博碩士論文 101522116 詳細資訊




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姓名 洪啟銘(Chi-Ming Hong)  查詢紙本館藏   畢業系所 資訊工程學系
論文名稱 可充電無線感測網路最佳化充電器佈置與排程
(Optimized Charger Deployment and Scheduling for Wireless Rechargeable Sensor Networks)
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摘要(中) 可充電無線感測網路(Wireless Rechargeable Sensor Networks, WRSNs)可利用無線充電器(wireless charger)適時補充裝有無線充電接收器(harvester)之感測節點的電力,以維持所有感測節點持續運作,使其具有永續性(sustainability)。本論文探討可充電無線感測網路中無線充電器的佈建與排程。在佈建無線充電器的目標為使用最少無線充電器佈建於無線感測網路環境之中,並保證所有感測節點的永續性;排程無線充電器的目標為設定個別充電器的啟動比例(active ratio),使得所有感測節點的剩餘電量穩定並維持系統的高充電效益,減少充電器不必要的電力浪費。本論文針對以上兩個議題分別提出: (1) 適應點對貪婪圓錐選取演算法(Adaptive Pair-Based Greedy Cone Selection, APB-GCS),以每對節點產生的圓錐和該充電器對各感測節點的充電效益作為考量基礎,用貪婪的方式選擇最少數量的充電器覆蓋環境中的所有感測節點,並計算充電效益是否滿足所有感測節點的充電需求,使WRSN達到永續性。(2) 高充電效益優先排程演算法(High Charging Efficiency First Scheduling, HCEFS),可根據充電效益計算出各充電器工作比例,以貪婪方式優先挑選每個充電器有效充電範圍中感測節點總耗電最大的時刻進行工作排程。
我們使用Powercast P2110-EVAL-02充電器設備進行實驗,用以求得充電器對感測節點在不同距離、水平角度、垂直仰角的電功率。透過乘冪迴歸分析(power regression analysis)得到與福利司模型(Friis model)相似的電功率乘冪回歸方程式,作為逼近真實充電效益的數據並進行模擬。模擬結果證實APB-GCS相較於相關方法可以使用較少數量的無線充電器佈建且滿足所有感測節點的需求。此外,我們也模擬了充電器的工作比例及系統總耗電量,結果證實HCEFS在確保WRSN永續性的條件下可達成節省充電器總耗電量的目標。
摘要(英) Wireless Rechargeable Sensor Networks (WRSNs) use wireless charging technologies to supply sensor nodes’ power and maintain sustainability. This thesis discussed the deployment and scheduling of the wireless chargers in WRSNs. The target of wireless charger deployment is to use the fewest chargers to guarantee the sustainability of all sensor nodes. In addition, the target of scheduling is to calculate and schedule chargers’ active ratios, resulting in the stability of all sensors’ residual power, maintaining high charging efficiency in the system, and reducing the unnecessary power resources abuse. To solve the issues above, we proposed: (1) Adaptive Pair Based Greedy Cone Selection (APB-GCS), using adaptively adjusted node pairs to calculate the charging efficiency, to minimize the number of wireless chargers and fulfill all the sensors’ demands, and (2) High Charging Efficiency First Scheduling (HCEFS), based on the charging efficiency, to calculate the active ratio of every charger, and greedily select the timeslots of the most power consumption for scheduling chargers.
We used Powercast P2110-EVAL-02 device to experiment the charging efficiency of every pair of chargers and sensors between different distances, different horizontal and vertical angles, and modeled the experiment results through power regression analysis to get power regression equations which are similar to the Friis model. We then took the equations in our simulation to derive approximately the charging efficiency. The simulation results show that we can use fewer chargers to fulfill all sensors’ energy demands. We further performed simulation to evaluate the chargers’ active ratios. The simulation results show that we can achieve the target of reducing chargers’ power consumption in sustainable WRSNs.
關鍵字(中) ★ 可充電無線感測網路
★ 充電效益
★ 永續性
★ 充電器佈建
★ 工作排程
關鍵字(英) ★ Wireless Rechargeable Sensor Network
★ Charging Efficiency
★ Sustainability
★ Charger Deployment
★ Active Ratio Scheduling
論文目次 目錄
中文摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 viii
一、緒論 1
二、背景知識與相關研究 5
2.1無線充電技術 5
2.1.1電磁感應 5
2.1.2磁耦共振 6
2.1.3無線電波射頻 7
2.1.4雷射波束 8
2.1.5三大無線充電聯盟 9
2.2電磁衰減 11
2.2.1福利斯自由空間模型 11
2.3元件能量變化 12
2.3.1感測節點的能量管理 12
2.3.2鋰電池累積充電能量函數模型 13
2.4可充電無線網路之充電器佈置 14
三、假設與解法 15
3.1. 環境假設與問題定義 15
3.1.1. 環境假設 15
3.1.2. 問題定義 18
3.1.3. 網格邊長限制 19
3.2. 最佳化無線充電器的數量 20
3.2.1. 生成候選圓錐 21
3.2.2. 挑選候選圓錐 25
3.3. 無線充電器啟動比例與排程 26
3.3.1. 計算無線充電器啟動比例 26
3.3.2. 定義感測節點電量門檻值 30
3.3.3. 無線充電器啟動比例排程 31
四、實驗與模擬 35
4.1. 實驗 35
4.1.1. 實驗器材設備 35
4.1.2. 無線充電器場型 37
4.2. 模擬 49
4.2.1. 模擬參數設定 49
4.2.2. 模擬結果 50
五、結論 57
參考文獻 58


