CN104953643B - 一种多充电节点的无线传感器网络充电方法 - Google Patents

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Abstract

一种多充电节点的无线传感器网络充电方法，包括如下步骤：(1)建立一个WSNs模型：（2）划分充电小车的领域范围；(3)各充电小车进行充电：(a)初始化：，为接收到的报警节点总数，为已报警节点编号；(b)接收报警信号，更新的值，生成最短充电路径，计算能量判别向量；(c)若向量元素出现，，则对个报警节点按对应最短充电路径执行充电任务，否则返回继续更新值；(d)执行充电任务；(e)判断充电小车是否需要返回停车场补充能量，若需要，则充电小车返回停车场补充能量，否则，返回继续更新值及向量元素。本发明能依据传感器能量变化自适应的改变充电策略；各充电小车相互独立，简单可靠。

Description

一种多充电节点的无线传感器网络充电方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络能量传输领域，特别是涉及一种多充电节点的无线传感器网络充电方法。
背景技术
基于磁谐振和磁耦合的无线能量传输技术的发展，以及近些年在超快充电电池材料研究方面的突破，使得在无线传感器网络中部署移动的充电节点（又称充电小车）来实现网络中传感器能量补充的研究备受关注。
无线传感器网络大多应用于监测领域，网络中部署的成百上千的传感器被用于采集数据并将数据通过自身通信模块直接或者经多跳传递给基站，由基站把信息汇总并传递给监测人员，达到监测目的。信息传递过程包含了数据的处理、融合以及节点间通信，这些都是传感器能量消耗最主要的来源。
为保障监测周期内无线传感器网络（WSNs）的持久工作，网络中传感器能量不至于耗尽，必须建立一种实用而有效的方法来对网络中传感器节点实时充电，并实现充电小车最优调度，使得每次充电任务中充电小车的总耗费最少。
2011年，Y. Shi在文献On renewable sensor networks with wireless energetransfer.Proc.of INFOCOM,IEEE,2011中提出在WSNs中，部署一个充电小车，通过周期性地拜访网络中的每个传感器来实现传感器能量的补充，其时隙固定，使用受到限制。
对于部署多个充电小车的无线传感器网络的相关充电方法的研究，主要涉及两个方面的问题：一是为使总耗费最少而进行的最短路径选取，二是多个充电小车的行程安排。
发明内容
为摆脱传统方法中由于固定时隙充电带来的限制，本发明提出了一种多充电节点的无线传感器网络充电方法。
本发明之多充电节点的无线传感器网络充电方法是基于各充电小车的独立性而设计的自适应充电方法。
自适应充电方法是在一个无线传感器网络WSNs中，各充电小车之间互不影响，相互独立，各自在领域范围内执行充电任务，并能够自动选择充电行程的开始时间，每完成一次充电任务，会重复以上工作，并不受时隙条件的限制，也不受其他充电小车的影响。
由于各个充电小车之间相互独立，方法复杂度也会局限在部署一个充电小车时方法的复杂度等级。
本发明所采用的技术方案是：
一种多充电节点的无线传感器网络充电方法，包括如下步骤：包括如下步骤：
（1）建立一个WSNs模型：在一大片监测区域内随机部署成百上千个传感器，个充电小车以及对应的个停车场，监测周期为；
传感器构成的集合为,即：，、、分别代表第一、第二、第三个传感器；每个传感器携带电池容量均为，第个传感器的能量消耗率为，低能报警阈值为，且，，表示低能报警阈值占传感器能量的百分比；
为充电小车编号，停在停车场所在位置，，，、分别表示位置的二维地图坐标，为充电小车的个数；基站用于收集传感器信息，与充电小车通信；停车场用来为充电小车补充能量；各充电小车的电池容量均为，移动速度为稳定值，各充电小车给一个传感器充电时间为固定值；
（2）划分每个充电小车的领域范围；
（3）各充电小车执行充电任务。
进一步，所述步骤（2）中，划分每个充电小车的领域范围的具体步骤为：
（2.1）生成扩展节点：将传感器网络中的个充电小车及所在停车场用一闭合的回路包围起来，回路内部不包含其他传感器节点，则回路即为扩展节点；
（2.2）以扩展节点为根节点，传感器节点为树枝节点生成最小生成树；
（2.3）分解最小生成树：以个停车场为根节点，将最小生成树分解为个不相交的有根树，每个有根树的节点总数上限为：，其中为传感器网络中传感器节点的总数，为充电小车的个数，代表向上取整；代表传感器网络中传感器节点总数；
