CN103368751A

CN103368751A - 一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法

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Publication number: CN103368751A
Application number: CN201310276000XA
Authority: CN
Inventors: 吴以凡; 刘鹏; 仇建; 赵备; 戴国骏
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-01
Also published as: CN103368751B

Abstract

本发明公开了一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法。本发明在网格化传感器节点所分布区域的基础上，选择最优网格点作为部署下一个充电节点的位置，直到所有传感器节点均被充电；在选择最优网格点时，若在某个网格点部署充电节点，在该充电节点充电负荷不超过可调度充电负荷上界的情况下，其负责充电的传感器节点数目最大，则选择此网格点作为该充电节点的部署位置。本发明能够保证所有传感器节点获得持续能量补充而不断电的同时最小化充电节点数量。

Description

一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法

技术领域

本发明属于计算机应用技术领域，特别是涉及一种以最小化非接触式充电节点数为目标的充电节点部署方法，以适应无线传感器网络可持续性工作的实际需要。

背景技术

无线传感器网络通常由电池供电，并部署在野外开放环境中，因此其可持续性至关重要。通过从周围环境中采集能源，如太阳能、风能等，可使传感器节点持续性地获得能量补充。然而，使所有节点具有这样的能源采集能力将使应用成本提高，且这样的分散式采集在从效率上来说并不是最优的。现有研究提出采用能量分享的方法，通过一个或多个充电节点，以非接触式充电的方式，为整个网络中的所有节点提供持续性的能量。同时，非接触式充电还能克服传感器节点在地理上不可到达的问题。常用的非接触式充电形式包括磁共振无线充电和光反射充电等。

当前使用非接触式充电节点为整个传感器网络中的传感器节点提供持续能量的方法，主要可分为两类。一种是通过可移动充电节点在传感器节点之间来回移动进行短距离无线充电。该方法需要所有传感器节点都位于移动充电节点可到达的位置，但这在实际使用中并不能得到保证。另一种方法是部署多个固定充电节点，每个固定充电节点负责为一组传感器节点提供持续性的能量。对于这两种方法，现有研究提出的解决方案通常都假设充电时间是可忽略不计的。但在实际应用中，这样的假设并不成立。首先，非接触式充电的充电效率低于接触式充电，因此其充电时间相对较长。其次，当传感器节点由于频繁转发数据包或执行紧急任务时，其工作负荷较高，使得电池的掉电率变得和充电率的数量级相当，从而造成充电时间的不可忽略。因此，现有的使用非接触式充电节点为传感器节点提供持续能量的方法，在实际应用中具有较大的局限性。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种以最小化非接触式充电节点数为目标的充电节点部署方法，在重点考虑充电时间和充电负荷的基础上，提出了一种新的充电节点部署方法，其在保证所有传感器节点获得持续能量补充而不断电的同时最小化充电节点数量。

本发明解决技术问题所采取的技术方案是，一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法

在网格化传感器节点所分布区域的基础上，选择最优网格点作为部署下一个充电节点的位置，直到所有传感器节点均被充电。在选择最优网格点时，若在某个网格点部署充电节点，在该充电节点充电负荷不超过可调度充电负荷上界的情况下，其负责充电的传感器节点数目最大，则选择此网格点作为该充电节点的部署位置，具体如下：

Step 101：记传感器节点集合为N，将其所分布的二维区域分割成s×s大小的网格；

Step 102：初始化未被充电的传感器节点集合N’=N，充电节点集合H为空集；

Step 103：遍历所有网格点，选择最优的网格点作为部署下一个充电节点h_j的位置，并记由其负责充电的传感器节点子集合为N_j；

Step 104：令H=H+{h_j}，N’=N’-N_j；

Step 105：若N’不为空集，返回Step 103，否则结束充电节点部署，H即为可为全部传感器节点N进行充电的充电节点集合；

作为一种优选，所述的Step 103选择最优的网格点作为部署下一个充电节点h_j的位置的步骤如下：

Step 201: 初始化充电节点h_j所负责充电的传感器节点子集合N_j为空集，所负责充电的传感器节点数num_j=0，充电节点充电负荷U_j=0；

Step 202: 取未访问过的网格点(x, y)，在该位置放置充电节点h_j，其中x,y分别是该网格点在传感器节点所分布的二维区域中的横坐标和纵坐标；

Step 203: 令h_j在(x, y)位置所能负责充电的传感器节点子集合N_j’为空集；

Step 204: 将所有与h_j之间的距离不大于有效充电半径R的传感器节点加入集合N_j’；

Step 205: 计算充电节点充电负荷U_j’为集合N_j’中所有传感器节点的U_i之和，U_i=c_i/E_i,j为对单个传感器节点n_i的充电负荷，其中，c_i为传感器节点n_i的能量消耗率，E_i,j为传感器节点n_i被充电节点h_j充电时的充电率；

Step 206: 令单个充电节点可调度充电负荷上界为U_j*，若U_j’大于U_j*，则将N_j’中U_i值最大的传感器节点移除，并跳转Step 205；否则执行Step 207；

