CN106785131A - 一种无线传感网络节点的充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线传感网络节点的充电控制方法，本发明一种无线传感网络节点的充电控制方法，引入充电节点紧急程提出充电子区域优先级的概念，对研究网络划分并对紧急程度重要程度较高的子区域优先进行充电，从而改善整个WRSN的生存寿命；本发明公开了一种无线传感网络节点的充电控制方法，涉及无线可充电传感网能量传输和无线通信技术领域，具体是涉及一种单个移动充电节点的无线传感器网络充电方法的研究，将无线能量转移机制应用到WRSN中。提出充电子区域优先级的概念，对研究网络划分并对紧急程度重要程度较高的子区域优先进行充电，从而改善整个WRSN的生存寿命。

Description

一种无线传感网络节点的充电控制方法

技术领域

本发明属于无线可充电传感器网络能量传输领，尤其是一种无线传感网络节点的充电控制方法。

背景技术

传统无线传感器网WSN(Wireless Sensor Network，无线传感器网络)中传感器节点通常采用电池供电，有限的电池能量限制了传感器网络整体的寿命。为了延长网络寿命提高网络稳定性，基于无线能量收集/传输技术的发展，使传感器节点能够在网络中收集外界环境能量或者接收移动设备供能将可用能量转换为电能给自身供电，大大延长了网络的生命期。因此把采用无线能量收集/传输技术的无线传感器网络称之为无线可充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Network，简称WRSN)。

在无线可充电传感器网络中安放一个移动充电节点WCV(Wireless ChargingVehicle，又名无线充电车)，将可充电传感网划分为N份子区域，按需地在传感器网络各个子区域内移动，为能量急需充电的传感器节点充电，使得WRSN可以正常运行。

对于部署一个移动充电节点的无线可充电传感器网络相关充电方法的研究，主要涉及两个方面的问题：一是如何选取移动。

现有技术方案：

(1)单个充电节点移动充电：基站接收无线可充电传感器网络WRSN中每个节点的位置信息；基站根据每个节点的位置信息，将WRSN划分为正六边形的子区域，每个区域中心到区域边缘的最长距离为无线充电车WCV最长充电距离；基站根据每个区域中心的位置，确定WCV的初始充电路径。当节点的剩余电量降低到请求充电阈值时发送充电请求，基站确定每个发送充电请求的节点在充电队列中的优先级，依次遍历各子区域充电。

(2)现有技术的缺点：此技术方案采用非接触式充电，移动充电节点移动到每个区域中心位置来给区域内所有节点进行无线非接触式充电，非接触式的充电效率低于接触式充电，并且其充电时间相对较长。充电判断阈值仅考虑了节点的剩余能量，节点的能量消耗速率和通信速率也是影响网络生命期的重要因素。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种无线传感网络节点的充电控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种无线传感网络节点的充电控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：建立一个圆形无线可充电传感网络WRSN模型；

步骤2：从网络中心点出发，将WRSN模型均匀划分为N个等分的扇形子区域S_i，其中，N为正整数；

步骤3：根据节点剩余能量从低到高依次选取k_i个节点作为代表节点，根据代表节点计算出各扇形子区域的充电紧急程度，由此对各扇形子区域进行充电排序；

步骤4：移动充电节点MC根据步骤3中的排序依次停靠各扇形子区域并充电。

作为本发明一种无线传感网络节点的充电控制方法的进一步优选方案，所述WRSN模型包括n个静态传感器节点v₁,v₂……v_n，一个移动充电节点MC，一个固定设置于网络中心点的基站BS，一个设置于网络中心点的专门为移动充电节点MC提供养护和能量自补给的场所depot。