（2.4）将每个有根树的树枝最外围节点进行连接形成个回路，回路 代表第个充电小车的领域范围。
进一步，所述步骤（3）中，各充电小车执行充电任务的具体步骤为：
（3.1）充电小车接收报警传感器节点总数及已报警节点编号，并初始化：，其中为接收到的报警传感器节点总数，为已报警传感器节点编号；
（3.2）充电小车开始接收低能传感器发出的报警信号，充电小车接收报警信号后更新的值，并对每个值生成最短充电路径，充电小车计算能量判别向量，为接收到的报警传感器节点总数，为已报警传感器节点编号；
（3.3）若能量判别向量的元素，，其中，为接收到的报警传感器节点总数，为已报警传感器节点编号，代表每个传感器电池容量，则按最短充电路径执行步骤（3.4），否则返回步骤（3.2）；
（3.4）执行充电任务：即充电小车开始对传感器进行充电；
（3.5）充电小车判断其自身是否需要返回停车场补充能量，若需要，则充电小车返回停车场补充能量；否则，返回步骤（3.2）。
进一步，所述步骤（3.2）中，最短充电路径的生成方法为：所有已报警传感器集合为，以充电小车为起点，在和充电小车相连的条路径中选取出欧式距离权值最小的一条路径，连接充电小车和另一已报警传感器节点，接着以传感器节点为起点，在与其相连的除去路径外的剩余条路径中选取出欧式距离权值最小的一条路径，连接已报警传感器节点和已报警传感器节点，以此类推，得到一个以充电小车为起点经过个待充电传感器节点的最短充电路径。
进一步，所述步骤（3.2）中，能量判别向量的含义为：假设接收到个报警信号时开始充电任务，并且安排对第个已报警传感器节点最后进行充电的情况下其最少剩余能量所组成的向量。
进一步，所述步骤（3.2）中，能量判别向量的形式为：，；能量判别向量的元素的计算方法是：，其中是低能报警阈值，设定阈值为，其中代表每个传感器携带电池容量，是第个已报警传感器节点的能量消耗率，为接收到的报警传感器节点总数，D是所对应的最短充电路径的总长度，是充电小车的移动速度，是对每个传感器充电所需时间，为恒定值，是充电小车计算向量元素的当前时刻，是充电小车所记录的第个报警传感器节点的报警时刻。
进一步，所述步骤（3.5）中，充电小车判断其自身是否需要返回停车场补充能量的依据为：小车剩余能量，为假设充电小车再次执行充电任务并回到停车场后的剩余能量，为小车电池容量；
计算依据为：，其中为小车当前判断时刻剩余能量，为小车从再次完成充电任务所在位置回到停车场所消耗的能量，为小车受外界环境影响而产生的额外能量损耗，为再次充电任务预期消耗能量；
计算依据为：，其中为单位路程小车的能量耗费，为接收到报警传感器节点总数，表示充电小车作出判断时刻已经解除报警的传感器节点总数，为充电小车作出判断时刻对应生成最短路径的总长度，为第个报警传感器节点的剩余能量，为第个报警传感器节点的剩余能量，为第个报警传感器节点的剩余能量，代表传感器携带电池能量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）传感器能量消耗率和剩余能量能统一考虑在内，不用单独分析，摆脱了固定时隙充电带来的时间条件限制，能依据网络中传感器能量信息的变化自适应的改变充电策略。
（2）使用本发明。各充电小车之间独立，方法复杂度等同于部署一个充电小车时的方法复杂度，简单可靠。
附图说明
图1为本发明无线传感器网络充电方法的流程框图；
图2为本发明划分每个充电小车的领域范围步骤框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
一种多充电节点的无线传感器网络充电方法，包括如下步骤：包括如下步骤：
（1）建立一个WSNs模型：在一大片监测区域内随机部署成百上千个传感器，个充电小车以及对应的个停车场，监测周期为；
传感器构成的集合为,即：，、、分别代表第一、第二、第三个传感器；每个传感器携带电池容量均为，第个传感器的能量消耗率为，低能报警阈值为，且，，表示低能报警阈值占传感器能量的百分比；
为充电小车编号，停在停车场所在位置，，，、分别表示位置的二维地图坐标，为充电小车的个数；基站用于收集传感器信息，与充电小车通信；停车场用来为充电小车补充能量；各充电小车的电池容量均为，移动速度为稳定值，各充电小车给一个传感器充电时间为固定值；
（2）划分每个充电小车的领域范围；
（3）各充电小车执行充电任务。
进一步，所述步骤（2）中，划分每个充电小车的领域范围的具体步骤为：