Step 207: 若N_j’中的传感器节点数大于num_j，或其等于num_j且U_j’小于U_j，则记录(x, y)为当前最优位置，并令num_j等于N_j’中的传感器节点数，N_j等于N_j’；

Step 208: 若存在未访问过的网格点，则返回Step 202；

Step 209: 返回当前最优位置为部署充电节点h_j的最优位置，且N_j为其所负责充电的传感器节点子集合。

作为一种优选，所述的Step 206中单个充电节点可调度充电负荷上界与充电节点具体使用的充电顺序调度方法有关。当使用单调速率调度算法时，该上界为num_j（2^1/numj-1）；当使用最早截止期优先（EDF）调度算法时，该上界为1。

当前使用非接触式充电节点为整个传感器网络中的传感器节点提供持续能量的方法，都假设充电时间是可忽略不计的。但在实际应用中，对传感器节点的充电并不是瞬间完成的。当传感器节点由于频繁转发数据包或执行紧急任务时，其高工作负荷使得电池的掉电率变得和充电率的数量级相当，此时充电时间更是影响充电节点是否能维持整个网络可持续性的重要因素。本发明针对非接触式充电在实际应用中的特点，重点考虑充电时间对充电顺序调度与充电节点部署的影响，提出了一种新的充电节点部署方法，其在保证所有传感器节点获得持续能量补充而不断电的同时最小化充电节点数量。通过性能评估测试，本发明的充电节点部署方法在平均水平下比随机部署方法节省充电节点数30%左右。

附图说明

图1为本发明一种具体实施方式流程图。

图2为本发明实施例的分布于40×40平方米区域内的无线传感器网络。

图3为使用本发明方法获得的非接触式充电节点部署方案。

图4为使用随机部署方法获得的非接触式充电节点部署方案。

图5为本发明方法与随机部署方法的比较（有效充电半径R=8米）。

图6为本发明方法与随机部署方法的比较（有效充电半径R=12米）。

图7为本发明方法与随机部署方法的比较（有效充电半径R=16米）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

在本发明实施过程中，无线传感器节点集合N随机分布于X×Y平方米的二维区域内，且其位置在部署后固定不变。每个传感器节点i由可充电电池供电，其能量消耗率为c_i。在该区域中部署m个充电节点，其中每个充电节点h_j负责为一组传感器节点N_j充电。

所有充电节点都有相同的有效充电半径R，即只有在充电节点半径范围R以内的传感器节点才可能被其充电。充电节点h_j其对其有效充电半径内的传感器节点i的充电率为E_i,j，其由i和h_j之间的距离决定。为了向传感器节点提供持续性的能量补充，任一充电节点h_j对其负责的每一个传感器节点进行周期性的充电。

本发明在网格化传感器节点所分布区域的基础上，选择最优网格点作为部署下一个充电节点的位置，直到所有传感器节点均被充电，其步骤如下：

Step 104：令H=H+{h_j}，N’=N’-N_j；

所述的Step 103选择最优的网格点作为部署下一个充电节点h_j的位置，若在某个网格点部署充电节点，在该充电节点充电负荷不超过可调度充电负荷上界的情况下，其负责充电的传感器节点数目最大，则选择此网格点作为该充电节点的部署位置，其步骤如下：

Step 208: 若存在未访问过的网格点，则返回Step 202；

实施例：对图2所示无线传感器网络进行非接触式充电节点部署。

图2所示为分布在40×40平方米区域内的无线传感器网络，传感器节点集合N包含10个Telosb传感器节点，其能量消耗率及所在位置分别为：

Figure 201310276000X100002DEST_PATH_IMAGE001

充电节点的有效充电半径R为8.5米。任一充电节点h_j其对任一有效充电半径内的传感器节点n_i的充电率随着两者间的距离增大而减小，关系函数为E_i,j=10×1.1522^{-Disti,j-21.1498}瓦，其中Dist_i,j为h_j与n_i的距离。实施流程图如图1所示。

首先，按 Step 101将传感器网络节点集合N所分布的二维区域分割成8米×8米大小的网格，共25个网格；按Step 102，初始化未被充电的传感器节点集合N’=N={n₁, n₂, n₃, n₄, n₅, n₆, n₇, n₈, n₉, n₁₀}，充电节点集合H为空集；

其次，按Step 103遍历所有网格点以选择最优的网格点作为部署充电节点的位置。先选择第一个充电节点h₁的位置，步骤如Step 201 - Step 209，所得最佳位置为(8,24)，负责充电的传感器节点子集N₁包含n₃, n₄, n₆；

按Step 104，由于目前充电节点集合H为空集，因此令H=H+{h₁}={h₁}，N’=N’-N₁={n₁, n₂, n₅, n₇, n₈, n₉, n₁₀}；

按Step 105，由于N’不为空集，返回Step 103，继续寻找下一个充电节点h₂的位置，步骤如Step 201 - Step 209，所得最佳位置为(24,16)，负责充电的传感器节点子集N₂包含n₁, n₇, n₉；

