黃煜棟

一、目的和意義

隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)作為一種融合了感知、計(jì)算和通信等技術(shù)的新興網(wǎng)絡(luò)，以其低功耗、低成本、可分布式計(jì)算、自組織等特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知的一場(chǎng)變革，成為物聯(lián)網(wǎng)和物理信息系統(tǒng)的重要前端組成部分，不斷改變著人與物理信息世界的溝通方式，使得信息世界與物理世界的有機(jī)融合成為可能，從而被廣泛應(yīng)用于生態(tài)監(jiān)測(cè)、智能建筑、入侵檢測(cè)、智能交通、健康監(jiān)護(hù)、智能物流等領(lǐng)域。

二、國(guó)內(nèi)外研究水平綜述

2.1可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)硬件平臺(tái)

目前比較成熟的無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件平臺(tái)有Intel公司的WISP 平臺(tái)、密西根大學(xué)的UMich Moo平臺(tái)以及Powercast公司的POWERCAST平臺(tái)，下面本章將分別對(duì)這三個(gè)無(wú)線(xiàn)可充電平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)。

2.1.1WISP平臺(tái)

無(wú)線(xiàn)識(shí)別與傳感平臺(tái)WISP（Wireless Identification and Sensing Platform）是集傳感、識(shí)別、通信和計(jì)算為一體的硬件平臺(tái)，利用商用UHF RFID閱讀器，給WISP供電的同時(shí)讀取平臺(tái)上多種傳感器的數(shù)據(jù)?？沙潆姛o(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能量管理優(yōu)化

相比于傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠利用的能量更少，網(wǎng)絡(luò)對(duì)能量的補(bǔ)充與使用將直接影響網(wǎng)絡(luò)的壽命和性能。因此，理論研究領(lǐng)域大部分的工作都集中在能量管理優(yōu)化方面?？偨Y(jié)起來(lái)，前人的優(yōu)化策略分別從網(wǎng)絡(luò)的能量補(bǔ)充和使用兩個(gè)維度展開(kāi)，第一種策略強(qiáng)調(diào)如何高效地從環(huán)境中補(bǔ)充能量;而第二種策略則著重強(qiáng)調(diào)降低節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的能耗。主要方法有采用低功耗硬件設(shè)計(jì)、優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)的工作調(diào)度、設(shè)計(jì)低功耗通信協(xié)議、路由算法等。

2.1.2能量補(bǔ)充優(yōu)化

在無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如何為節(jié)點(diǎn)高效地提供能量是最重要的研究目標(biāo)之一。相關(guān)的研究按照能量源是否可移動(dòng)可分為兩類(lèi)：能量源靜態(tài)部署與能量源移動(dòng)規(guī)劃。

2.1.3能量使用優(yōu)化

由于可充電網(wǎng)絡(luò)的能量限制，除了在能量補(bǔ)充上進(jìn)行優(yōu)化外，許多學(xué)者還考慮在能量使用方面進(jìn)一步優(yōu)化。按照優(yōu)化目標(biāo)的不同，這一方面的工作可以分為滿(mǎn)足通信需求和最大化網(wǎng)絡(luò)壽命兩類(lèi)。

三、項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和實(shí)施方案

3.1主要研究?jī)?nèi)容

3.1.1可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能量管理與網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究

（1）研究可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的能量管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量監(jiān)視與協(xié)調(diào)管理

（2）研究適應(yīng)能量動(dòng)態(tài)變化的可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

（3）研究可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能量源部署方案及移動(dòng)控制策略

3.1.2可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能量供給技術(shù)研究

（1）調(diào)研分析磁感應(yīng)、磁諧振、射頻、激光等無(wú)線(xiàn)供能技術(shù)和工頻電磁場(chǎng)取能、溫差取能、震動(dòng)取能等多種能量收集技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及適用場(chǎng)景

（2）研究可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的集成多種取能技術(shù)的混合式能量供給技術(shù)，設(shè)計(jì)瓦級(jí)、毫瓦級(jí)和微瓦級(jí)的混合式能量供給策略

（3）研究微能量電源管理技術(shù)，研制微能量電源管理模塊

3.1.3可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)開(kāi)發(fā)及試點(diǎn)驗(yàn)證

（1）研究可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)在輸電線(xiàn)路在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、配電網(wǎng)線(xiàn)路故障檢修等典型應(yīng)用場(chǎng)景中的應(yīng)用模式及其部署方案