（2.1）生成扩展节点：将传感器网络中的个充电小车及所在停车场用一闭合的回路包围起来，回路内部不包含其他传感器节点，则回路即为扩展节点；
（2.2）以扩展节点为根节点，传感器节点为树枝节点生成最小生成树；
（2.3）分解最小生成树：以个停车场为根节点，将最小生成树分解为个不相交的有根树，每个有根树的节点总数上限为：，其中为传感器网络中传感器节点的总数，为充电小车的个数，代表向上取整；代表传感器网络中传感器节点总数；
（2.4）将每个有根树的树枝最外围节点进行连接形成个回路，回路 代表第个充电小车的领域范围。
所述步骤（3）中，各充电小车执行充电任务的具体步骤为：
（3.1）充电小车接收报警传感器节点总数及已报警节点编号，并初始化：，其中为接收到的报警传感器节点总数，为已报警传感器节点编号；
（3.2）充电小车开始接收低能传感器发出的报警信号，充电小车接收报警信号后更新的值，并对每个值生成最短充电路径，充电小车计算能量判别向量，为接收到的报警传感器节点总数，为已报警传感器节点编号；
（3.3）若能量判别向量的元素，，其中，为接收到的报警传感器节点总数，为已报警传感器节点编号，代表每个传感器电池容量，则按最短充电路径执行步骤（3.4），否则返回步骤（3.2）；
（3.4）执行充电任务：即充电小车开始对传感器进行充电；
（3.5）充电小车判断其自身是否需要返回停车场补充能量，若需要，则充电小车返回停车场补充能量；否则，返回步骤（3.2）。
所述步骤（3.2）中，最短充电路径的生成方法为：所有已报警传感器集合为，以充电小车为起点，在和充电小车相连的条路径中选取出欧式距离权值最小的一条路径，连接充电小车和另一已报警传感器节点，接着以传感器节点为起点，在与其相连的除去路径外的剩余条路径中选取出欧式距离权值最小的一条路径，连接已报警传感器节点和已报警传感器节点，以此类推，得到一个以充电小车为起点经过个待充电传感器节点的最短充电路径。
所述步骤（3.2）中，能量判别向量的含义为：假设接收到个报警信号时开始充电任务，并且安排对第个已报警传感器节点最后进行充电的情况下其最少剩余能量所组成的向量。
所述步骤（3.2）中，能量判别向量的形式为：，；能量判别向量的元素的计算方法是：，其中是低能报警阈值，设定阈值为，其中代表每个传感器携带电池容量，是第个已报警传感器节点的能量消耗率，为接收到的报警传感器节点总数，D是所对应的最短充电路径的总长度，是充电小车的移动速度，是对每个传感器充电所需时间，为恒定值，是充电小车计算向量元素的当前时刻，是充电小车所记录的第个报警传感器节点的报警时刻。
所述步骤（3.5）中，充电小车判断其自身是否需要返回停车场补充能量的依据为：小车剩余能量，为假设充电小车再次执行充电任务并回到停车场后的剩余能量，为小车电池容量；
计算依据为：，其中为小车当前判断时刻剩余能量，为小车从再次完成充电任务所在位置回到停车场所消耗的能量，为小车受外界环境影响而产生的额外能量损耗，为再次充电任务预期消耗能量；
计算依据为：，其中为单位路程小车的能量耗费，为接收到报警传感器节点总数，表示充电小车作出判断时刻已经解除报警的传感器节点总数，为充电小车作出判断时刻对应生成最短路径的总长度，为第个报警传感器节点的剩余能量，为第个报警传感器节点的剩余能量，为第个报警传感器节点的剩余能量，代表传感器携带电池能量。

Claims (6)

1.一种多充电节点的无线传感器网络充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立一个WSNs模型：在一大片监测区域内随机部署成百上千个传感器，q个充电小车以及对应的q个停车场，监测周期为T；
传感器构成的集合为V,即：V＝{v1,v2,v3......}，v1、v2、v3分别代表第一、第二、第三个传感器；每个传感器携带电池容量均为B，第j个传感器的能量消耗率为ρj，低能报警阈值为Mj，且Mj＝α·B，0＜α＜1，α表示低能报警阈值Mj占传感器能量B的百分比；
i为充电小车编号，停在停车场所在位置ri，ri＝(xi,yi)，1≤i≤q，xi、yi分别表示位置ri的二维地图坐标，q为充电小车的个数；基站用于收集传感器信息，与充电小车通信；停车场用来为充电小车补充能量；各充电小车的电池容量均为E，移动速度为稳定值S，各充电小车给一个传感器充电时间为固定值C；
(2)划分每个充电小车的领域范围；
(3)各充电小车执行充电任务；
所述步骤(2)中，划分每个充电小车的领域范围的具体步骤为：
