CN104469878B - 一种适用于非接触式充电wsn网络的分簇路由的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法，包括：非接触式充电WSN网络部署阶段、建立充电分簇、建立通信分簇、构造充电节点序列、启动充电模式、完成充电模式和恢复运行模式七个阶段。本发明简单、容易实现，根据非接触式充电类型无线传感器网络实际情况设计分簇路由方法，适用于给传感器网络节点进行电能的补充。本发明使用充电序列中的节点由低能耗通电模式转换为充电模式下进行充电，保证充电序列的充电电压与节省能耗。本方法设计分簇在逻辑上分为充电分簇和通信分簇，能够有效避免干扰对充电序列外正常低能耗通信状态节点的通信，并且保证了全网的节点都能工作在能量阈值之上。

Description

一种适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体是一种适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法。

背景技术

传统无线传感器网络中的节点的电能是有限的，在其电能耗尽时补充电能不易再次充电，只能通过各种节能算法尽量减小能量的耗损，能量耗尽时该节点即报废，严重影响了整个WSN网络的使用效果与生命周期。

随着非接触式充电技术，又称作无线充电或感应充电的趋近成熟的应用，将该技术应用于无线传感器网络中可以有效地解决其各个节点的电能补充问题。非接触式充电技术通过微波、磁共振和电磁感应三种方式进行能量传输，是一种已经趋近成熟的无线能量传输技术。非接触式可充电无线传感器节点通过节点加上耦合磁共振或者谐振电路模块实现非接触式充电。为了要在这种非接触式充电型的WSN即Wireless Sensor Network无线传感器网络中及时有效的对各节点的电能进行补充。在不影响WSN的正常使用以及避免节点在电池耗尽后来不及充电而报废的前提下，提出一种WSN充电状态与正常状态时切换的网络分簇路由方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法简单、容易实现的适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法，包括：非接触式充电WSN网络部署阶段、建立充电分簇、建立通信分簇、构造充电节点序列、启动充电模式、完成充电模式和恢复运行模式七个阶段；具体步骤为：

1)非接触式充电WSN网络部署阶段

WSN部署后，汇聚节点广播初始化信息，各节点广播初始化信息并且确立路由表信息，将各节点相对位置及电量信息发送回汇聚节点；

2)建立充电分簇

节点加入哪一个簇区首先取决于物理的相对位置，第一级簇头由该簇区内距离汇聚节点的相对位置较近的节点担任；首先根据物理的相对位置划分多个为节点数量相等的簇区，设一个簇区内有n个节点，第i个簇头CH_i的选取依据为节点N_i距离其他节点的物理相对位置最短；

3)建立通信分簇

正常的通信分簇采用现有成熟的HEED算法，该算法固定分簇半径，从而减少充电分簇在切换到充电模式时对通信分簇的正常通信影响，在构建通信分簇时，选簇头绕开充电分簇簇头；

4)构造充电节点序列

当节点N_i的电能到达阈值时，N_i向该簇区的充电簇头CH_i发送消息包，CH_i将自身信息加入消息包并逐级返回给下级，最终消息包被传递给汇聚节点；汇聚节点收到低电消息包，立刻通过消息包中的返回路径逆序开始构造充电节点序列；

5)启动充电模式

该充电序列中的节点，充电簇头和汇聚节点构建充电序列；设充电簇头CH₁为充电序列离汇聚节点最近的一个，令N_i＝CH_i，则该序列为CH_i＝{N₁,N₂,L,N_i},由汇聚节点开始，第j-1(j∈1,2,L i)个节点N_j-1发送电力发送模块配置信息以及ID标识给第j个节点N_j(j∈1,2,L i)，N_j的电力接收模块发送ID标识进行确认，充电序列之间的相邻节点身份确认后，节点的电力发送模块启动，除了序列最后一个汇聚节点收不到电力接收模块配置信息和第一个节点收不到电力发送模块配置信息外，充电序列中的节点均启动电力发送与接收模块，充电序列开始启动充电模式；

