无线移动充电车：一种为无线传感器充电的有效方法外文翻译资料

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无线移动充电车：一种为无线传感器充电的有效方法

摘要 本文的主要目标是对多个传感器节点进行无线充电。基于无线能量传输的磁耦合谐振是一种向无线传感器网络（WSN）提供能量的最新技术。但是，一次给一个传感器节点充电会带来严重的可伸缩性问题。磁耦合谐振的最新技术表明，多个传感器节点可以同时充电。在本文中，我们探索这一多节点无线能量传输技术及其性能的优劣。我们认为无线移动充电车（WMCV）是一种周期性地在无线传感器网络中移动并为传感器节点进行无线充电的车辆。基于WMCV的充电范围，我们提出了一种细胞结构，将二维区域分割成相邻的六边形细胞。我们通过优化行驶路径、流量路由、每个单元的充电时间以及最小化计算复杂度开发了一个形式化的优化框架。通过执行非线性优化，我们提出了一个路由路径的优化方案，以无线方式为多个传感器节点充电。

关键词：无线移动充电车，优化，路由路径，自适应决策系统，可扩展性，无线能量传输，无线传感器网络

1 引言

目前，基于磁耦合谐振的无线能量传输是一种广泛应用的为无线传感器网络中传感器节点充电无线能量传输技术[13]。Kurs等人证明，如果磁谐振线圈在同一谐振频率下工作，那么能量可以利用无辐射电磁场从源线圈有效地转移到接收器线圈。这使得这种无线能量传输技术不需要视线，并且不需要对周围环境很敏感。由于它的诞生，磁耦合谐振的发展很快在商业中应用（例如，见文献[16]、文献[19]和文献[27]）。

在文献[26]中，谢立光等人首先将该技术应用于无线传感器网络（WSN），并证明通过周期性无线能量传输，无线传感器网络可以正常工作。具体来说，他们通过无线移动充电车（WMCV）访问网络中的每个传感器节点，并定期对其进行充电来确保每个传感器节点都不会耗尽能量。文献[26]的一个重要问题是无线充电传感器节点数量的可扩展性。也就是说，如果一个无线传感器网络中节点数量增加了，就不能确定在它耗尽能量之前，WMCV是否可以以周期性方式为一个网络中每个节点充电。文献[13]发现无线充电技术仅限于一次为一个节点充电，并且不能随着节点数量的增加而扩展。Kurs等人也发现了这个问题且开发了一种改进的技术，可以将能量同时传输到多个接收节点[14]。

此外，他们还表明，对多个节点进行充电时，总体效率要比对多个节点单独充电时高。在文献[1]中，谢立光等人探讨了这种多节点充电技术如何解决无线传感器网络充电的可伸缩性问题。为此，他们认为WMCV可以周期性方式行驶，并且为传感器节点充电。每次行驶结束后，WMCV返回其家庭服务站，进行一次“假期”，然后开始下一次“旅行”。随着他们的不断研究，他们制造了多节点无线能源并且消除了可伸缩性问题，使得在传感器网络中多节点充电成为可能。他们使用了离散化和一种新型的重构线性化技术（RLT）求解近似最优解。但是对于线性问题，重新计算非线性的计算复杂度是一个负担。在本文中，对于无线能源传输的这项新技术，我们探讨了如何降低谢立光等人开发的重构线性化的计算复杂度。

为了克服计算复杂这一问题，我们提出了一种基于优化的自适应决策系统的方法来确定WMCV最优路由路径。为此，我们提出了一种把二维区域划分为六边形细胞结构的方案。WMCV只需要行驶到六边形细胞的中心，就可以为六边形单元中的所有传感器节点充电。同时，本文还提出了一种非线性优化方法，优化路线和充电时间，目标是在充电周期内最大化WMCV的“假期”时间。

利用这种非线性优化方法，我们得到了任意密集层传感器网络路由的最优解。2 相关工作

 目前的无线能量传输技术可分为三类。

2.1 感应耦合：

感应耦合可以通过在源处的初级线圈产生一个变化的磁场来工作，该磁场在接收器处的次级线圈的端口上产生一个电压。尽管这种无线能量传输技术已经在便携式电子设备中有许多应用（例如RFID标签[7][12]、医疗植入物[25]），但它不适合为无线传感器节点充电。这是因为某些必要的要求，如充电方向的精确对准和紧密接触等。