（2）研制集成混合能量供給方式的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)樣機(jī)，構(gòu)建可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

（3）選取典型變電站，開(kāi)展可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)系統(tǒng)試點(diǎn)驗(yàn)證

3.2項(xiàng)目研究方法和具體實(shí)施方案

3.2.1可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能量管理與網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究

（1）可充電傳感器節(jié)點(diǎn)能量管理機(jī)制研究

傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)能量收集技術(shù)從環(huán)境中不斷獲取能量來(lái)克服其電池總能量受限問(wèn)題，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期有效地工作提供了可能。然而，由于從環(huán)境中獲取的能量具有時(shí)變特性，如何利用可獲取的能量來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)性能成為可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題?，F(xiàn)有的能量管理技術(shù)主要基于已獲取的能量從網(wǎng)絡(luò)性能的角度出發(fā)管理節(jié)點(diǎn)的能量，缺乏對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)際能量消耗的監(jiān)視與協(xié)調(diào)管理，限制了網(wǎng)絡(luò)性能。因此，本項(xiàng)目建立節(jié)點(diǎn)能量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，實(shí)現(xiàn)其預(yù)期目標(biāo)。

（2）可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)研究

路由策略作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)收集的重要一環(huán)，與節(jié)點(diǎn)的能量消耗息息相關(guān)，一定程度上決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。在可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量受所獲取能量和電池能量狀態(tài)的限制，因此路由策略的選擇必須根據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量以及網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。如何利用所獲取的能量來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化路由策略從而最大化可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)性能是該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的極其重要的一類(lèi)研究問(wèn)題。

（3）研究可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)能量源部署方案及移動(dòng)控制策略

此前可充電無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中能量源部署與移動(dòng)控制策略均基于很強(qiáng)的假設(shè)，而如果想要將可充電傳感技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合，并真正應(yīng)用起來(lái)，需要在理論研究中不斷克服硬件的物理局限。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求，本項(xiàng)目主要研究在電網(wǎng)系統(tǒng)的輸配電端的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的部署問(wèn)題。在電力電網(wǎng)的應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的、節(jié)能的、可靠的和低成本的遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須合理地部署在待檢測(cè)區(qū)域，同時(shí)采用有效地檢測(cè)方式，將所需求的數(shù)據(jù)采集到。

故障檢測(cè)：據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年在美國(guó)由于設(shè)備故障原因而造成的經(jīng)濟(jì)損耗為790億美元，這相當(dāng)于整個(gè)電力零售行業(yè)收入總和的二分之一，因此電力故障對(duì)社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)都帶來(lái)嚴(yán)重的后果。故障無(wú)法檢測(cè)出的根本原因是缺少自動(dòng)化的分析和可見(jiàn)性很差。因此，電力系統(tǒng)急需先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)減少故障的發(fā)生并提高系統(tǒng)的可靠性。而無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的部署將有助于故障檢測(cè)。

地下線(xiàn)纜系統(tǒng)監(jiān)測(cè)：架空輸電線(xiàn)系統(tǒng)、地下線(xiàn)纜系統(tǒng)的關(guān)鍵連接點(diǎn)和終端會(huì)發(fā)生很多故障。然而，由于惡劣的地下環(huán)境，監(jiān)測(cè)與維護(hù)地下線(xiàn)纜就變的更難了。WSN能夠大幅減少地下線(xiàn)纜系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的開(kāi)銷(xiāo)，并為地下線(xiàn)纜提供更準(zhǔn)確的狀態(tài)信息。

導(dǎo)體溫度和動(dòng)態(tài)熱定值系統(tǒng)：電力公司很在意電纜的溫度是因?yàn)檫@能衡量對(duì)線(xiàn)纏的利用是否達(dá)到最優(yōu)。負(fù)載容量是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)之一，與線(xiàn)繩導(dǎo)體溫度有著直接的關(guān)系。用智能傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量線(xiàn)纜導(dǎo)體溫度是一種性?xún)r(jià)比很高的、可靠和靈活的解決方法。

以上是電力系統(tǒng)中WRSN系統(tǒng)部署環(huán)境的分析，如何在這些典型的應(yīng)用場(chǎng)景中部署和應(yīng)用無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是本項(xiàng)目重點(diǎn)研究的內(nèi)容。本項(xiàng)目將分析多種部署方案，并根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合分析比較，為每個(gè)不同的應(yīng)用場(chǎng)景定制不同的解決方案。

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