CN105914830B - 一种WRSNs中充电器的移动路径方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种WRSNs中充电器的移动路径方法，即等边三角形的充电器移动路径方法。本发明中充电器以等边三角形边为移动路径，并在等边三角形顶点处停留一段时间给周围传感器节点充电。由于等边三角形的强覆盖性，所以以该路径作为充电器的移动路径时得到了较高的充电总能量、充电效率和能量利用率，实现了WRSNs供能的高效性。
Description
技术领域
本发明涉及一种WRSNs中充电器的移动路径方法，属于无线可充电传感器网络技术领域。
背景技术
无线传感器网络(WSNs)已广泛应用于国防军事、环境监测、医疗卫生和智能家居等各个领域，但是能量供应问题一直以来都限制着它的发展。如我们所知，大多数无线传感器节点都是用电池供电的，而电池所携带的能量非常有限，当电池能量耗尽时，相应的节点就会死亡，这严重影响到了网络的运作和长期生存。此外，对于那些传感器节点大规模部署、部署区域环境恶劣复杂的网络，通过更换电池来补充节点能量也是不现实的。
目前，关于解决无线传感器网络能量问题的方法大体分为三类：节能方法、能量收集和无线充电方法。其中，节能方法和能量收集都有它们的局限性。节能方法只能降低能量消耗的速度，并不能从根本上达到能量的永久供应，而且节能的代价往往要牺牲一定的网络性能，如网络延时增加、可靠性变低等。能量收集的来源大多是环境能量，例如太阳能、风能等，这些自然界的能量虽然十分丰富但不可确定性因素较多，无法控制，可靠性较低。而无线充电方法可靠性较高，可以人为控制。
那么，充电器在将自己储存的能量无线传输给传感器节点时，需要按照什么样的路径在网络中行进才能得到好的充电性能呢？一种WRSNs中充电器的移动路径方法的推出迫在眉睫。
发明内容
发明目的：为了解决无线可充电传感器网络中节点能量供应的问题，本发明提供了一种高效、可控的WRSNs中充电器的移动路径方法。
技术方案：一种WRSNs中充电器的移动路径方法，包括：
(1)选择电量充足的充电器；
(2)充电器从服务站出发，以等边三角形路径在网络中行进；
(3)每间隔一个移动间隔di，充电器停留给充电范围内的传感器节点充电，停留充电的时间为t；
(4)当充电器走过了整个网络范围并到达终点后，原路返回到服务站中，且返回过程中也需要在相同的停留点处停留给节点充电；
(5)充电器回到服务站进行自身的充电，并重新选择新的电量充足的充电器为网络充电。
所述的步骤(2)中的网络具有范围大、环境恶劣、传感器节点随机部署且分布密集的特点。
所述的步骤(1)中的充电器是基于无线识别传感平台，采用磁耦合谐振技术给传感器节点传输能量，具体特点如下：
充电器输出的功率P0与传感器节点接收的功率Pr之间满足：其中Gs是源天线增益，Gr是接收天线增益，η是整流效率，Lp是极化损失，β是调节弗里斯自由空间方程的参数，λ是能量传输的波长，d是充电器与传感器节点的距离，从中可见，接收功率随着距离d增加而减小，当距离d大于某一阈值d0时，接收能量接近于0，其中d0为充电器的充电范围；
所述的步骤(1)中的电量充足指的是充电器携带电量多于在网络中往返一次消耗的电量。
所述的网络中往返一次消耗的电量包括充电器传输给节点的能量E和充电器自身移动耗能Er，其中k代表充电器停留点的序号，Ns是充电器总的停留次数，i代表节点序号，N是网络中总的节点个数，是充电器在第k个停留点处给第i个节点传输能量的功率，t是充电器一次停留的时间，m是充电器的质量，v是充电器移动速度。
所述的步骤(2)中的服务站预先部署在网络的一个角落，对备用的充电器补充电量，且作为充电器路径的起点和终点。
所述的步骤(2)中的等边三角形路径指的是充电器以等边三角形的边为移动路径，并在等边三角形顶点处停留给周围传感器节点充电，具体过程如下(我们以L*L的正方形网络的长为x轴，宽为y轴建立坐标系，节点的坐标为(x1,y1)，(x2,y2)，…(xN,yN))：
1)充电器充电完毕，从SS的位置出发，在出发点停留t秒，给周围节点充电；
2)MC确定方向为与y轴夹角为60度的方向，并向该方向行进di米，到达目标位置，同样停留t秒给节点充电；(若过程中发现角度偏差，则以位置为目标调整角度行进，直至到达该位置)
3)确定方向为与y轴夹角为-60度的方向，并向该方向行进di米后到达目标位置，并停留充电；
4)重复步骤3)和步骤2)一次；
