部分可充电的无线传感器网络的布置、路由和无线充电

Wireless sensor networks are valuable in various domains and thus received many interests in recent years. However, the sensor networks are not dominating in markets due to energy deficiencies. The emerging wireless charging technique offer us new hopes in solving this problem. This project investigates applying wireless charging techniques into wireless sensor networks, to conquer the energy deficiencies in sensor networks. Recent studies on wireless rechargeable sensor networks assumed that all sensor nodes in the networks are rechargeable. This project is distinguished from all the recent studies: we consider a partially-rechargeable sensor network, wherein both rechargeable nodes and non-rechargeable nodes coexist. Both topographic limitations and man-made deployment can lead to such a situation, and thus this kind of network is quite important. This project focuses on the network deployment, routing, and charging path planning problems of partially-rechargeable sensor networks. It aims to design simple and efficient algorithms to balance and satisfy metrics such as network lifetime, financial budget, and routing stretch. This project can provide solid foundations for solving the energy deficiencies of wireless sensor networks and extending the usage of wireless charging techniques.

无线传感器网络应用前景广阔，是近年来的研究热点。虽然它备受关注，却由于能耗成本过高一直难以普及。无线充电技术的出现有望突破这个难关。本项目研究应用无线充电技术对无线传感器网络充电，以解决它不方便充电和更换电池的难题。最近几年对于无线可充电传感器网络的研究都假设网络中所有节点都可以充电，忽视了只有部分节点可以充电的网络。然而部分可充电网络不仅会因为地形限制的原因客观存在，也可以是考虑性价比的人为布置的结果，因此十分重要。本项目首次研究这种部分可充电的网络，并从网络布置、路由和充电路径规划问题等多个方面深入拓展，为部分可充电的无线传感网络提供完整的系统框架。本项目将为克服无线传感网络的能耗难题以及推广无线充电技术的实际应用提供重要的技术储备和理论依据。

物联网应用前景广阔，是近年来的研究热点。无线传感网络是物联网的重要组成部分。虽然它备受关注，却由于能耗成本过高一直难以普及。为了延长传感网络的生存周期，我们研究无线传感器网络维护/能量补充的路径规划和周期性调度的联合设计问题。此前的研究通常采用依次访问传感器节点并充电的策略。然而，这种方法效率低，因为它通常会产生相当大的充电等待时间。 我们首次提出使用携带多个便携式充电器的无人车对网络中的多个节点同时进行能量补给。这种并行充电模式显著减少了每个节点的等待时间，大幅提升效率。基于这种工作模式，我们研究了新颖的路径规划和周期性充电调度进行联合规划问题。在空间优化上，我们的基于聚类和嵌套集合旅行商算法的方案能高效的解决无线传感器网络维护中多充电器布置和回收的路径规划问题。在时间优化上，我们设计了基于时间槽的周期性充电的调度算法。..在研究传感网能量补给与维护的过程中，我们发现如果采取无人机作为平台，有巨大的优势。因此，我们也研究了利用无人机这一新颖平台对物联网进行数据收集和维护。我们发现，无人机的航程和通信距离十分有限。因此，通常人们使用车辆和无人机协同（车-机协同）来克服距离的限制，使其更加实用。高效的车-机协同能极大的优化时间、节省费用。然而，之前在研究中通常只考虑了一架无人机，无法同时为区域内的多个目标提供服务。使用多架无人机并行服务多个目标可以显着提高效率。因此，我们提研究了新颖的的车辆-多无人机协同的路由和调度联合优化问题并设计了2个算法。这类问题的难点在于我们既要考虑空间上的车辆、无人机的路径规划，即2层车辆路径问题，同时也要考虑时间上的车辆、无人机的同步调度。..最后，我们的项目按计划完成，并获得了丰硕的成果。我们在国际一流（中科院1区、2区）的SCI期刊上发表论文6篇。其中5篇的基金资助的第一标注为本项目。本项目的主持人是其中4篇的第一作者、通信作者。