6)完成充电模式

为了保证充电序列的充电电压与节省能耗，充电序列遵循后进先出LIFO原则循序退出充电模式；在充电序列的第一个节点N_i充电完成后，N_i发送充电完成信号MSG_COMPLETE给下一个节点N_i-1，N_i-1收到后关闭电力发送端并发送确认信息给N_i，N_i关闭电力接收模块并转换为正常的低功耗通信模式，退出充电序列；如果在N_i完成充电前，系统中间的N_j完成充电，系统忽略N_j信号，N_j继续充电模式，但是每隔1000毫秒重发一次MSG_COMPLETE，直到N_j+1充电完成退出充电序列，N_j才能退出序列；

7)恢复运行模式

N_i-1如果未完成充电，则该序列继续保持充电模式；如果完成则重复第6步，直到该充电序列中无节点，充电完成，系统恢复正常的低耗能通信模式。

作为本发明进一步的方案：节点之间通信采用2.4GHz频率；节点的充电序列时采用的是903-927MHz频率带宽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：路由方法简单，容易实现，根据非接触式充电类型无线传感器网络实际情况设计分簇路由方法，适用于给传感器网络节点进行电能的补充。为了保证充电序列的充电电压与节省能耗，本发明使用充电序列中的节点由低能耗通电模式转换为充电模式下进行充电。本方法设计分簇在逻辑上分为充电分簇和通信分簇，能够有效避免干扰对充电序列外正常低能耗通信状态节点的通信，并且保证了全网的节点都能工作在能量阈值之上。

附图说明

图1本发明非接触式充电类型无线传感器网络节点状态转换图；

图2非接触式充电类型无线传感器网络初始化部署流程图；

图3本发明簇区内充电与通信两种独立簇头的示意图；

图4无线传感器节点充电流程图；

图5实施例子中的高于能量阈值的节点比例仿真结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法，在逻辑上划分为充电分簇与通信分簇。本发明在某些节点的电能低于阈值(一般设置为总电量的10～15％)时，按照充电簇头逐级发送消息包，由汇聚节点开始生成节点充电序列，绕开该簇区的正常通信簇头，并由该序列生成充电路径进行充电。

本发明实施例中，一种适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法，包括：非接触式充电WSN网络部署阶段、建立充电分簇、建立通信分簇、构造充电节点序列、启动充电模式、完成充电模式和恢复运行模式七个阶段。

请参阅图1，其中：非接触式充电类型无线传感器网络节点分为四种状态转换，状态分别为部署阶段状态、低功耗通信状态、构建充电序列状态和在充电序列中开始了充电的充电状态。部署阶段状态通过节点广播初始化信息并且确立充电与通信路由分簇信息进入低功耗通信状态，低功耗通信在节点达低电阀值并逐级传送低电消息包进入构建充电序列状态，构建充电序列后按照低电消息包节点逆序开始启动电力发送与接收模块使得充电序列开始充电，充电序列中还有节点未退出队列则构建充电序列，充电序列中只剩下汇聚节点时则进入低功耗通信状态。

具体步骤包括：

1、非接触式充电WSN网络部署阶段

WSN部署后，汇聚节点广播初始化信息，各节点广播初始化信息并且确立路由表信息，各节点根据信号到达邻居节点的应答时间测试邻居节点的连通性，获取各自邻居节点的相对位置及电量信息然后传递回汇聚节点。

2、建立充电分簇

由于无线充电的技术特性为充电距离越近电能损耗越小和充电效率越高、速度越快，故节点加入哪一个簇区首先取决于物理的相对位置，第一级簇头由该簇区内距离汇聚节点的相对位置较近的节点担任。

如图2所示，在采用HEED算法划分多个为节点数量相等的的簇区中，设一个簇区内有n个节点，第i个簇头CH_i的选取依据为节点N_i距离其他节点的物理相对位置最短。通过表1中的算法1选择充电簇头。