5)重复步骤2)3)4)，值得注意的是目标位置在一直变化；
6)当检测到与水平边界的距离时，调整移动角度为x轴方向并行进di停留充电；
7)MC确定方向为与-y轴夹角为-60度的方向，并向该方向行进di米停充电；
8)MC确定方向为与-y轴夹角为60度的方向，并向该方向行进di米停充电；
9)重复步骤8)和步骤7)一次；
10)重复步骤7)8)9)，当检测到与水平边界的距离时，调整移动角度为x轴方向并行进di停留充电；
11)重复步骤2)—10)；
12)当MC检测到与垂直边界距离时，行进完垂直方向的路径直到到达位置停留充电后沿原路返回至SS处；
所述的步骤(3)中的移动间隔di是一个定值，长度等于等边三角形的边长，且满足di＝d0。
附图说明
图1为WRSNs中充电器的移动路径方法的工作流程图；
图2为WRSNs中充电器的移动路径方法的网络模型图；
图3为WRSNs中充电器的移动路径方法的充电路径流程图；
图4为WRSNs中充电器的移动路径方法的充电路径效果图；
图5为WRSNs中充电器的移动路径方法的覆盖示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
图1为WRSNs中充电器的移动路径方法的工作流程图；
如图1所示，WRSNs中充电器的移动路径方法的工作流程为：
(1)选择电量充足的充电器；
(2)充电器从服务站出发，以等边三角形路径在网络中行进；
(3)每间隔一个移动间隔di，充电器停留给充电范围内的传感器节点充电，停留充电的时间为t；
(4)当充电器走过了整个网络范围并到达终点后，原路返回到服务站中，且返回过程中也需要在相同的停留点处停留给节点充电；
(5)充电器回到服务站进行自身的充电，并重新选择新的电量充足的充电器为网络充电。
图2为WRSNs中充电器的移动路径方法的网络模型图；
如图2所示，WRSNs中充电器的移动路径方法的网络模型图包括充电器、服务站、停留点、路径和传感器节点，网络为L*L的正方形网络，且具有范围大、环境恶劣、传感器节点随机部署且分布密集的特点。
充电器是基于无线识别传感平台，采用磁耦合谐振技术给传感器节点传输能量，具体特点如下：
充电器输出的功率P0与传感器节点接收的功率Pr之间满足：其中Gs是源天线增益，Gr是接收天线增益，η是整流效率，Lp是极化损失，β是调节弗里斯自由空间方程的参数，λ是能量传输的波长，d是充电器与传感器节点的距离，从中可见，接收功率随着距离d增加而减小，当距离d大于某一阈值d0时，接收能量接近于0，其中d0为充电器的充电范围；
充电器需满足电量充足的条件，具体指的是其携带电量多于在网络中往返一次消耗的电量，包括充电器传输给节点的能量E和充电器自身移动耗能Er，其中k代表充电器停留点的序号，Ns是充电器总的停留次数，i代表节点序号，N是网络中总的节点个数，是充电器在第k个停留点处给第i个节点传输能量的功率，t是充电器一次停留的时间，m是充电器的质量，v是充电器移动速度。
服务站预先部署在网络的一个角落，对备用的充电器补充电量，且作为充电器路径的起点和终点。
等边三角形路径指的是充电器以等边三角形的边为移动路径，并在等边三角形顶点处停留给周围传感器节点充电，且移动间隔di是一个定值，长度等于等边三角形的边长，满足di＝d0。
图3为WRSNs中充电器的移动路径方法的充电路径流程图；
如图3所示，WRSNs中充电器的移动路径方法中充电器以等边三角形的边为移动路径，并在等边三角形顶点处停留给周围传感器节点充电，具体过程如下(我们以L*L的正方形网络的长为x轴，宽为y轴建立坐标系，节点的坐标为(x1,y1)，(x2,y2)，…(xN,yN))：
1)充电器充电完毕，从SS的位置出发，在出发点停留t秒，给周围节点充电；
2)MC确定方向为与y轴夹角为60度的方向，并向该方向行进di米，到达目标位置，同样停留t秒给节点充电；(若过程中发现角度偏差，则以位置为目标调整角度行进，直至到达该位置)
3)确定方向为与y轴夹角为-60度的方向，并向该方向行进di米后到达目标位置，并停留充电；
4)重复步骤3)和步骤2)一次；
5)重复步骤2)3)4)，值得注意的是目标位置在一直变化；
6)当检测到与水平边界的距离时，调整移动角度为x轴方向并行进di停留充电；
7)MC确定方向为与-y轴夹角为-60度的方向，并向该方向行进di米停充电；
8)MC确定方向为与-y轴夹角为60度的方向，并向该方向行进di米停充电；
9)重复步骤8)和步骤7)一次；
