矿山数字化和信息化进程的加快,使得井下传感器节点的数量激增。由于节点多采用电池供电,电池能量的有限性严重制约了传感器网络的生命周期。如何保持节点能量的充足,是亟待解决的关键问题。随着无线输能技术的发展和可充电节点设计的日趋成熟,无线传感器网络的能量瓶颈将被缓解乃至消除。本文结合该方向的最新研究成果和井下的特殊环境,利用微波输能(MPT,Microwave Power Transmission)技术解决节点的能量受限问题。在输能的过程中,节点最终获取的能量为充电功率与充电时间的乘积,因此,本文以能量传输(充电功率)和能量分配(充电时间)为研究内容,主要工作和贡献包括以下几个方面:能量传输—功率特性:1.研究了能量在巷道短距离内的传输特性。分析了MPT在巷道环境下的性能评价以及影响因素。在输能时间确定的情况下,能量特性可以用功率特性表征。在输能的近距离下,针对巷道现有微波功率模型与实测数据误差较大的问题,结合统计模型和波模理论,提出了一种分段线性模型,来描述MPT场景下的功率特性。本文模型以波模理论为基础,结合初始位置和分段点处的测量值,以分段线性的方式描述近距离内,能量在巷道中的传输特性。大量巷道实测实验验证了本文所提模型。2.研究了单节点整流输出最大化的问题。能量在巷道中的传输特性确定之后,影响节点能量获取的因素将是整流。分析了两种整流方式(单二极管整流、倍压整流)的效率和计算方法,给出了单节点整流输出最大化的问题描述方程。针对静态输能和移动输能的场景,利用多种群优化算法求解最佳的输能位置以及最优整流电路参数,从而使单节点整流输出的能量最大化。结合工作1和2,可有效计算井下MPT系统的效率。能量分配—输能策略:3.研究了巷道环境下的移动输能策略。在井下环境,输能装置只能沿轨道进行移动输能。针对此场景,通过理论推导,给出了保证传感网络无限运行所必须满足的边界条件(CFS),提出了满足CFS条件下最大化能量分配的问题模型,并利用CVX工具箱进行模型求解。将整个传感器网络划分为若干满足CFS条件的子网络,利用多个输能装置以周期轮流的形式对其移动输能,从而保证整个网络的无限运行。在划分子网络的过程中,针对节点密集分布的区域,提出群节点划分的思路及方法,之后对其进行集体输能,该机制有效扩充了子网络的规模。最后给出了整个问题的求解算法,并进行了仿真验证。4.研究了波束成形的输能机制。在划分群节点的输能策略中,为保证CFS条件,在群节点内部,会出现过充电现象。因此,本文采用波束成形的机制来均衡群节点内部的能量分配。另一方面,波束成形能显著提高能量在巷道中的传输效率,扩大输能规划中的子网络规模。在波束成形的求解过程中,利用半定松弛技术将非凸的原问题转换为符合半定规划的一系列子问题,进而利用二分法进行迭代求解。考虑了确定信道和噪声信道的影响,以及整流效率随能量变化的情况。最后进行了仿真验证。结合工作3和4,可以制定最优的移动输能规划。