表1

具体步骤为：

(1)开始后，广播初始化信息并且确立路由表信息，各节点获取相对位置，划分充电分簇区域，

(2)判断簇区内节点位置是否为相对最短，如果不是，充电簇头选择算法查找下一个节点，如果是，进行下一步；

(3)充电簇区选取该节点为充电簇头；

(4)判断充电分簇是否完毕，如果不是，则进入步骤(2)中判断簇区内节点位置是否为相对最短；如果是，进入下一步；

(5)建立通信簇区；初始化分簇完成。

3、建立通信分簇

请参阅图3，正常的通信分簇采用现有成熟的HEED算法进行分簇，该算法固定分簇半径，从而减少充电分簇在切换到充电模式时对通信分簇的正常通信影响，在构建通信分簇时，充电簇头不参与通信簇头竞选，保证每一个簇区都有一个独立的通信簇头与充电簇头。

请参阅图4，无线传感器节点充电过程包括：

(1)第i个节点N_i低能阈值，发送消息包给充电簇头；

(2)判断下一级节点是否汇聚节点，如果不是，节点发送消息包给下一级充电簇头节点，如果是，进入下一步；

(3)汇聚节点根据接收到的信息包安装各个节点的逆序顺序构造充电序列；

(4)发送电力发送模块配置信息包给充电序列相邻节点；

(5)判断是否为N_i，如果不是，相邻节点ID确认，启动电力发送与接收模块，如果是，进入下一步；

(6)充电相邻启动充电模式，开始充电；

(7)充电序列是否已空，如果不是，完成充电节点发送确认完成信息包，关闭电力接收模块并转换为正常的低功耗通信模式，退出充电序列；如果是，充电完成。

具体步骤为：

4、构造充电节点序列

当节点N_i的电能到达阈值时，N_i向该簇区的充电簇头CH_i发送消息包，CH_i将自身信息加入消息包并逐级返回给下级，最终消息包被传递给汇聚节点。汇聚节点收到低电消息包，立刻通过消息包中的返回路径逆序开始构造充电节点序列。

5、启动充电模式

该充电序列中的节点、充电簇头和汇聚节点构建充电序列。设充电簇头CH₁为充电序列离汇聚节点最近的一个，令N_i＝CH_i，则该序列为CH_i＝{N₁,N₂,L,N_i},由汇聚节点开始，第j-1(j∈1,2,L i)个节点N_j-1发送电力发送模块配置信息以及ID标识给第j个节点N_j(j∈1,2,L i)，N_j的电力接收模块发送ID标识进行确认，充电序列之间的相邻节点身份确认后，节点的电力发送模块启动，除了序列最后一个汇聚节点收不到电力接收模块配置信息和第一个节点收不到电力发送模块配置信息外，充电序列中的节点均启动电力发送与接收模块，充电序列开始启动充电模式。

6、完成充电模式

为了保证充电序列的充电电压与节省能耗，充电序列遵循后进先出LIFO即LastIn First Out原则循序退出充电模式。在充电序列的第一个节点N_i充电完成后，N_i发送充电完成信号MSG_COMPLETE给下一个节点N_i-1，N_i-1收到后关闭电力发送端并发送确认信息给N_i，N_i关闭电力接收模块并转换为正常的低功耗通信模式，退出充电序列。如果在N_i完成充电前，系统中间的N_j完成充电，系统忽略N_j信号，N_j继续充电模式，但是每隔1000毫秒重发一次MSG_COMPLETE，直到N_j+1充电完成退出充电序列，N_j才能退出序列，充电过程中按照表2中的算法2所示。

表2

7、恢复运行模式

N_i-1如果未完成充电，则该序列继续保持充电模式。如果完成则重复第6步，直到该充电序列中无节点，充电完成，系统恢复正常的低耗能通信模式。

本发明的效果是：路由方法简单，容易实现，根据非接触式充电类型无线传感器网络实际情况设计分簇路由方法，适用于给传感器网络节点进行电能的补充。为了保证充电序列的充电电压与节省能耗，本发明使用充电序列中的节点由低能耗通电模式转换为充电模式下进行充电。本方法设计分簇在逻辑上分为充电分簇和通信分簇，能够有效避免干扰对充电序列外正常低能耗通信状态节点的通信，使得节点能工作在能量阈值之上。

