太阳能收集无线传感器网络能量预测和分配策略研究.pdfVIP

摘要

随着物联网技术的发展，无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSNs）

也得到了大量应用与发展，已被广泛应用于环境监测、医疗健康、智能交通等多个

领域。传感器终端节点作为无线传感器网络的核心部分，负责完成数据的采集及传

输工作，通常数量多且分布广泛，如何获取充足的能量始终是一个难题。若有节点

能量消耗殆尽而无法工作，则整个网络的运行将会受到影响。能量收集技术将周围

环境的太阳能、风能等可再生能源转换为电能，给节点提供能量，因而能量收集型

无线传感器网络（EnergyHarvestingWirelessSensorNetworks，EH-WSNs）的能量

分配和智能管理研究具有十分重要的意义。

在太阳能收集型无线传感器网络中，太阳能收集水平随着昼夜变化、季节天气

变化而变化，从而导致节点能量波动幅度大。针对这一难题，本文提出了基于相似

时记忆矩阵的动态权重预测方法，帮助系统更好地管控自身的能量水平，并以分簇

路由的方式设计了网络中的能量分配和管理策略。并且在设计方法时考虑到了传

感器节点的实际硬件能力，在理论上具有分布式部署的能力。具体工作如下：

（1）提出了基于相似时记忆矩阵的动态权重太阳能预测方法。首先通过实验分

析了现有的WSN中太阳能预测方法的不足，将Pro-Energy中的单配置文件改为了

精度更高的多配置文件，增强了配置文件中样本的代表性，帮助预测模型更好地从

历史能量分布样本中找到相似天气；设置动态权重算法，可以根据预测时间段、天

气变化程度的不同动态调整模型中各分量的重要程度。实验结果表明，本文提出的

算法与其他适合部署在节点中的预测算法相比，精度有了明显上升。

（2）提出了基于能量预测的分簇路由算法。首先分析了传统WSNs中能量分

配管理策略应用在EH-WSNs中会存在的问题，从而明确了EH-WSNs中分簇路由

协议的需求。在此基础上，对网络模型中分簇路由的能耗进行了分析，提出了动态

最佳簇头数算法，改变了传统路由算法中只求节能的逻辑，它可以在能量饱和时可

以选出更多的簇头，通过消耗将要溢出的能量提升网络的可靠性；接着对簇头选举

公式进行了改进，同时考虑到了当前能量、未来能量、距离等因素进行选举，实验

证明相比其他分簇路由协议，该协议的休眠节点数更少、吞吐量更多、并且网络能

量更加均衡。同时利用第三章中不同精度的预测数据，对新的协议进行了对比实验，

比较了运行了300天之后的数据，发现了预测精度的提高确实带来了网络性能的

提升。

本论文通过对能量预测方法和分簇路由协议的改进，为太阳能EH-WSNs合理

得分配和利用能量提供了技术支撑。

关键词：无线传感器网络，分簇路由算法，能量预测，能量收集，太阳能

ABSTRACT

WiththedevelopmentofInternetofThings(IoT)technology,WirelessSensor

Networks(WSNs)havewitnessedsignificantapplicationsandadvancements,finding

extensiveutilizationacrossmultipledomainsincludingenvironmentalmonitoring,

healthcare,andintelligenttransportation.Sensorterminalnodes,servingasthepivotal

constituentsofwirelesssensornetworks,areentrustedwiththetasksofdatacollection

andtransmission.Giventheirtypicallynumerousandwidelydispersednature,ensuring

anampleenergysupplyremainsapersistentchallenge.Thedepletionofnodeenergyto

criticallevels,rende