内容简介
本书是一本系统探讨无线能量传输与传感器网络相结合优化的专业著作，全面研究了无线可充电传感器网络（WRSN） 中的充电调度问题，旨在提升能效、延长网络寿命并优化资源分配。本书结合理论分析与实践应用，深入探讨了按需充电调度算法、移动充电器路径规划、多目标优化等关键技术，并提供了数学模型、算法设计及仿真实验，帮助读者掌握技术实现细节。针对能量受限、充电效率等挑战，书中提出了按需充电调度算法、协作充电机制等创新解决方案，为WRSN 的优化管理提供了理论支撑与实践指导。
本书适合物联网、无线传感器网络及能量管理领域的研究人员、工程师及高校师生参考，既可作为学术研究的理论依据，也可为工业应用提供技术借鉴。
目录
第1章 绪论 001 ～ 010
1.1 无线传感器网络 002
1.2 无线充电技术 003
1.3 无线可充电传感器网络 005
1.4 无线可充电传感器网络中的充电调度技术 007
1.5 无线可充电传感器网络中充电调度存在的问题及未来展望 009
1.6 本章小结 010
第2章 无线可充电传感器网络应用领域 011 ～ 019
2.1 环境监测 012
2.2 智慧农业 013
2.3 医疗健康 014
2.4 智能交通 015
2.5 工业自动化 016
2.6 智能家居 017
2.7 本章小结 019
第3章 延长生命周期的相关技术 020 ～ 031
3.1 节能技术 021
3.1.1 节能MAC 协议 021
3.1.2 节点定位算法 022
3.2 移动数据收集技术 025
3.2.1 延时容忍的网络 025
3.2.2 实时要求的网络 026
3.3 能量收集技术 027
3.3.1 太阳能能量收集技术 027
3.3.2 振动能能量收集技术 027
3.3.3 热能能量收集技术 028
3.4 无线充电技术 029
3.4.1 固定充电方式 029
3.4.2 移动充电方式 030
3.5 本章小结 031
第4章 移动充电器的相关调度技术 032 ～ 049
4.1 无线可充电传感器网络中充电调度方案分类 033
4.1.1 依据移动充电器的数量 034
4.1.2 依据充电范围 037
4.1.3 依据移动充电器的充电能力 039
4.1.4 依据充电周期 041
4.1.5 充电调度方案分类 044
4.2 无线可充电传感器网络中充电调度方案设计 045
4.2.1 充电调度方案的设计准则 045
4.2.2 应用场合 046
4.3 本章小结 048
第5章 无线充电无人机充电调度技术 050 ～ 101
5.1 系统模型 053
5.2 充电板的部署 054
5.2.1 充电板部署问题的数学模型 058
5.2.2 MSC 方案 059
5.2.3 TNC 方案 061
5.2.4 GNC 方案 063
5.2.5 案例分析 064
5.2.6 DC 方案 069
5.2.7 DC 方案的分析 070
5.3 无人机的充电调度方案 083
5.3.1 SMHP 方案 083
5.3.2 案例分析 085
5.4 仿真结果 089
5.4.1 所提算法的性能 089
5.4.2 四种充电板部署方案下的SMHP 算法 094
5.5 本章小结 101
第6章 多部无线充电小车与无人机的混合充电调度方案 102 ～ 138
6.1 混合充电相关知识 104
6.1.1 符号与定义 104
6.1.2 能量消耗模型 105
6.1.3 无线充电模型 105
6.1.4 新系统模型 106
6.1.5 问题表述 106
6.2 所提方案 109
6.2.1 分群过程 109
6.2.2 内圈 110
6.2.3 第一种混合充电调度方案 111
6.2.4 第二种混合充电调度方案 122
6.3 仿真结果 128
6.3.1 仿真环境设置 128
6.3.2 性能指标 130
6.3.3 无人机和网络参数在混合充电调度方案中的影响 131
6.3.4 与其他充电调度方案的比较 135
6.4 本章小结 138
第7章 无线充电小车、充电板与无人机的混合充电调度方案 139 ～ 173
7.1 系统模型 141
7.2 分区方式 142
7.2.1 内圈 143
7.2.2 小车区域 143
7.2.3 无人机充电板区域 143
7.3 充电板的部署方案 144
7.3.1 充电板部署问题的数学模型 149
7.3.2 改进的K- 均方方案 150
7.3.3 贪婪方案 152
7.3.4 静态部署方案 155
7.3.5 案例研究 156
7.4 小车和无人机的充电调度 161
7.4.1 充电调度问题 161
7.4.2 无人机的充电调度 161
7.4.3 小车的充电调度 162
7.5 仿真实验 163
7.5.1 所提部署方案的性能 163
7.5.2 基于部署方案的充电调度性能 167
7.6 本章小结 173
第8章 基于全局移动代价的时空充电调度 174 ～ 204
8.1 系统模型的描述 175
8.2 最早截止期优先算法（EDF） 和改进型最早截止期优先算法（REDF） 176
