物联网作为下一代信息科技的重要组成部分,已进入“跨界融合、集成创新和规模化发展”的关键阶段。而物联网节点的能量供给问题始终是制约其进一步发挥潜力、拓展应用场景的障碍。集成了无线充电、能量管理、数据感知、网络通信和分布式计算等功能的可充电物联网成为解决该问题的可靠方案,多元的能量来源和高效的能量管理使物联网在智慧医疗、智能家居、智能仓储、智慧交通等领域有着广阔的应用前景,受到了学术界和工业界的高度重视。可充电物联网利用多种无线能量收集技术从环境中获取能量,从而摆脱电池供电对于网络寿命、部署成本的约束,并通过能量管理技术实现有限能量的高效利用。设计高效的能量优化调度算法,实现对能量的高效补充和使用,对于提升可充电物联网网络性能具有重要意义,这一研究方向也因此受到了国内外学者的广泛关注。然而,如何提供稳定的无线能量,如何保证超低功耗条件下的数据收集效率,如何实现充放电过程的解耦等难点仍亟待解决。本文以可充电物联网中能量调度问题为主要研究内容,分别从网络部署、能量补充优化和能量使用优化三个维度,设计高效能量调度机制,从而提升不同应用场景下的网络整体效用。本文的主要工作和贡献总结如下:1.概述了可充电物联网的研究背景、应用领域和研究现状,并分析总结了相应的研究挑战。2.研究可充电物联网中能量源与汇聚节点协同部署优化问题。现有的商用可充电物联网设备将能量源和汇聚节点分开进行设计,这一设计带来了能量源与汇聚节点的协同部署优化问题,本文研究了在保证网络通信需求的前提下,如何最小化网络部署成本。本文首先将原问题分解为能量源与汇聚节点各自的最小成本部署子问题,然后将每个子问题转化为最大流模型,通过为每个子问题设计具有最差情况界为lnR/ζ的近似算法实现求解。进一步,通过不断迭代求解两个子问题直至收敛,使优化结果更加逼近最优解。最后通过大规模基于实际实验参数的仿真证明了该算法的有效性和在不同网络环境下的鲁棒性。3.研究共享单车场景下的无线充电能量补充优化问题。近年来,共享单车成为了物联网的热门应用场景,智能锁使共享单车摆脱了站点的束缚,从而为用户带来了便利。但如何为其提供稳定的能量补充,是提升用户体验、降低系统运营成本的关键。本文引入射频无线充电技术,为共享单车智能锁提供充电解决方案。本文设计了适配共享单车的无线能量收集节点,通过将节点部署在车篮上以降低充电时的相互干扰,并减少空间占用。进一步,我们基于贪心机制设计了单能量源充电调度算法,通过优化调度能量源充电角度最小化车队充电时延。通过结合动态规划思想,本文将算法扩展到多能量源协同充电的大规模应用场景。部署在实际共享单车系统上的系统实验,以及大规模的仿真实验,证明了该设计的有效性。4.研究可充电物联网中节点工作模式调度的能量优化问题。出于制造成本的考量,现有商用可充电物联网节点普遍无法在充电的同时进行工作。这一硬件设计局限为节点工作模式调度带来了新的挑战。本文注意到这一问题,研究通过优化调度节点在不同时隙的工作模式(充电/通信),最大化网络整体效用。首先在仅存在单跳通信的小规模网络中,本文通过换元将原问题转化为一个典型的线性规划问题,并得到了最优解析解。而在多跳通信的大规模网络中,本文注意到,多跳通信和工作模式的切换造成了网络动态拓扑,而动态拓扑又带来了时间和空间双重耦合性。为解决这一难点,本文基于李雅普诺夫优化设计了节点工作模式优化调度算法,通过为每个节点定义一个能量阈值向量实现了问题解耦,并得到了最差情况界为MN/2V的近似最优解。本文在Powercast平台上对所设计的算法进行了实现,系统实验和大规模仿真结果证明了本算法的有效性,以及在不同网络参数下的稳定性。5.研究电动公交网络中基于电池寿命的优化调度问题。可充电物联网的一个重要应用场景是电动车联网,但电动车电池高昂的生产和装配成本,以及十分有限的使用寿命,限制了其进一步推广。而电动公交每天会面临高峰时间段的乘客负载不均衡问题,更加重了其电池寿命的衰减。本文从电池寿命的角度考虑电动公交网络的调度问题,旨在通过优化电动公交的发车间隔,最小化电池衰减速率,同时保证乘客体验。本文首先基于实际的公交车GPS和乘客上车刷卡交易数据集,对乘客行为进行了详细分析,并设计时间序列预测模型实现了每个站点在不同时段的客流量预测。进一步,本文通过将每个站点的乘客等待队列类比成通信网络中节点的数据缓冲区队列,把李雅普诺夫优化应用到算法设计中,提出了具有理论性能保障的电动公交调度机制,在保证乘客体验的同时,实现近似最优的电池衰减速率。本文通过基于实际数据集的实验从多个维度验证了该调度机制的有效性和鲁棒性。6.对全文进行了总结,并对进一步的研究工作进行了展望。