作为本发明一种无线传感网络节点的充电控制方法的进一步优选方案，所述步骤2具体包含如下步骤：

步骤2-1，基站接收无线可充电传感器网络WRSN中每个节点的位置信息；

步骤2-2，将所述无线可充电传感网WRSN均匀划分为N个扇形子区域，由于基站和停车场都放置于网络中心点位置，从网络中心点出发划分成若干子区域。

作为本发明一种无线传感网络节点的充电控制方法的进一步优选方案，所述步骤3具体包含如下步骤：

步骤3-1，在每个等分的圆心角子区域内部选取个数合适的代表节点；

步骤3-2，对代表节点的剩余能量进行判断；

步骤3-3，计算每个扇形子区域的平均剩余能量；

步骤3-4，在每份扇形子区域中，定义节点剩余能量最少的为报告节点；

步骤3-5，将步骤3-4计算出的充电紧急程度告知移动充电节点，依照紧急程度确定每个子区域充电队列。

作为本发明一种无线传感网络节点的充电控制方法的进一步优选方案，所述步骤4具体包含如下步骤：

步骤4-1：移动充电节点根据接收到每个子区域计算出的紧急程度，将其紧急程度进行排序，确定所述移动充电节点的充电路径并遍历不同子区域进行充电；

步骤4-2：MC按照充电路径分别在每个子区域的报告节点处停靠，并对当前停靠区域内的节点开始进行充电；

步骤4-3：获取子区域内节点的充电决策；

步骤4-4：移动充电节点判断其自身是否需要返回停车场补充能量；若需要，则移动充电节点立即返回停车场补给能量；若不需要，则继续移动到下一个扇形子区域继续充电。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明一种无线传感网络节点的充电控制方法，引入充电节点紧急程提出充电子区域优先级的概念，对研究网络划分并对紧急程度重要程度较高的子区域优先进行充电，从而改善整个WRSN的生存寿命；

2、本发明公开了一种无线传感网络节点的充电控制方法，涉及无线可充电传感网能量传输和无线通信技术领域，具体是涉及一种单个移动充电节点的无线传感器网络充电方法的研究，将无线能量转移机制应用到WRSN中。提出充电子区域优先级的概念，对研究网络划分并对紧急程度重要程度较高的子区域优先进行充电，从而改善整个WRSN的生存寿命。

附图说明

图1是WRSN网络模型划分4个子区域的示意图；

图2为本发明无线传感器网络充电方法的流程框图；

图3为本发明无线传感器网络移动充电节点MC对子区域充电紧急程度的计算过程。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

面将结合本发明实施例中的附图，提出一种无线可充电传感器网络的子网络划分及充电方法，引入充电节点紧急程度的概念确保每个急需充电的低电量节点得到及时补充并确保充电效率。

如图2所示，一种无线传感网络节点的充电控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：建立一个圆形无线可充电传感网络WRSN模型；

步骤2：从网络中心点出发，将WRSN模型均匀划分为N个等分的扇形子区域S_i，其中，N为正整数；

步骤3：根据节点剩余能量从低到高依次选取k_i个节点作为代表节点，根据代表节点计算出各扇形子区域的充电紧急程度，由此对各扇形子区域进行充电排序；

步骤4：移动充电节点MC根据步骤3中的排序依次停靠各扇形子区域并充电

一种无线网络传感器的充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立一个无线可充电传感网的模型；

建立一个圆形无线可充电传感网的模型，在监测区域内均匀随机部署n个静态传感器，静态传感器构成的集合为V，V＝(v1,v2……vn)，一个移动充电节点MC，一个固定位置的基站BS，一个专门为移动充电节点MC提供养护和能量自补给的场所depot。每个传感器携带电池容量均为B，传感器节点在时刻t的剩余能量为Ei(t)，移动充电节点的电池容量为C。基站用于收集传感器信息，与移动充电节点MC通信，停车场用于为充电小车补充能量，并且基站和停车场都位于网络中心点。开始时刻，移动充电节点MC停留在depot位置，并充满能量以供随后在网络中移动充电，移动节点只负责网络中节点的能量补充工作，不参与任何数据收集转发活动。

步骤2：无线可充电传感网络的划分；

所述基站根据每个节点的位置信息，将无线可充电传感网WRSN均匀划分为N个等分子区域；由于基站和停车场都放置于网络中心点位置，从网络中心点出发依照划分的子区域个数对网络划分成若干子区域，在每个等分的圆心角子区域内部选取个数合适的代表节点。无线可充电传感网已划分成若干扇形子区域，第i份标记为(i＝1,2...,N，例如：N＝4，将圆形网络四等分成中心角90度的扇形)如图1所示，WRSN网络模型划分4个子区域的示意图。

