摘 要无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）是目前信息网络领域中的研究热点之一，它的推出与发展对人们生活的各个方面产生了极大的影响。无线传感器网络具有大规模、自组织、动态可靠等特征，在国防、工农业、城市管理、智能家居、医疗和环境等各个领域都有广泛的应用价值。虽然无线传感器网络的应用性非常广泛，但能量供应问题仍是对于无线传感器网络生命期的一个重大挑战。大多数无线传感器节点都是用电池充电的，而电池技术在体积效率方面的发展十分缓慢。所以，通过增大电池容量延长节点生命期的做法没有从实质上解决问题，而且电池的使用大大增加了系统的尺寸和成本。此外，由于特定网络区域中的传感器节点个数一般较多，部署区域环境复杂，所以通过更换电池来给传感器节点补充能源是不现实的。无线传感器网络解决了电池问题就可以得到永久的工作，而且可以免去更换电池的开支，这样的系统不仅可以适应严酷的环境，还可以给用户带来极大的方便。解决电池问题的方法，其一就是使用周边的能量资源，例如太阳能、风能、温差变化和生物化学变化等。这种方法可以有效的减小传感器节点的大小，但利用自然界的能量资源对环境因素的依赖性太高，不可确定性因素较多，所以系统的可靠性也比较低。另一种方法是感应能量传输，使用强耦合磁性共振将资源丰富的节点能量转移到资源匮乏的节点。感应能量传输已是一种有广泛应用的成熟的无线能量传输技术。但要在覆盖范围大、节点数目多的无线传感器网络中及时有效地控制充电节点为传感器节点电磁感应充电，就需要完善的充电算法。因此，我在此提出无线传感器网络充电算法的研究。在运用MATLAB工具下进行了大量的仿真试验，我分别研究了节点个数、驻留时间、充电器移动速度和移动间隔对SCAN、CIRCLE算法及其改进算法的充电效率和节点平均生命期的影响，通过比较不同影响因素对算法的各个性能指标的影响程度，从而评判出充电算法的性能优劣。
Key Words: Energy supply; node lifetime; charging algorithm目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 无线充电背景 1
1.3 课题的提出 2

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1.4 各个章节的安排 2
第二章 无线可充电传感器网络综述 4
2.1 无线可充电传感器网络的概念 4
2.1.1 无线Ad hoc网络 4
2.1.2 无线可充电传感器网络 4
2.2 无线可充电传感器网络的结构 4
2.3 无线可充电传感器网络的特点 5
2.4 无线可充电传感器网络的应用 6
2.4.1 军事应用 6
2.4.2 环境应用 6
2.4.3 医疗卫生应用 6
2.4.4 工业商贸应用 7
2.4.5 智能家居应用 7
2.5 本章小结 7
第三章 无线传感器网络节能供能方法 9
3.1 无线传感器网络的节点组成与能耗分析 9
3.2 无线传感器网络的节能方法 10
3.2.1 单个节点的节能优化 10
3.2.2 无线通信的节能优化 11
3.2.3 整个网络的节能优化 11
3.3 无线传感器网络的供能方法 12
3.4 本章小结 12
第四章 算法的理论分析与仿真实现 13
4.1 算法的理论分析 13
4.1.1 建立模型 13
4.1.2 SCAN算法的理论分析 15
4.1.3 CIRCLE算法的理论分析 19
4.1.4 充电模型的性能分析 21
4.2 仿真工具简介 22
4.3 算法的仿真实现 23
4.3.1 算法中关键参数的设置 23
4.3.2 SCAN算法的仿真实现 25
4.3.3 ISCAN算法的仿真实现 26
4.3.4 CIRCLE算法的仿真实现 27
4.3.5 ICIRCLE算法的仿真实现 28
4.4 本章小结 29
第五章 仿真结果分析与比较 30
5.1 性能的影响因子及评价指标 30
5.1.1 影响因子 30
