能量捕获无线传感器网络中速率自适应路由算法

能量捕获无线传感器网络是无源感知技术中非常重要的一类,它能够有效解决节点能量受限的问题,保持网络运行的持续性.现有的路由方法并未充分利用节点的能量捕获特性,也没有考虑到链路的成功收包率和节点的传输速率.为进一步提高网络的性能,提出了一种结合链路成功收包率的速率自适应路由算法.通过对节点的剩余能量和链路的成功收包率进行建模,给出了一个节点可作为路由中继节点所需要满足的两个条件;基于优化方程,为传输路径上的每一跳节点自适应配置时延最小化的传输速率;提出路由发现步骤来找出端到端传输时延最小的传输路径.实验结果表明,相比于固定传输速率的路由算法,所提算法所得到的传输路径具有较低的端到端传输时延和较高的吞吐率.     

基于旋转门算法的自适应变频数据采集策略

针对无线传感器网络在监测类似室内或大棚等微气候环境数据时,传统的等间隔时间数据采集方法存在数据大量冗余、浪费网络带宽的问题,以及现有自适应变频数据采集策略仍然非常复杂的问题,提出一种基于旋转门算法的自适应变频数据采集策略,该策略根据旋转门算法能否“套住”数据以及能连续“套住”数据的次数,自适应地调整数据采集的间隔时间。仿真和实验结果证明,该策略与传统的等间隔时间数据采集方法相比,可以降低数据采集量76%以上,减少数据传输量90%以上。该策略具有创新性,实现简单,不仅可行,而且高效。     

无线传感器网络能量有效自适应频率控制算法

大多数文献都从无线传感器网络路由机制出发考虑节能问题,但是这种假设没有有考虑到在实际应用中传感器可能比无线通信元件消耗更多能量。从这种角度出发,提出了一种有效的传感器节点节能策略,这也关系到无线传感器网络生命周期的长短。利用自适应采样算法来来估计传感器在线最佳采样频率。设计了一种自适应测量系统使传感器能量消耗最小,同时数据采集维持在一个较高的精度。采用环境监控传感器作为研究案例,模拟实验表明相对于传统固定采样率方法这种自适应算法可以将数据采集量减少20%,并且无线传感器网络性能没有下降。     

基于人体能量的微传感器节点能量利用方法

计算技术、通信技术和微机电技术的快速发展为智能传感器网络的广泛使用提供了坚实的技术基础。能量供给技术是智能传感器网络的关键技术，因为只有长效、低廉的能量才能保证微传感器节点的正常运行和发挥其独特的作用。传统的电池供能技术已满足不了大规模传感器网络微节点对能量的需求。因此，需要研究新的节点能量供给方法和技术以满足微节点的特殊需求。本文讨论了基于微机电系统（MEMS）技术收集人体能量为微节点供能的方法，并给出了相应的计算模型，这些模型对传感器微节点的能源设计和智能传感器网络的广泛应用具有重要意义。     

一个新的基于能量和距离的传感器网络协议

分析了基于低能量自适应聚类层次(LEACH)协议等典型协议,提出了一个基于能量和到基站距离的分簇算法,并在簇首的数据发送中引入了改进的多跳路由算法,称为基于能量距离分簇(EDBCM)的多跳算法。仿真结果表明,新协议提高了基站接收到的数据量,延长了整个网络的寿命。     

基于自适应睡眠机制的WSN能量高效协议

由于无线传感器网络结点能量受限,高效的能量节省策略成为无线传感器研究的热点技术之一.通过分析无线传感器网络各层的能量高效解决方案,给出一种基于自适应睡眠机制的无线传感器能量高效协议.该方案根据剩余能量存储、地理位置信息以及邻近结点负载程度,采用可变睡眠持续时间机制来选择转发分组方式.与基于地理位置随机传播方案相比,提出的方案可以大幅节省网络结点能量,有效均衡网络能量消耗.因此,该方案能够显著延长整体网络寿命.     

基于光纤自适应耦合和自调谐的光纤光栅传感系统设计

针对光纤光栅传感系统应用中面临的应变弱和可靠性不稳定等问题,研究并设计了一种基于自适应耦合切换和自调谐光纤光栅传感系统;主要从事首先,基于光纤光栅的波长边化特点和多耦合特性设计了自适应耦合功能器件,并依据波长交叉点特性建立了长-短周期切换算法,然后考虑了波长对工作电压和耦合周期的影响特点,设计了支持自调谐功能的光纤光栅传感器及其调谐算法,最后给出了具有自适应多耦合切换和自调谐功能的光纤光栅传感系统;主要从事实验表明,在检测精度、抗干涉能力和应变能力等方面,所提方案表现出了明显优势.     