步骤3：扇形子区域的充电排序；

所述每个扇形子区域中选取个数合适的节点作为考察此区域是否需要充电的代表节点，将由代表节点计算出的充电紧急程度告知MC，依照紧急程度确定充电队列；

步骤4：移动充电节点的充电任务；

根据每个子区域的代表节点，确定所述MC的充电路径；MC按照所述充电路径分别在每个子区域停靠，并对当前停靠区域内的节点进行有选择的充电；

参数设定如表1

表1

参数	设定值
		圆形网络半径R(m)	200
网络中节点数目n	50
		均匀划分网络子区域数目N	4
ki代表节点总数目为	20
		传感器节点的最大电池容量B(J)	1000
ρi传感器节点能量消耗速率(J/s)	0.1～1
		MC的电池容量C(J)	50000

所述方法的步骤2包括：

步骤2-1：基站接收无线可充电传感器网络WRSN中每个节点的位置信息；

步骤2-2：将所述无线可充电传感网WRSN均匀划分为N个扇形子区域，由于基站和停车场都放置于网络中心点位置，从网络中心点出发划分成若干子区域；

所述方法的步骤3包括：

步骤3-1：所述子区域中代表节点的选取个数。在每个等分的圆心角子区域内部选取个数合适的代表节点。无线可充电传感网已划分成若干扇形子区域，第i份标记为S_i(i＝1,2...,N，例如：N＝4，将圆形网络四等分成中心角90度的扇形)。在每份扇形子区域S_i中按节点的剩余能量从低到高开始依次选选取k_i个节点，称为代表节点(reporter)。作为S_i的代表节点将会把该子区域的紧急程度告知能量最低的报告节点，每个子区域选取的代表节点个数跟该区域包含的节点总个数有关，子区域节点个数越多选取的代表节点个数越多。子区域S_i中选取的代表节点个数为k_i，即：(若计算结果代表节点个数为小数，则对它向上取整)

备注：

S_i表示为第i个子区域(i＝1,2…N)，n_i为子区域S_i中包含的节点总个数，k_total为选取的代表节点个数总和；r_j表示为代表节点(j＝1,2…k_i)，k_i为子区域S_i中选取的代表节点个数，s_w表示为每个子区域S_i内的节点(w＝1,2…ni)；

步骤3-2：对代表节点的剩余能量进行判断。若所有代表节点剩余能量大于30％B(Ei(t)＞30％B)，则返回步骤3-1等待；若有选取的代表节点剩余能量小于30％B(Ei(t)≤30％B)，则继续3-3计算每个扇形子区域内低能量节点均值所代表该子区域的平均剩余能量；

步骤3-3：计算每个扇形子区域的平均剩余能量：对所述步骤3-2中选取的剩余能量最少的k_i个代表节点计算平均剩余能量，即以能量较少的代表节点的平均剩余能量来代表整个该扇形子区域是否需要充电紧急程度的一个判断因素，定义平均剩余能量如下：

步骤3-4：在每份扇形子区域S_i中，定义节点剩余能量最少的为报告节点r_m，为了衡量网络中子区域所需要充电的紧迫程度，也是判断MC进行充电决策的重要依据，提出几个考虑因素：

a)在公式(2)中计算出的该扇形子区域平均剩余能量；

b)第i个扇形子区域节点剩余能量低于30％B阈值的节点个数为x_i；

c)报告节点r_m与移动节点MC的距离d(r_m，MC)。

参量定义如下：

U_x表示为在t时刻节点剩余能量低于30％B阈值节点个数的归一化；

n_i表示为第i个扇形子区域内所有节点个数；

U_q表示为在t时刻第i个扇形子区域内平均剩余能量的归一化；

B表示为每个传感器携带的总电池容量；

U_d表示为在t时刻第i个扇形子区域内报告节点与移动节点MC距离的归一化；

R表示为研究的圆形无线可充电传感网的半径；

c_i(t)表示为在t时刻第i个扇形子区域的充电紧急程度；因为可能出现d(r_m，MC)＝0，的情况，为避免c_i(t)不存在，对距离和平均剩余能量参量进行加1处理。充电紧急程度中优先选择子区域平均剩余能量最小、距离MC当前位置最近、低能量节点个数最多的子区域作为下一个充电节点访问的子区域，即找到充电紧急程度函数最大的值优先充电。

