无线传感器网络能量优化策略综述

无线传感器网络有机融合计算机网络、通信网络和物理感知网络,实现物理世界与信息世界的信息交互和动态控制,被认为是引领经济发展和社会进步的创新型技术.在无线传感器网络中,传感器节点由能量有限的电池供电,而大部分节点部署在复杂的环境中,更换电池或者给电池充电是不现实的.为了合理有效利用有限的能量以延长无线传感器网络的生命周期,实现能量的高效利用是无线传感器网络应用的主要目标.从无线传感器网络的单个节点和整个网络两个方面论述了目前国内外有关能量优化策略研究,并分析了目前国内外具有代表性的降低能耗的协议及算法.     

具有能量补给的无线传感器网络能量感知路由算法

为适应新能源条件下无线传感器网络的能量补给特点,根据节点自身能量起伏变化和能量补给的速率等特点,提出了一种考虑能量补给因素的无线传感器网络能量感知路由算法——PHEA.PHEA将传感器节点从周围环境中获取能量的因素考虑进路由算法中,并使用信息融合D-S证据理论算法选择下一跳节点,使得能量消耗能够平均分配到整个网络中.仿真结果表明,算法改善了能量补给因素条件下无线传感器网络中的能量消耗的均衡特性,延长了网络的生命周期,与经典能量感知路由算法EA相比,PHEA的性能高50%左右。     

无线传感器自然能量供电设计及实验分析

针对充电传感器节点在低自然能量环境下稳定持续工作问题进行研究和实验分析.基于干电池和充电电池的特性,采用充电电池、干电池、太阳能板组合供电方式,配合能源管理模糊策略,设计出适用于低自然能量环境的可充电传感器节点及相应的网络平台,在室内和室外进行了谊节点和常规可充电传感器节点的对比实验.验证了该设计对解决无线传感器网络节...     

能量有效的无线传感器网络无标度拓扑模型

针对无线传感器网络节点能量有限且易失效的问题,利用复杂网络理论提出了一种能量有效的无线传感器网络无标度拓扑模型. 该模型通过节点的剩余能量约束节点的发射半径,在拓扑演化过程中充分考虑节点剩余能量和节点度等因素,并引入能量调节参数和节点度调节参数,得出了一种幂率指数可以在[3,+∞)调节的无标度拓扑结构. 动态分析和仿真实验结果表明,该模型具有无标度网络的幂率特性,且具有较好的容错性和能耗均衡的特点.     

矿井WSN自适应能量有效及能耗均衡的数据收集方法

针对目前井下传感器网络不能同时兼顾节点能量效率和能耗均衡性的问题,在混合通信方式基础上提出一种矿井无线传感器网络（WSN）自适应能量有效及能耗均衡的数据收集方法（AEBADA）.首先通过比较分析确定了检测区域内环形宽度和节点最小通信半径,而在选择转发节点时不仅考虑节点距离和剩余能量,还包括链接的可靠性以及候选节点的邻居节点数目.仿真结果表明,相比同类混合通信方式和其他典型数据收集方法,AEBADA在节点效率和能耗均衡性以及路由可靠性方面优势明显,不受节点密度和分布状况影响,适用于井下通信环境.     

基于自适应蚁群算法的无线传感器网络能量优化

当能量受限时如何降低节点功耗,是无线传感器网络需要解决的首要问题.为解决这一问题,提出了一种基于自适应蚁群算法的无线传感器网络能量优化方法,该方法鲁棒性强、易于并行计算.在对无线传感器的能量优化中,采取了动态概率选择、优化信息素矩阵和遗传变异相结合的过程.通过蚂蚁在不同数量下,传感器节点的最优路径寻找研究对比表明,自适应蚁群算法的总能耗较低,网络节点的生存能力较强,同时,传递数据的总延时较短.     