能量自适应的无线传感器网络分簇路由协议

为有效解决无线传感器网络中的"热区"问题,提出了一种能量自适应的非均匀分簇路由协议.协议采取非均匀的分簇结构,使靠近基站的簇范围减小到合理的范围,即在靠近基站的区域内,每个簇由较少的无线传感器节点构成,这些节点的主要工作是负责转发其它簇的信息,从而有效减少其能量消耗速率.同时,协议在通信路由的过程中还综合考虑了簇头与中转节点的距离以及中转节点的能量消耗率.实验结果表明,该协议有效解决了"热区"问题,并且延长了无线传感器网络的生命周期.     

基于节点双向选择的水声传感网络自适应能量优化分配

针对水下传感器网络节点能量负载不均衡以及水下节点路径传输损耗过大等问题,为了平衡网络的节点能量分配,提高网络能量的利用效率,提出了一种基于节点双向选择的水声网络自适应能量优化分配算法。基于节点的剩余能量情况提出下一跳候选节点的双向选择方法,防止剩余能量过低的节点在传送数据时由于传输损耗过大而中止,充分考虑节点剩余能量和传输损耗之间的权衡,提出了最优转发节点的竞争公式,再通过比较候选节点的竞争值来选举最佳的下一跳节点。实验仿真表明,自适应能量优化分配算法能够有效地提高水下传感器网络的能量利用效率,并通过与对比算法组的比较证明了算法在能量优化上的有效性。     

基于振动能量收集的传感器自供能技术研究

复合式能量收集技术是一种基于压电和电磁的传感器自供电技术.对复合式能量收集系统进行分析,给出系统的数学模型,讨论系统共振频率与系统结构参数的关系;设计了一种压电和电磁复合式能量收集装置,并进行实验验证.结果表明:给出的数学模型基本反映了系统的输出特性,在共振频率为18 Hz时,与单一型电磁技术实验在共振频率处得到的3.2 mW负载功率相比,复合式能量收集技术获得的最大负载功率3.8mW,增加了19％.     

Comparison of energy harvesting systems for wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSNs) offer an attractive solution to many environmental, security, and process monitoring problems. However, one barrier to their fuller adoption is the need to supply electrical power over extended periods of time without the need for dedicated wiring. Energy harvesting provides a potential solution to this problem in many applications. This paper reviews the characteristics and energy requirements of typical sensor network nodes, assesses a range of potential ambient energy sources, and outlines the characteristics of a wide range of energy conversion devices. It then proposes a method to compare these diverse sources and conversion mechanisms in terms of their normalised power density.     

A radio frequency and vibration energy harvesting antenna based on piezoelectric material

This article proposes a novel hybrid energy harvesting antenna that can be used to harvest radio frequency (RF) and vibration energy in ambience. A microstrip antenna is designed on the piezoelectric film with the material of polyvinylidene fluoride (PVDF). Due to the high dielectric constant of PVDF, the antenna size can be reduced efficiently. The shape of designed microstrip antenna is trapezoidal, the final antenna size is reduced to 50 mm × 30 mm × 0.2 mm. To improve the efficiency, the rectifier with matching network is optimized and the modes of the piezoelectric film are analyzed. The experimental results show that the frequency bandwidth of the antenna is 2.1 to 2.5 GHz. For a RF source at distance of 1 m away, with a 0.25 W EIRP 2.4 GHz transmitter, the output power of the antenna can reach 17.2 μW. While under 17 Hz vibration excitation, the output voltage and power can reach 1.44 V and 15.3 μW, respectively.     

基于无线传感器网络的压电能量收集技术

随着物联网的发展,多节点的传感器供电成为关键问题,由于环境中普遍存在低频振动,采用了压电悬臂梁结构,建立压电悬臂梁结构的电学模型,并进行了ANSYS的仿真,仿真得到电压76 V,约等于模型的理论值,验证了模型的正确性。进而继续研究了压电悬臂梁几何尺寸对固有频率的影响,振子越长,质量块越长,频率越低。从而收集低频振动环境中的能量,为传感器供电装置提供了设计的理论依据。     

恒定低温法在低湿区露点检测中的应用

在低湿区环境下的露点检测中,电容式露点传感器测量的频率与露点值呈现非线性,且受环境温度影响很大,此外,湿度越低,测量的分辨力也越低。采用了一种恒定低温方法来检测低湿区露点,即传感器的环境温度恒定保持在0℃以下,可大大提高低湿区的测量分辨力,再根据露点值与频率值间具有的确定的非线性关系,将采集的频率经牛顿插值计算后就可得到露点值。采用该方法大大提高了电容式露点仪在低湿区露点检测的分辨力,扩展了其测量范围。     