8.3 TSGP 方案 177
8.3.1 时间优先级 178
8.3.2 空间优先级 179
8.3.3 时间和空间的混合优先级 180
8.3.4 全局成本预估 180
8.3.5 TSPG 充电调度算法 185
8.3.6 算法复杂度分析 186
8.3.7 案例讨论 187
8.4 仿真结果 189
8.4.1 仿真参数设定 189
8.4.2 α 和β 值的选择 190
8.4.3 网络的生命周期 194
8.4.4 成功充电节点数 196
8.4.5 小车的平均移动距离 197
8.4.6 预估剩余成本模型的误差 203
8.5 本章小结 204
第9章 本书小结和未来的研究展望 205 ～ 208
9.1 本书小结 206
9.2 未来的研究展望 207
前言/序言
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN） 是一种由部署在监控区域大量低成本微传感器节点组成的网络系统。无线传感器网络中的传感器节点通过无线信道相互通信、协同感知、收集和处理监控区域内传感对象的信息，然后将信息发送给观察者。无线传感器网络广泛应用于战场监视、仓库管理、医疗保健援助、自然灾害预警、环境监测和许多其他领域。
无线传感器网络主要采用节能技术、移动数据收集技术和能量收集技术等来解决能量问题。节能技术主要通过动态电压调整、动态能量管理和各种节能策略来尽可能降低节点能耗，从而延长网络的生命周期。移动数据收集技术通过减少节点传送数量的跳数，从而减少节点的能耗。而能量收集技术则从环境中（如太阳能、风能、振动能等） 获取能量，然后转化成电能以供给传感器节点使用。但是无论如何使能量消耗最小化，始终只能在有限的范围内降低能耗，并不能真正解决网络的能量问题。
能源对无线传感器网络的发展至关重要。传感器节点通常由装载电池或超级电容器供电。但由于传感器节点尺寸较小，装载的电池容量有限。有时因为维护成本过高而无法通过更换电池来延长无线传感器网络的生命周期，这限制了无线传感器网络的发展和应用。近年来，随着无线功率传输（Wireless Power Transmission，WPT） 技术的发展，能量瓶颈问题有了新的突破。无线功率传输技术可用于网络中为无线传感器网络提供能量补充。这种新型网络模型被称为无线可充电传感器网络（Wireless Rechargeable Sensor Networks，WRSN）。因此，无线可充电传感器网络成为未来许多物联网应用的开发平台。
无线可充电传感器网络（WRSN） 不是无线传感器网络与无线功率传输技术的简单叠加。它带来了一些新的问题，即网络中的移动充电载具的充电调度问题，如当多个传感器节点同时有充电请求时，如何对携带有限电池容量的可移动充电载具进行充电调度，为节点补充能量，从而使得节点能得到及时充电服务。
本书从无线可充电传感器网络框架、网络应用领域、相关能量补充技术，以及近期研究的相关充电调度技术、新型网络模型下的混合充电调度技术等方面，系统地介绍了无线可充电传感器网络中充电调度技术的发展及研究现状。
全书共分为9 章：第1 章介绍了无线可充电传感器网络的基本概念和无线充电调度技术发展现状及存在的问题；第2 章介绍了无线可充电传感器网络应用领域；第3 章介绍了延长网络生命周期所采用的节能、移动数据收集、能量收集和无线充电技术；第4 章提出了无线可充电传感器网络中充电调度方案设计准则及相关应用场合；第5 章提出了新型的无线可充电传感器网络，采用无线充电无人机作为新的移动载具为节点提供充电服务，并提出相应的无线充电板部署方案和无人机的充电调度技术；第6 章提出了一种混合充电系统，该系统采用无线充电小车与无线充电无人机协作式为节点提供充电服务，并研究相应的充电调度技术；第7 章在第5、6章的基础上，提出了混合无线充电小车、无线充电无人机与无线充电板的混合充电系统，这三种充电载具相辅相成，共同协作完成网络的充电任务；第8 章提出一种适用于无线可充电传感器网络的按需充电架构下的新型调度方法TSPG；第9 章对本书的研究进行了总结，并提出了进一步展望。
本书由简单到复杂，由基础到前沿，系统地阐述了无线可充电传感器网络中充电调度技术的发展、特点、研究现状及前沿技术。
在此谨向帮助和参与本书相关研究工作的所有同仁表示感谢，尤其是我的博士生导师俞征武老师，对书中的研究内容提出了中肯的意见，使得相关问题研究可以得到比较满意的结果。在本书的著述过程中参阅了大量的研究文献，在此向书中所有文献资料的作者表示敬意，同时，向长期以来一直默默在背后支持我研究工作的亲友们表示衷心的感谢，也感谢龙岩学院博士生启动项目（LB2021013） 和福建省自然科学基金（2024J01310） 项目的资助，使我能顺利完成本书。
本书适合于电子信息类或计算机类的大学本科高年级学生和研究生学习参考，也可供从事无线可充电传感器网络研究的专业技术人员参考。
尽管做出了最大努力，由于撰写水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请广大读者批评指正。
著者
2025年2月于龙岩学院