报告节点记录子区域内剩余能量小于阈值30％B的节点个数，将得到的紧急程度信息传递给移动充电节点。所以，子区域内剩余能量小于阈值30％B的节点的个数越大，子区域内节点的平均剩余能量越低，与移动充电节点距离越小，则子区域的重要级别越高。步骤3-5：将步骤3-4计算出的充电紧急程度告知MC，依照紧急程度确定每个子区域充电队列。

所述方法的步骤4包括：

步骤4-1：移动充电节点根据接收到每个子区域计算出的紧急程度，将其重要程度进行排序，确定所述MC的充电路径并遍历不同子区域进行充电。

步骤4-2：MC按照充电路径分别在每个子区域的报告节点处停靠，并对当前停靠区域内的节点开始进行充电。

步骤4-3：子区域内节点的充电决策。定义子区域内节点为s_w(w＝1,2…n_i)；

E_w(t)表示为节点s_w的剩余能量；

ρ_w表示为节点s_w的能量消耗率；

t_k表示为移动充电节点移动到报告节点r_m时的当前时刻；

V表示为移动充电节点的运动速率；

F(s_w)表示为子区域内各个节点s_w的重要级别；

所以，选择值最小的节点优先充电，由此得到了MC在到达子区域后的充电决策。

步骤4-4：移动充电节点判断其自身是否需要返回停车场补充能量。移动充电节点在行进到报告节点处判断其自身是否需要返回停车场depot补充能量。

步骤4-5：若满足，则移动充电节点立即返回停车场补给能量；若不满足，则继续移动到下一个扇形子区域继续充电；

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无线传感网络节点的充电控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：建立一个圆形无线可充电传感网络WRSN模型；

步骤2：从网络中心点出发，将WRSN模型均匀划分为N个等分的扇形子区域S_i，其中，N为正整数；

步骤3：根据节点剩余能量从低到高依次选取k_i个节点作为代表节点，根据代表节点计算出各扇形子区域的充电紧急程度，由此对各扇形子区域进行充电排序；

步骤4：移动充电节点MC根据步骤3中的排序依次停靠各扇形子区域并充电。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感网络节点的充电控制方法，其特征在于：所述WRSN模型包括n个静态传感器节点v₁,v₂……v_n，一个移动充电节点MC，一个固定设置于网络中心点的基站BS，一个设置于网络中心点的专门为移动充电节点MC提供养护和能量自补给的场所depot。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感网络节点的充电控制方法，其特征在于：所述步骤2具体包含如下步骤：

步骤2-1，基站接收无线可充电传感器网络WRSN中每个节点的位置信息；

步骤2-2，将所述无线可充电传感网WRSN均匀划分为N个扇形子区域，由于基站和停车场都放置于网络中心点位置，从网络中心点出发划分成若干子区域。

4.根据权利要求1所述的一种无线传感网络节点的充电控制方法，其特征在于：所述步骤3具体包含如下步骤：

步骤3-1，在每个等分的圆心角子区域内部选取个数合适的代表节点；

步骤3-2，对代表节点的剩余能量进行判断；

步骤3-3，计算每个扇形子区域的平均剩余能量；

步骤3-4，在每份扇形子区域中，定义节点剩余能量最少的为报告节点；

步骤3-5，将步骤3-4计算出的充电紧急程度告知移动充电节点，依照紧急程度确定每个子区域充电队列。

5.根据权利要求1所述的一种无线传感网络节点的充电控制方法，其特征在于：所述步骤4具体包含如下步骤：

步骤4-1：移动充电节点根据接收到每个子区域计算出的紧急程度，将其紧急程度

进行排序，确定所述移动充电节点的充电路径并遍历不同子区域进行充电；

步骤4-2：MC按照充电路径分别在每个子区域的报告节点处停靠，并对当前停靠区域内的节点开始进行充电；

步骤4-3：获取子区域内节点的充电决策；

步骤4-4：移动充电节点判断其自身是否需要返回停车场补充能量；若需要，则移动充电节点立即返回停车场补给能量；若不需要，则继续移动到下一个扇形子区域继续充电。