(2.1)生成扩展节点：将传感器网络中的q个充电小车及所在停车场用一闭合的回路η包围起来，回路η内部不包含其他传感器节点，则回路η即为扩展节点；
(2.2)以扩展节点为根节点，传感器节点为树枝节点生成最小生成树ψ；
(2.3)分解最小生成树ψ：以q个停车场为根节点，将最小生成树分解 为q个不相交的有根树，每个有根树的节点总数上限为：其中A为传感器网络中传感器节点的总数，q为充电小车的个数，代表向上取整；
(2.4)将每个有根树的树枝最外围节点进行连接形成q个回路 回路代表第i个充电小车的领域范围。
2.根据权利要求1所述的多充电节点的无线传感器网络充电方法，其特征在于，所述步骤(3)中，各充电小车执行充电任务的具体步骤为：
(3.1)充电小车接收报警传感器节点总数及已报警节点编号，并初始化：l＝0,j＝0，其中l为接收到的报警传感器节点总数，j为已报警传感器节点编号；
(3.2)充电小车开始接收低能传感器发出的报警信号，充电小车接收报警信号后更新l,j的值，并对每个l值生成最短充电路径sl，充电小车计算能量判别向量Q，l为接收到的报警传感器节点总数，j为已报警传感器节点编号；
(3.3)若能量判别向量Q的元素Qlj≤5％B，j＝1,2,…,l，其中，l为接收到的报警传感器节点总数，j为已报警传感器节点编号，B代表每个传感器电池容量，则按最短充电路径sl执行步骤(3.4)，否则返回步骤(3.2)；
(3.4)执行充电任务：即充电小车开始对传感器进行充电；
(3.5)充电小车判断其自身是否需要返回停车场补充能量，若需要，则充电小车返回停车场补充能量；否则，返回步骤(3.2)。
3.根据权利要求2所述的多充电节点的无线传感器网络充电方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，最短充电路径sl的生成方法为：所有已报警传感器集合为以充电小车为起点，在和充电小车相连的l条路径中选取出欧式距离权值最小的一条路径em，em连接充电小车和另一已报警传 感器节点接着以传感器节点为起点，在与其相连的除去路径em外的剩余l-1条路径中选取出欧式距离权值最小的一条路径en，en连接已报警传感器节点和已报警传感器节点以此类推，得到一个以充电小车为起点经过l个待充电传感器节点的最短充电路径sl。
4.根据权利要求2所述的多充电节点的无线传感器网络充电方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，能量判别向量Q的含义为：假设接收到l个报警信号时开始充电任务，并且安排对第j个已报警传感器节点最后进行充电的情况下其最少剩余能量所组成的向量。
5.根据权利要求4所述的多充电节点的无线传感器网络充电方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，能量判别向量Q的形式为： j＝1,2,…,l；能量判别向量的元素Qlj的计算方法是： 其中Mj是低能报警阈值，设定阈值为Mj＝20％B，其中B代表每个传感器携带电池容量，ρj是第j个已报警传感器节点的能量消耗率，l为接收到的报警传感器节点总数，D是l所对应的最短充电路径的总长度，S是充电小车的移动速度，C是对每个传感器充电所需时间，C为恒定值，t是充电小车计算向量元素的当前时刻，tj是充电小车所记录的第j个报警传感器节点的报警时刻。
6.根据权利要求2所述的多充电节点的无线传感器网络充电方法，其特征在于，所述步骤(3.5)中，充电小车判断其自身是否需要返回停车场补充能量的依据为：小车剩余能量Eμ≤5％E，Eμ为假设充电小车再次执行充电任务并回到停车场后的剩余能量，E为小车电池容量；
Eμ计算依据为：其中E'为小车当前判断时刻剩余能量，为小车从再次完成充电任务所在位置回到停车场所消耗的能量，△Q 为小车受外界环境影响而产生的额外能量损耗，Qc为再次充电任务预期消耗能量；
Qc计算依据为：Qc＝λ·D'+(l-l')·B-(B’l’+1+B’l’+2+......B’l)，其中λ为单位路程小车的能量耗费，l为接收到报警传感器节点总数，l'表示充电小车作出判断时刻已经解除报警的传感器节点总数，D'为充电小车作出判断时刻对应l生成最短路径的总长度，B’l’+1为第l'+1个报警传感器节点的剩余能量，B’l’+2为第l'+2个报警传感器节点的剩余能量，B’l’为第l'个报警传感器节点的剩余能量，B代表传感器携带电池能量。
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