10)重复步骤7)8)9)，当检测到与水平边界的距离时，调整移动角度为x轴方向并行进di停留充电；
11)重复步骤2)—10)；
12)当MC检测到与垂直边界距离时，行进完垂直方向的路径直到到达位置停留充电后沿原路返回至SS处；
图4为WRSNs中充电器的移动路径方法的充电路径效果图；
如图4所示，当区域边长L＝80m，移动间隔di＝5m时，充电器按图三所示流程在网络中移动的路径效果，其中黑色直线代表充电器移动路径，黑色星点代表充电器停留点。
图5为WRSNs中充电器的移动路径方法的覆盖示意图；
如图5所示，六次停留总的充电范围为六个圆覆盖区域，可见网络实现了全覆盖，且当停留点在等边三角形顶点时，覆盖区域面积最大。
Claims (7)
1.一种WRSNs中充电器的移动路径方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择电量充足的充电器；
(2)充电器从服务站出发，以等边三角形路径在网络中行进；
(3)每间隔一个移动间隔di，充电器停留给充电范围内的传感器节点充电，停留充电的时间为t；
(4)当充电器走过了整个网络范围并到达终点后，原路返回到服务站中，且返回过程中也需要在相同的停留点处停留给节点充电；
(5)充电器回到服务站进行自身的充电，并重新选择新的电量充足的充电器为网络充电；
所述的步骤(2)中的等边三角形路径指的是充电器以等边三角形的边为移动路径，并在等边三角形顶点处停留给周围传感器节点充电，具体过程如下以L*L的正方形网络的长为x轴，宽为y轴建立坐标系，节点的坐标为(x1,y1)，(x2,y2)，…(xN,yN)：
1)充电器充电完毕，从SS的位置出发，在出发点停留t秒，给周围节点充电；
2)MC确定方向为与y轴夹角为60度的方向，并向该方向行进di米，到达目标位置，同样停留t秒给节点充电；若过程中发现角度偏差，则以位置为目标调整角度行进，直至到达该位置；
3)确定方向为与y轴夹角为-60度的方向，并向该方向行进di米后到达目标位置，并停留充电；
4)重复步骤3)和步骤2)一次；
5)重复步骤2)3)4)，值得注意的是目标位置在一直变化；
6)当检测到与时，调整移动角度为x轴方向并行进di米停留充电；
7)MC确定方向为与-y轴夹角为-60度的方向，并向该方向行进di米停留充电；
8)MC确定方向为与-y轴夹角为60度的方向，并向该方向行进di米停留充电；
9)重复步骤8)和步骤7)一次；
10)重复步骤7)8)9)，当检测到与时，调整移动角度为x轴方向并行进di米停留充电；
11)重复步骤2)—10)；
12)当MC检测到与时，行进完垂直方向的路径直到到达位置停留充电后沿原路返回至SS处。
2.根据权利要求1所述的一种WRSNs中充电器的移动路径方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的网络具有范围大、环境恶劣、传感器节点随机部署且分布密集的特点。
3.根据权利要求1所述的一种WRSNs中充电器的移动路径方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的充电器是基于无线识别传感平台，采用磁耦合谐振技术给传感器节点传输能量，具体特点如下：
充电器输出的功率P0与传感器节点接收的功率Pr之间满足：其中Gs是源天线增益，Gr是接收天线增益，η是整流效率，Lp是极化损失，β是调节弗里斯自由空间方程的参数，λ是能量传输的波长，d是充电器与传感器节点的距离，从中可见，接收功率随着距离d增加而减小，当距离d大于某一阈值d0时，接收能量接近于0，其中d0为充电器的充电范围。
4.根据权利要求1所述的一种WRSNs中充电器的移动路径方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的电量充足指的是充电器携带电量多于在网络中往返一次消耗的电量。
5.根据权利要求4所述的一种WRSNs中充电器的移动路径方法，其特征在于，所述的网络中往返一次消耗的电量包括充电器传输给节点的能量E和充电器自身移动耗能Er，其中k代表充电器停留点的序号，Ns是充电器总的停留次数，i代表节点序号，N是网络中总的节点个数，是充电器在第k个停留点处给第i个节点传输能量的功率，t是充电器一次停留的时间，m是充电器的质量，v是充电器移动速度。
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