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无线可充电传感器网络

  • 作 者:林志贵
  • 策划编辑:刘玉芳
  • 书代号:621400
  • I S B N:978-7-5606-5912-1
  • 出版日期:2021-02
  • 印刷日期:2021-02
  • 业务分类:专著;
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本书从网络基础、一对一和一对多充电方式三个层面系统地介绍磁耦合谐振无线传能基本原理、无线可充电传感器网络结构及充电调度算法,具体包括磁耦合谐振无线传能原理、节点互感对能量传输的影响、无线可充电传感器网络的构建、节点充放电方式、充电簇和网络节点剩余能量模型、充电簇划分模型、单因素或多因素对能量分配的影响、一对一方式下的能量调度算法、一对多方式下的能量调度算法等。本书概念清晰,基础与前沿相结合,系统性与新颖性相结合,是一本比较全面、系统的无线可充电传感器网络技术专著。

本书可作为电子信息类专业的大学本科高年级学生和研究生教材,也可供无线传感器网络研究和工程应用专业技术人员与研究人员参考。

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象信息,并对这些信息进行处理,获得详尽准确的信息,最后传送给用户。互联网和4G/5G网络的广泛应用, 极大地丰富了人类的感知能力和范围。作为物联网的重要组成部分,无线传感器网络实现了感知数据的采集、处理和传输功能,直接推动了物联网的发展。

传感器节点成本低廉,组网方便,在无线传感器网络中得到广泛应用。随着无线传感器网络应用领域的扩大,应用环境日趋复杂,网络规模越来越大,而传感器节点能量有限,降低了网络的可靠性,甚至阻碍了无线传感器网络的应用。无线传能技术的发展,为解决无线传感器网络能量瓶颈问题提供了一个新途径:将无线传感器网络与无线传能技术结合,构成了无线可充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Networks, WRSN)。无线可充电传感器网络具有无线传感器网络的功能以及独特的能量补充功能,保证了网络能量的稳定性,进而保障了网络的稳健性。

无线可充电传感器网络(WRSN)虽然脱胎于无线传感器网络,但不是无线传感器网络与能量传输的简单叠加。能量补充带来了一些问题(如当多个节点需求能量补充时,携带有限能量的可移动节点如何为节点补充能量),关系到能量补充的及时性以及网络能量的均衡性。能量补充涉及传统无线传感器网络节点部署、路由协议、拓扑结构变化等问题,因此,无线可充电传感器网络的理论基础、网络架构及能量传输和调度具有自身特点。

本书从网络基础、一对一充电网络和一对多充电网络3个方面系统地介绍无线可充电传感器网络。网络基础部分(第2~6章)主要阐述磁耦合谐振无线传能的理论基础,搭建基于磁耦合谐振的无线可充电传感器网络,分析网络充放电方式及特点,构建网络的剩余能量模型以及充电簇模型,为后续的充电调度打下基础。一对一充电网络部分(第7~9章)主要分析网络在一对一充电方式下如何进行可充电能量分配问题,通过划分充电簇,规划设计能量分配算法。一对多充电网络部分(第10~15章)分析影响能量无线传输效率的因素,根据影响因素将待充电节点划分为充电组,组内实现一对多充电。当多个充电组需要补充能量时,应根据充电组能量需求、充电组与携带能量移动节点间距离等因素,设计充电组能量调度算法。当网络规模巨大时,通常一个携带能量移动节点很难满足网络能量需求,需要多个携带能量移动节点协同完成,这就涉及确定携带能量移动节点数目,设计相应的充电调度算法。

全书共分为15章。第1章介绍无线可充电传感器网络基本概念、研究现状、关键技术以及存在的问题和进一步研究展望;第2章分析磁耦合谐振无线传能电路模型及其特点;第3章阐述基于磁耦合谐振的无线可充电传感器网络体系结构以及各个组成部分;第4章分析传感器节点充放电方式,为选择合理的充放电结构提供理论实验依据;第5章对充电调度的基本单元充电组和充电簇进行建模;第6章从网络节点能量消耗和预测两个角度构建网络剩余能量模型;第7章依据网络节点分布,构建充电簇模型;第8章分析周期性充电需求特点,设计按需充电分配算法;第9章依据网络节点剩余能量、位置等信息,确定节点、充电簇充电需求等级,设计充电次序调度算法;第10章在单因素对无线传能影响基础上,分析节点间距离、角度、高度对节点能量传输效率的影响; 第11章在一对多充电方式下,分析双因素对网络节点能量分配的影响;第12章依据节点能量需求,构建充电组能量分配算法;第13章以充电组为单元,构建网络充电簇能量调度算法;第14章从网络全局能量和局部能量平衡角度出发,确定网络携带能量移动节点数目,分析多个携带能量移动节点的无线可充电传感器网络;第15章基于模拟退火思想,构建充电调度算法。

本书力图由简单到复杂、由基础到前沿,系统地阐述无线可充电传感器网络的组成、结构、特点以及研究方向。对于无线可充电传感器网络中的能量补充,从基础的磁耦合谐振无线传能原理、结构到影响传能因素(充电组、充电簇),以及从一对一到一对多充电方式进行全面系统的分析,为研究无线可充电传感器网络提供全方位和多视角的支持,也为进一步研究无线可充电传感器网络提供方向指导。

在此谨向帮助和参与本书相关研究工作的所有同仁表示感谢。刘英平老师和孟德军老师曾对书中的研究内容提出中肯的意见,使得有关问题研究得到了满意结果。刘英平老师审阅了全书全稿,研究生王凤茹、程晓伟、周轶恒、杜春辉、刘晓峰、张晓峰、张国焘等参与了部分研究工作。在本书著述过程中参阅了大量研究资料,在此向书中已列出和未列出所有文献资料的作者表示敬意,同时,向长期以来一直默默支持我们研究工作的亲友表示深深的感谢。

本书理论体系完整,材料取舍得当,适合于电子信息类的大学本科高年级学生和研究生学习参考,也可供从事无线传感器网络研究和工程应用的专业技术人员参考。尽管我们作出了最大努力,但是由于撰写水平有限,本书的疏漏和不妥之处在所难免,敬请广大读者批评指正,我们将深表谢意。

作 者

2020年5月于天津工业大学

本书是从能量补充角度阐述无线可充电传感器网络的著作。全书从网络基础、一对一和一对多充电方式三层面系统地介绍磁耦合谐振无线传能基本原理、无线可充电传感器网络结构及充电调度算法。本书内容深入浅出、概念清晰,基础与前沿结合,系统性与新颖性相结合,是一本比较全面、系统的无线可充电传感器网络技术专著。本书可作为电子信息类专业的大学本科高年级学生和研究生教材学习参考,也可供从事无线传感器网络研究和工程应用的专业技术人员与研究人员参考。

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