请参阅图5，为评估本发明所提出的非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法性能，在100×100的仿真环境中，随机分布200个节点，能量阈值设置为10％，大约有90％以上的节点能长时间稳定的工作在能量阈值以上。

综上所述，本发明的优点在于能够在节点低于能量阈值时，在绕开其它正常通信的节点的情况下，通过充电分簇的簇头构造充电序列，然后通过有源的汇聚节点通过整个充电序列的充电路径对低于能量阈值的节点进行充电。这样保证了充电与通信的相互独立性，使无线充电过程中的数据传输得到了保障。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法，其特征在于，包括：非接触式充电WSN网络部署阶段、建立充电分簇、建立通信分簇、构造充电节点序列、启动充电模式、完成充电模式和恢复运行模式七个阶段；具体步骤为：

1)非接触式充电WSN网络部署阶段

WSN部署后，汇聚节点广播初始化信息，各节点广播初始化信息并且确立路由表信息，将各节点相对位置及电量信息发送回汇聚节点；

2)建立充电分簇

节点加入哪一个簇区首先取决于物理的相对位置，第一级簇头由该簇区内距离汇聚节点的相对位置较近的节点担任；首先根据物理的相对位置划分多个为节点数量相等的簇区，设一个簇区内有n个节点，第i个簇头CH_i的选取依据为节点N_i距离其他节点的物理相对位置最短；

3)建立通信分簇

正常的通信分簇采用现有成熟的HEED算法，该算法固定分簇半径，从而减少充电分簇在切换到充电模式时对通信分簇的正常通信影响，在构建通信分簇时，选簇头绕开充电分簇簇头；

4)构造充电节点序列

当节点N_i的电能到达阈值时，N_i向该簇区的充电簇头CH_i发送消息包，CH_i将自身信息加入消息包并逐级返回给下级，最终消息包被传递给汇聚节点；汇聚节点收到低电消息包，立刻通过消息包中的返回路径逆序开始构造充电节点序列；

5)启动充电模式

该充电序列中的节点，充电簇头和汇聚节点构建充电序列；设充电簇头CH₁为充电序列离汇聚节点最近的一个，令N_i＝CH_i，则该序列为CH_i＝{N₁,N₂,L,N_i},由汇聚节点开始，第j-1(j∈1,2,L i)个节点N_j-1发送电力发送模块配置信息以及ID标识给第j个节点N_j(j∈1,2,Li)，N_j的电力接收模块发送ID标识进行确认，充电序列之间的相邻节点身份确认后，节点的电力发送模块启动，除了序列最后一个汇聚节点收不到电力接收模块配置信息和第一个节点收不到电力发送模块配置信息外，充电序列中的节点均启动电力发送与接收模块，充电序列开始启动充电模式；

6)完成充电模式

为了保证充电序列的充电电压与节省能耗，充电序列遵循后进先出LIFO原则循序退出充电模式；在充电序列的第一个节点N_i充电完成后，N_i发送充电完成信号MSG_COMPLETE给下一个节点N_i-1，N_i-1收到后关闭电力发送端并发送确认信息给N_i，N_i关闭电力接收模块并转换为正常的低功耗通信模式，退出充电序列；如果在N_i完成充电前，系统中间的N_j完成充电，系统忽略N_j信号，N_j继续充电模式，但是每隔1000毫秒重发一次MSG_COMPLETE，直到N_j+1充电完成退出充电序列，N_j才能退出序列；

7)恢复运行模式

N_i-1如果未完成充电，则该序列继续保持充电模式；如果完成则重复第6步，直到该充电序列中无节点，充电完成，系统恢复正常的低耗能通信模式。

2.根据权利要求1所述的适用于非接触式充电WSN网络的分簇路由的方法，其特征在于，节点之间通信采用2.4GHz频率；节点的充电序列时采用的是903-927MHz频率带宽。