基于能量变化和检测概率的传感器网络调度机制

提出了一种基于能量变化和节点检测概率信息的传感器网络调度机制,该机制依据网络节点能量变化量调节调度周期,引入了节点检测概率模型调整调度以提高网络数据收集准确性. 仿真实验验证了机制的优越性及可靠性。     

基于邻居筛选的质心迭代定位算法

无线传感器网络在经济、环境、军事等领域有着非常重要的价值和潜力,而节点自身定位问题是传感器网络的一个基本问题。该文对无线传感器网络中传统的DV-HOP节点定位算法存在的问题进行了分析;给出了筛选节点邻居算法减少消息发送的数量,节省了节点能量。并提出了一种新的质心迭代定位算法,有效控制了传统定位算法中不可定位节点的数量和定位误差。对于路由选择和数据融合有重要的作用。     

基于能量异构网络环境下的WSN优化成簇算法

在能量异构无线传感器网络中,节点的初始能量在一定的范围内随机分布,负载均衡和降低能耗是传感器网络成簇算法的一个重要挑战．提出了适用于能量异构网络环境下的传感器网络生存时间优化成簇算法SNLOC（Sensor Network Lifetime Optimization Clustering Algorithm）,该算法通过构造基于节点剩余能量的簇首选择机制和基于综合代价函数的簇域划分机制,在有效保证节点能量损耗公平性的同时逐渐降低网络节点间的能量差异,很好地延长了网络生存时间．模拟实验结果显示,在能量显著差异的网络环境中,SNLOC可以更好地实现负载均衡,极大地提高网络的生存时间．     

采用免疫遗传的无线传感器网络波束成形机制

针对无线传感器网络中单个节点能量和通信距离有限的特点,提出了一种基于免疫遗传的波束成形机制.首先分析了存在相位差的情况下的节点发射系数和选取节点数对系统能耗的影响;然后根据节点的剩余能量和相位结合旋转因子来循环选择参与发射的节点,并引入免疫遗传算法对各节点的发射系数进行调整.理论分析和仿真结果表明,该机制有效均衡了节点间的能耗,延长了网络寿命.     

Optimization of cantilevered piezoelectric energy harvester with a fixed resonance frequency

Piezoelectric energy harvesting is widely used to scavenge vibration energy in the environment.For some vibration sources with fixed frequency,cantilevered harvester can generate the energy effectively,so the optimization theory for cantilevered harvester in such an application is needed.In this article,we present the theoretical and experimental studies of the cantilevered piezoelectric energy harvester with a fixed resonance frequency.An analytical model based on energy method is used to estimate the open-circuit voltage and generated energy.Considering that the harvester may be subjected to the static force or steady-state sinusoidal vibration excitation,static and dynamic analysis is performed for device structure to achieve efficient energy.In the analysis,the effects of geometrical dimension on the energy harvesting performance are discussed comprehensively.Eventually,a prototype is designed and fabricated using(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)single crystal with ultrahigh piezoelectric properties and coupling factor.Performances of the cantilever with different clamped length are evaluated under sinusoidal vibration excitation,proving the good consistency between experimental results and theoretical prediction.The established analysis can provide useful guidelines for the structure design of cantilevered piezoelectric energy harvester with a fixed resonance frequency.     

基于磁悬浮结构的人体动能采集技术

设计基于磁悬浮结构的电磁能量采集装置,该装置可佩戴于使用者的腕部、肘部和脚踝处,收集人体运动过程中产生的动能. 概述现有的可用于振动能量采集的多种能量采集技术,利用惯性传感器对实验者运动时的关节加速度及角速度进行测量,对磁悬浮结构的非线性能量采集工作原理进行理论分析. 运用有限元工具对振动时结构周边的磁场分布和磁力线变化进行仿真研究,并通过振动实验平台验证装置的共振频率和电压输出范围. 当使用者佩戴该装置进行测试时,装置输出的电压及功率随运动速度的增加而增加,在8 km/h的运动条件下,腕部、肘部和踝部所能俘获的最大瞬时功率分别为0.60、0.30、0.58 mW. 实验结果表明,基于磁悬浮互斥结构的电磁能量采集装置能有效采集人体动能,并为可穿戴传感器等低功耗设备供能.     

移动边缘计算中基于能量收集的能效优化方案

移动边缘计算（MEC）系统中密集的计算任务卸载使得资源受限的终端设备能量效率低,能量服务单一,对此,提出了一种基于能量收集的系统能效优化方案.该方案首先在满足卸载发送功率限制等约束条件下,分析了能量收集状态及用户功率分配,建立了最大化系统能效的联合优化模型;其次,利用广义分数规划理论将卸载能效转化为标准凸优化问题,并通过构建拉格朗日函数对目标函数进行迭代优化,获得最优的能量指示变量和功率分配.仿真结果表明,所提方案可以有效提升MEC系统中的用户能量效率,同时保证了用户服务质量,实现了绿色通信.     