模糊PID在嵌入式冻结站变频节能中的应用研究

煤矿冻结法凿井流量控制一直采用人工阀门调节,技术落后、能耗大、稳定性差等问题日益凸显,为此提出利用变频控制取代阀门控制来调节冻结凿井盐水流量,利用先进的模糊自适应PID控制算法取代常规PID算法实现凿井智能变频控制,不仅有效地提高了变频控制的稳定性、准确性而且能极大程度地降低凿井能耗、节约凿井成本。实验和仿真结果表明,模糊PID变频控制比传统PID和专家PID超调量更小、动态适应性更强、鲁棒性更好;基于模糊PID的智能变频控制系统比传统阀门控制系统具有更高的控制效率和节能水平。     

基于模糊控制的自供能无线传感器网络分簇算法

现有自供能无线传感器网络（WSN）分簇算法较少考虑网络最优分簇数，导致网络能量消耗过快，全网能耗不均衡。针对这个问题，提出了基于模糊控制的自供能WSN分簇算法（EH-FLC）。首先，在网络能量消耗模型中引入太阳能补给模型，得出每一轮次网络能量总消耗与网络分簇数目的函数关系，并对其求导从而得到网络的最佳分簇数。然后，利用双层模糊决策系统来评定网络中的节点能否成为簇头节点。先将节点剩余能量、相邻节点数作为判定指标输入第一层（能力层）对所有节点进行筛选，得到备选簇头节点；再将中心度参数、邻近度参数作为判定指标输入第二层（协作层）对备选簇头节点进行筛选，得到网络簇头节点。最后，通过Matlab仿真分析了该算法的网络生存周期、网络能量消耗和网络吞吐量等性能指标，与低功耗自适应集簇分层型协议（LEACH）、改进的非均匀分簇路由算法（WUCH）和利用双层模糊控制的簇头选择算法（CTLFL）相比，该算法在网络工作寿命上分别提高了约1.4倍、0.4倍和0.6倍，网络吞吐量上分别提高了约20倍、1.5倍和1.28倍。仿真结果表明所提算法在网络生存周期和网络吞吐量方面的性能较优。     

Electromagnetic vibration energy harvesting device optimization by synchronous energy extraction

This paper investigates a new application of nonlinear techniques for vibration energy harvesting. The Synchronous Electric Charge Extraction (SECE) energy harvesting technique for piezoelectric generators is extended and adapted to electromagnetic generators. This new circuit, which is the dual of the SECE circuit, is named SMFE for Synchronous Magnetic Flux Extraction. A theoretical model is developed, and the harvested power is simulated. Comparisons with a classical energy extraction approach show that between 2.5 more power and 10% less power can be harvested, depending on the generator characteristics. It also allows the maximum power to be harvested whatever the value of the load. Finally, the SMFE circuit was embedded and tested on a simple centimeter-scale electromagnetic harvester. Measurements confirm the theoretical operating principle of the circuit.     

基于模糊控制的自供能无线传感器网络分簇算法

现有自供能无线传感器网络（WSN）分簇算法较少考虑网络最优分簇数,导致网络能量消耗过快,全网能耗不均衡。针对这个问题,提出了基于模糊控制的自供能WSN分簇算法（EH-FLC）。首先,在网络能量消耗模型中引入太阳能补给模型,得出每一轮次网络能量总消耗与网络分簇数目的函数关系,并对其求导从而得到网络的最佳分簇数。然后,利用双层模糊决策系统来评定网络中的节点能否成为簇头节点。先将节点剩余能量、相邻节点数作为判定指标输入第一层（能力层）对所有节点进行筛选,得到备选簇头节点;再将中心度参数、邻近度参数作为判定指标输入第二层（协作层）对备选簇头节点进行筛选,得到网络簇头节点。最后,通过Matlab仿真分析了该算法的网络生存周期、网络能量消耗和网络吞吐量等性能指标,与低功耗自适应集簇分层型协议（LEACH）、改进的非均匀分簇路由算法（WUCH）和利用双层模糊控制的簇头选择算法（CTLFL）相比,该算法在网络工作寿命上分别提高了约1.4倍、0.4倍和0.6倍,网络吞吐量上分别提高了约20倍、1.5倍和1.28倍。仿真结果表明所提算法在网络生存周期和网络吞吐量方面的性能较优。