2.2 电磁辐射：

电磁辐射技术通过射频（例如850-950MHz[18]或902-928MHz[20]，两者的中频均为915MHz）传输功率。在这种辐射技术中，射频发射器在915MHz的ISM波段广播无线电波。然后，射频接收器调到与射频发射器相同的频段，以获取无线电功率。辐射技术在能量传输过程中有许多复杂的问题。第一，它需要连续的视线，并且对能量发射和接收器之间的任何障碍物都很敏感。第二，全向辐射的能量传递效率很低。辐射技术已经被用于无线传感器网络的能量收集[9][17]。虽然这项技术可以在一定程度上减少无线传感器网络的能量问题，但由于其能量传输效率较低，其应用受到了更多的限制。

2.3 磁耦合谐振：

第三类无线能量传输技术是磁耦合谐振技术[13]，它是目前应用最广泛的无线能量传输技术，这也是我们在本文中使用的技术。磁谐振线圈在相同谐振频率（例如，6.5MHz[14]）下的工作很有效，因此通过非辐射磁谐振感应，能量可以有效地从源线圈转移到接收线圈。与电磁辐射相比，磁耦合谐振具有能量传递效率更高的优点。即使在全方位下也能很好地工作，不需要视线，对周围环境不敏感。尽管Kurs等人的介绍性实验中的有效能量传输仍然受到仪表量程的限制（例如，2米，效率为60%[14]），但磁耦合谐振已经出现了快速技术，使其适用于商业应用[27]，如移动设备（例如笔记本电脑、手机、平板电脑等）。

在文献[26]中，谢立光等人介绍了如何将磁谐振耦合应用于无线传感器网络的研究。他们证明，通过完成一次WMCV访问并对网络中每个传感器节点分别充电，WSN可以正常工作（即无限寿命）。文献[26]中仍然存在的一个重要问题是可伸缩性，谢立光等人在文献[1]中对此进行修正。本文提出的WMCV具有不同于移动基站的用途。WMCV用于标记传感器节点，移动基站用作从传感器节点收集所有数据的接收器节点。在本文中，我们有一个固定基站和一个WMCV。使网络中的每个传感器节点都不耗尽能量，即无限的生存期同样也是本文的一个重点。最后，必须以更好的性能降低总体计算复杂度。本文使用的一些数学表示遵循了谢立光等人在文献[1]中提供的准则。

3 数学表示方法

A、无线传感器网络中的六边形细胞结构和充电：

我们称分布在二维区域上的传感器节点为集合（参见图1）。无线传感器网络中的每个传感器节点电池容量都是，且一开始就充满电。是传感器节点电池正常工作时的最小能量。为了进行无线能量传输，我们假设每个传感器节点上都安装了一个接收器线圈。每个无线传感器节点以速率（以为单位，）来产生感测数据。有一个安装在传感器网络中的固定基站，它是所有传感器节点生成的所有数据的汇聚节点。为了将所有数据流转发到基站，本文采用了多跳数据路由。

采用WMCV为每个传感器节点的电池充电。WMCV从服务站开始，并以速度（单位）移动到传感器网络中的不同点，为传感器节点的电池充电。如果传感器节点在其充电范围内，WMCV可以同时为多个节点充电。充电范围表示为，并且通过使传感器节点处的功率接收速率至少超过阈值的限制来计算充电范围。

传感器节点处的功率接收速率是基于距离的参数，表示为，并且随着其自身与WMCV之间的距离的增大而减小。我们假设当传感器节点与电池的距离超过时，功率接收率太低，无法产生磁耦合谐振，因此无法在传感器节点的电池上正常工作，这里的充电范围由文献[14]的无线能量传输研究计算得出。

然后我们找到了一个解决问题的方案，这个方案中WMCV可以在二维区域内的任何地方停止，并对传感器节点进行无线充电。这个问题有无限多个可能的位置，因此它会导致无限大的搜索空间。为了解决这个问题，我们引入了一个逻辑单元结构，并假设WMCV只能在每一个细胞的中心停止。

图1 带有移动WMCV的传感器网络示例

符号：

黄色三角形代表无线传感器

红圈代表基站

绿色三角形代表充电车（WMCV）

黑色三角形代表假期区域

黑圈代表充电点

图2 传感器网络中WMCV的路由路径示例。箭头代表WMCV行驶路线方向。

最后，我们用边长为米的六边形单元划分二维区域（见图2）。因此，当WMCV停在一个单元的中心时，六边形单元中的所有传感器节点可以同时充电。

表1 符号和定义

在六角形细胞结构下，表示从节点到其细胞中心的距离，是节点的功率接收速率，为，其中是单个传感器节点的WMCV的全部输出功率，是无线功率传输的效率。这里注意是的约化函数，。虽然传感器节点的接收线圈之间的相互耦合可能会对产生干扰，但是可以通过基于接收线圈之间的耦合调整驱动频率和谐振频率来适当地处理线圈。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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