按Step 104，令H=H+{h₂}={h₁, h₂}，N’=N’-N₂={n₂, n₅, n₈, n₁₀}；

按Step 105，由于N’不为空集，返回Step 103，继续寻找下一个充电节点h₃的位置，步骤如Step 201 - Step 209，所得最佳位置为(16,32)，负责充电的传感器节点子集N₃包含n₈, n₁₀；

按Step 104，令H=H+{h₃}={h₁, h₂, h₃}，N’=N’-N₃={n₂, n₅}；

按Step 105，由于N’不为空集，返回Step 103，继续寻找下一个充电节点h₄的位置，步骤如Step 201 - Step 209，所得最佳位置为(16,8)，负责充电的传感器节点子集N₄包含n₂, n₅；

按Step 104，令H=H+{h₄}={h₁, h₂, h₃, h₄}，N’=N’-N₄=空集；

按Step 105，由于N’为空集，结束充电节点部署，H即为可为全部传感器节点N进行充电的充电节点集合。

最终充电节点部署如图3所示，详细结果如下表所示，共需4个充电节点：

充电节点	h₁	h₂	h₃	h₄
					所在位置	(8,24)	(24,16)	(16,32)	(16,8)
包含传感器节点	n₃, n₄, n₆	n₁, n₇, n₉	n₈, n₁₀	n₂, n₅

对比例：对图2所示无线传感器网络进行充电节点的随机部署。步骤同Step 101 - Step105，但在Step 103选择最优的网格点作为部署下一个充电节点h_j的位置时，随机选择h_j的(x, y)坐标。

最终充电节点部署如图4所示，详细结果如下表所示，共需5个充电节点：

充电节点	h₁	h₂	h₃	h₄	h₅
						所在位置	(11.27, 36.01)	(26.78, 18.24)	(11.59, 21.03)	(28.50, 3.92)	(21.91, 10.08)
包含传感器节点	n₁₀	n₁, n₇, n₉	n₃, n₄, n₆, n₈	n₂	n₅

通过实施例和对比例比较两种方法，本发明方法所需的充电节点数比随机部署方法少。

验证例：下面根据2个可调参数的不同设置而随机生成传感器网络测试集合，就本发明的充电节点部署方法与充电节点随机部署方法进行分析对比。

⑴传感器节点数量num：可取值为50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150个；

⑵充电节点的有效充电半径R：可取值为8、12、16米。

对上述两个可调参数不同设置的搭配，共生成33组测试集合，对每一组随机生成30个传感器网络节点集合。经测试的传感器网络节点集合数共为990个。结果显示，本发明相比于随机部署方法，在平均情况下可减少使用充电节点数30%左右。

生成的传感器网络节点集合随机分布在100×100平方米的区域内，网格大小为10米×10米，任一充电节点h_j其对任一有效充电半径内的传感器节点n_i的充电率与两者间距离Dist_i,j的关系函数为E_i,j=20×1.1522^{-Disti,j-21.1498}瓦。

对每一个传感器网络节点集合，我们分别使用本发明的充电节点部署方法与充电节点随机部署方法进行充电节点部署，并比较各自所需使用的充电节点数量。

首先，比较有效充电半径R=8米时，不同传感器节点数量num对本发明方法和随机部署方法的影响，结果如图5所示。对两种方法，所需使用的充电节点数量均随传感器节点数量增加而增加。但本发明方法所需使用的充电节点数量少于随机部署方法，平均减少33.8%-40%。

接着，比较有效充电半径R=12米时，不同传感器节点数量num对本发明方法和随机部署方法的影响，结果如图6所示。同样地，对两种方法，所需使用的充电节点数量均随传感器节点数量增加而增加，且本发明方法所需使用的充电节点数量比随机部署方法平均少31.5%-42%。另外，在有效充电半径增大为12米时，两种方法需使用的充电节点数量都少于有效充电半径为8米的情况。

最后，比较有效充电半径R=16米时，不同传感器节点数量num对本发明方法和随机部署方法的影响，结果如图7所示。本发明方法所需使用的充电节点数量比随机部署方法平均少17.3%-43.6%。

Claims

1. 一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法，其特征在于：

在网格化传感器节点所分布区域的基础上，选择最优网格点作为部署下一个充电节点的位置，直到所有传感器节点均被充电；在选择最优网格点时，若在某个网格点部署充电节点，在该充电节点充电负荷不超过可调度充电负荷上界的情况下，其负责充电的传感器节点数目最大，则选择此网格点作为该充电节点的部署位置，具体是：

Step 104：令H=H+{h_j}，N’=N’-N_j；

Step 105：若N’不为空集，返回Step 103，否则结束充电节点部署，H即为可为全部传感器节点N进行充电的充电节点集合。

2.根据权利要求1所述的一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法，其特征在于：所述的Step 103选择最优的网格点作为部署下一个充电节点h_j的位置的步骤如下：

Step 208: 若存在未访问过的网格点，则返回Step 202；

3.根据权利要求2所述的一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法，其特征在于：所述的Step 206中单个充电节点可调度充电负荷上界与充电节点具体使用的充电顺序调度方法有关，当使用单调速率调度算法时，该上界为num_j（2^1/numj-1）；当使用最早截止期优先调度算法时，该上界为1。