圖目錄
圖 1. 無線感測網路運作示意圖 1
圖 2. 感測節點監測空洞 2
圖 3. 移動式充電器佈建示意圖 3
圖 4. 固定式充電器佈建示意圖 3
圖 5. OLEV電動公車運作原理[12] 6
圖 6. 無線電波射頻示意圖 7
圖 7. Powercast公司研發之無線充電設備組[14] 8
圖 8. Panasonic公司提出之鋰電池充電曲線[23] 13
圖 9. 佈建環境示意圖 15
圖 10. 無線充電器有效充電區域及其參數 16
圖 11. 時間軸分割示意圖 17
圖 12. 截圓面積最小的情形 19
圖 13. 網格邊長的條件限制 19
圖 14. 產生之球體S 21
圖 15. 以單位球面解析 22
圖 16. 依照單位球面上的情形產生候選圓錐 22
圖 17. 候選圓錐包含數個節點 23
圖 18. APB-CCG演算法 24
圖 19. CE-GCS演算法 25
圖 20. 感測節點被多個充電器重複覆蓋 27
圖 21. ARC演算法 28
圖 22. 鋰電池累積充電能量模型 30
圖 23. 充電器覆蓋多個感測節點示意圖 32
圖 24. 充電器啟動比例排程示意圖 32
圖 25. HCEFS演算法 34
圖 26. Powercast TX91501-3W-ID 35
圖 27. PowerCast P2110CSR-EVB 36
圖 28. 量測水平角度 37
圖 29. 量測垂直仰角 38
圖 30. 量測不同距離充電效益 39
圖 31. 實驗場景示意圖 39
圖 32. 水平方向0度到90度電壓(V)與距離(m)的關係 41
圖 33. 垂直方向0度到90度電壓(V)與距離(m)的關係 41
圖 34. 水平方向0度到90度電流(mA)與距離(m)的關係 43
圖 35. 垂直方向0度到90度電流(mA)與距離(m)的關係 43
圖 36. 水平方向0度到90度電功率(mW)與距離(m)的關係 45
圖 37. 垂直方向0度到90度電功率(mW)與距離(m)的關係 45
圖 38. 0度、30度和60度接收功率衰減的趨勢 46
圖 39. 15度和45度接收功率衰減的趨勢 46
圖 40. 無線充電器有效充電範圍示意圖 47
圖 41. 不同耗電狀況感測節點所需充電器數量 50
圖 42. 候選圓錐數量比較 51
圖 43. 挑選充電器數量比較 52
圖 44. 平均每個充電器的啟動比例 53
圖 45. 系統總耗能指標 54
圖 46. 剩餘電量接近ThH時的變化 55
圖 47. 剩餘電量接近ThL時的變化 56

表目錄
表 1. 三大無線充電聯盟整理 10
表 2. 無線充電器的規格 35
表 3. 無線電力接收器的規格 36
表 4. 水平方向0度到90度電壓(V)與距離(m)的關係 40
表 5. 垂直方向0度到90度電壓(V)與距離(m)的關係 40
表 6. 水平方向0度到90度電流(mA)與距離(m)的關係 42
表 7. 垂直方向0度到90度電流(mA)與距離(m)的關係 42
表 8. 水平方向0度到90度電功率(mW)與距離(m)的關係 44
表 9. 垂直方向0度到90度電功率(mW)與距離(m)的關係 44
表 10. 常見感測節點不同狀態耗電率[21][25] 48
表 11. 模擬參數設定 49

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[25] Texas Instrument websites: http://www.ti.com/

[26] Norman R. Draper and Harry Smith, Applied Regression Analysis, WILEY, 3/e, 1998.
指導教授 江振瑞(Jehn-Ruey Jiang) 審核日期 2014-7-30
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