5.1.2 评价指标 30
5.2 各影响因子对充电效率的影响 31
5.2.1 节点个数对充电效率的影响 31
5.2.2 驻留时间对充电效率的影响 32
5.2.3 扫描精度对充电效率的影响 33
5.2.4 移动速度对充电效率的影响 35
5.3 各影响因子对节点平均生命期的影响 36
5.3.1 节点个数对节点平均生命期的影响 36
5.3.2 驻留时间对节点平均生命期的影响 37
5.3.3 扫描精度对节点平均生命期的影响 38
5.4 扫描精度对各评价指标的影响 39
5.5 充电一次后网络收获的能量 42
5.6 对比结论 43
5.7 本章小结 43
第六章 总结与展望 45
6.1 论文总结 45
6.2 课题展望 45
参考文献 46
致 谢 49
毕 业 设 计（英文翻译） 50
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
无线传感器网络是21世纪影响人类生活的重大技术之一，它综合了传感器技术、微机电系统技术、分布式信息处理技术、网络通信技术等多种技术，是信息感知和数据采集领域中的一场革命[1,2,3,4,5]。无线传感器网络旨在提供一个有效的连接自然界和计算机界的桥梁，可广泛应用于国防军事、环境监测、医疗卫生和智能家居等各个领域，引起许多国家研究界的极大关注。
无线传感器网络节点一般通过一些容量很小的电池供电，能量的有限性很大程度的限制了传感器网络的生存期，也限制了无线传感器网络的发展。能量供应问题也是阻碍无线传感器网络长期有效发展的重大问题之一。能量保存、环境能量收集、更换电池等解决能量有限问题的方法都有它们的局限性。能量保存只能降低能量消耗的速度，并不能从根本上解决能量供应的问题；环境能量收集，例如太阳能、风能、物体振动等，这些自然界的能量虽然十分丰富但大多无法控制，譬如晚上我们就无法使用太阳能，所以使用自然界的能量来解决能量供应的问题可靠性较低；更换电池的方法只适用于传感器节点可被人或机器人定位并接触的传感器网络。对于那些传感器节点大规模部署、地处环境恶劣的无线传感器网络，通过更换电池来补充节点能量是不现实的。
解决了电池问题的无线传感器网络系统可以得到永久的网络工作，而且可以免去更换电池的开支，这样的系统不仅可以适应严酷的环境，而且可以给用户带来极大的方便。因此提出一种有效解决无线传感器网络能量供应问题的解决方法迫在眉睫。
1.2 无线充电背景
我们使用进行无线充电的技术有很多，其一是电磁波技术。电磁波技术通过多年的发展，理论基础比较深厚。采用微波技术进行供电时，能量转换的效率可以达到80%以上，微波传输供电在距离上可达到千米以上[6,7]。不过这项技术也有它的缺点。我们知道，电磁波有发散的特性，这导致未被接收天线接收的能量丢失有很多，从而致使能量传送效率较低。
其二是磁场谐振耦合技术[8]。这项技术最早于2007年提出，因为提出时间比较晚，所以该技术目前的理论发展还不够完善，现今只能用于1～2 m的短距离的传输，而且能量传输的效率时高时低，受频率影响较大。但磁场谐振耦合技术也有它特有的优点，它的基本原理和变压器相类似，而且它并不发射电磁波，所以对电子线路不会造成影响。此外，这项技术与微波技术相比还有一大好处，它对人体的伤害较小。
能量传输的方式还有很多，例如超声波、激光等[9]，但这些技术与之前提到的两种技术相比有很大的弊端，那就是对环境有很大的依赖，没有像微波技术和磁场谐振耦合技术那样应用广泛。所以，目前能量传输的焦点大多聚集在微波技术和磁场谐振耦合两个方向上。对于无线传感器网络来说，利用磁场谐振耦合技术来传输能量有更好的前景，这是因为该技术的成本较低，而且实现起来简单方便。
本文的充电模型采用了电磁感应充电的技术，在无线传感器网络中加入可移动充电节点，该节点在网络中移动为其他节点充电。因为该节点配有电磁感应充电设备，所以我们将其称为充电器。

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