大规模天线下能量广播方法

为了提高大规模天线能量广播系统的平均用户能量收获效用,在采用最大比传输预编码下,利用大规模天线的性质推导了单能量源场景的最优功率分配方案,利用小区间干扰提出了多能量源协作传输方法,并给出了协作能量传输的最优功率分配方案.仿真结果表明,在单能量源中,所提功率分配方案的性能好于等功率分配方案的性能,协作能量传输方案的性能优于非协作能量传输方案的性能.     

微型压电能量收集器的研究现状和发展趋势

综述目前微型压电能量收集器的研究现状,包括压电材料、能量收集器结构类型、结构优化技术、能量收集接口电路和典型应用,详细介绍压电悬臂式结构.最后对微型压电能量收集器的发展趋势提出看法.     

车载传感器压电和电磁混合式自供电技术

研究了一种用于车载传感器自供电的压电和电磁复合式能量收集技术,给出了系统的数学模型,分析了系统共振频率与系统结构参数的关系,设计了一套压电和电磁复合式能量收集装置.实验结果表明,数学模型基本反映了系统的输出特性,在共振频率为18 Hz,加速度为0.5 g时,复合式能量收集装置的最大负载功率为3.75 mW,相比于采用单一电磁技术时的最大负载功率3.2 mW增加了17%.     

Research on a tensegrity parallel mechanism for wave energy harvesting

To solve the problem that the conventional floating wave power device can not transform the rotational kinetic energy into electric energy, a novel wave energy harvesting device based on tensegrity parallel mechanisms is proposed. The dynamic model of the novel device is developed on the basis of Airy's linear wave theory and Lagrange's equation. Then, the kinematic and dynamic analyses of the float are made. Afterwards, the efficiency of the novel wave energy harvesting device and conventional floating wave power device is computed and compared. The results indicate that the efficiency of energy harvesting of the proposed device is higher than that of the conventional floating wave power device. Moreover, the ability of the proposed device to resist destructive water waves is better than that of the conventional floating wave power device.     

智能电网时变电价下基站的动态能量管理

对于具有能量收集装置的基站,由于收集的能量具有随机性,为保证基站稳定运行,在智能电网作为基站能源补充的情况下,基于排队论和Lyapunov优化方法提出了基站非弹性能量需求和弹性能量需求2种情况下的动态能量管理算法.运用所提算法,基站可根据系统状态动态地选择在电价低时从智能电网适当购买能量存储在充电电池中,以备将来电价高且收集的能量不能满足需求时使用,从而减小基站的能耗成本.所提的动态能量管理算法复杂度低,不需要能量收集、基站能量需求、时变电价的先验统计信息.理论分析结果表明,所提算法可使基站的能耗成本无限接近最优值,且保证弹性能量需求情况下的时延不超过可容忍的期限.仿真结果验证了所提算法的有效性和电池容量大小对算法性能的影响.     

中深层地热+多能互补供热系统在冀南某大学的应用研究

为解决传统单一供热形式能源利用效率较低，环境与经济方面存在诸多不足等问题，考虑将可再生能源的绿色可持续性与常规能源的稳定性进行有机结合，以冀南地区某大学校区中深层地热能+多能互补供热项目为例，介绍了该项目概况、供能方案以及能源站建设，并对系统运行与测试数据进行了整理分析。结果表明：该系统运行效果良好，年节省标准煤20 860 t，年减排二氧化碳54 650 t，减排硫化物175 t，减排氮氧化物154 t，减排废渣约210 t，经济环境效益显著。     

基于GSM-MBM的无线携能协作系统性能分析

为了提高无线携能（SWIPT）空间调制协作系统的信息传输效率,对系统中继端信号处理方式进行了改进,提出了基于广义空间媒介调制（GSM-MBM）的无线携能协作系统.在中继处激活多根天线,并在天线附近安装射频镜,通过激活不同射频镜的方式构建不同信道路径,以此来携带额外的信息比特.通过理论推导出系统传输效率、平均成对错误概率和能耗增益,并进行了蒙特卡罗仿真.仿真结果显示,与单输入多输出媒介索引调制-SWIPT、基于媒介空间调制-SWIPT系统相比,新方案不仅提高了传输效率,而且还降低了误码率和能耗;与空间调制-SWIPT系统相比,在相同传输效率下误码率略高,但所需的发射天线数大幅度降低,从而降低了系统实现的复杂性和成本.