuation characteristics of actuator into account, and propose proactive request strategy based on event driven to implement actuator energy supplement, loose cyclical charging strategy with preemption and actuator move destination planning strategy based on location problem to implement cooperative energy supplement of sensors and actuators under the condition of single-hop and multi-hop wireless charging respectively. And on the basis we will further consider the joint optimization of energy replenishment and data transmission mechanism which has a great influence on the node energy consumption, in order to improve the energy utilization and the energy replenishment efficiency on the whole.

无线传感器与执行器网络(WSAN)具有实时响应和主动改变环境等无线传感器网络并不具备的优点，但其同样面临着严峻的能量受限问题。当前无线充电技术的突破性进展对于解决WSAN的能量受限提供了新的重要契机，然而目前尚缺乏针对这一问题的深入研究工作。移动能量补充是高效应用无线充电技术构建高性能、可持续生存WSAN需要优先解决的关键问题，也是本课题研究的主要内容。我们将充分考虑WSAN中执行器自主移动、协同通信与任务执行等特性，提出基于事件驱动的前摄请求策略实现执行器能量补充，基于带抢断的松散周期性充电策略和基于选址问题的执行器移动目的地规划策略分别实现单跳和多跳无线充电条件下传感器与执行器的协同能量补充，以高效解决WSAN的移动能量补充问题。在此基础上考虑能量补充与对节点能耗有着重要影响的数据传输机制的联合优化，从整体上改善能量使用，进一步提高能量补充效率。

利用基于无线充电技术的移动充电装置(MC)为传感器和执行器节点补充能量，有望从根本上解决无线传感器与执行器网络(WSAN)的能量受限问题，相关研究工作的开展具有现实的社会需求和重要的学术价值。但由于无线充电的技术特点以及WSAN自身的特性，实现高效的WSAN移动能量补充也面临着诸多挑战。为解决上述问题，本项目中我们开展了以下主要研究工作：（1）针对具有自主移动性的执行器节点能量补充问题，我们设计了一种适用于WSAN特性的移动能量补充框架，提出了设计WSAN充电方案的两个原则，提出了一种基于虚拟力的无线传感器与执行器网络移动能量补充以实现对执行器节点的高效能量补充；（2）针对单跳充电条件下传感器与执行器协同能量补充问题，我们提出了一种基于混合模式的无线传感器与执行器网络移动能量补充方案、一种基于充电上限与顺序调整的无线传感器与执行器网络移动能量补充方案；（3）针对多跳充电条件下传感器与执行器协同能量补充问题，我们提出了多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法、基于谐振中继的无线传感器与执行器网络多跳能量补充方案，以及基于聚类的无线传感器与执行器网络多跳能量补充方法；（4）针对与数据传输进行联合优化的移动能量补充，我们提出了基于虚拟骨干网的无线传感器与执行器网络移动能量补充、基于强化学习的无线传感器网络移动能量补充方案。通过对上述关键问题的深入研究，项目组取得了将移动能量补充技术应用解决WSAN 能量和性能受限问题方面的阶段性研究成果。对照项目申请书和计划任务书，已按期完成了预定的研究目标和任务。.作为上述研究工作成果的体现，本项目共发表学术论文25篇，其中SCI收录6篇，EI收录7篇，国内核心期刊论文6篇，已录用待发表论文3篇。申请国家发明专利17项，其中已获授权的发明专利8项。获得授权软件著作权2项。依托本项目，培养教师4名，硕士生12名。