CN108173664A - 一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，属于无线可充电传感器网络中节点能量补充领域。在无线可充电传感器网络中引入谐振中继器来实现对传感器节点的多跳充电，可显著地延伸移动小车的充电距离，降低节点的充电时延。本发明提出一种包括两个步骤的谐振中继器位置确定策略：第一步利用蜂窝六边形分割整个网络以保证中继器对于传感器节点的充电覆盖；第二步对中继器的位置进行优化调整以实现在保证充电覆盖条件下所需中继器数量的最小化。该策略有利于实现使用少量的谐振中继器对网络中传感器进行多跳无线充电。本发明能够以一种较低成本的方式有效解决无线传感器网络中节点的能量受限问题，实现网络的可持续性运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，尤其是传感器网络的中继节点的部署方法，属于无线可充电传感器网络中节点能量补充领域。
背景技术
无线传感器网络由大量的静止或移动的传感器节点组成，传感器节点通过自组织方式构成传感器网络并通过洪泛方式将信息数据传输到基站。无线传感器网络中节点是随机部署在人类很难达到的环境中，单靠人力去更换节点携带的电池难度大且电池容量的局限性制约了网络的寿命，因此无线传感器网络的应用得到了很好的发展。
目前无线传感器网络中节点采用电池供电，受传感器节点体积较小的限制导致携带的电池容量有限，由于节点常处于失效或需要紧急充电状态，无法使网络达到永久操作的目的。因此，节点的能量补充问题是无线传感器网络达到永久寿命的主要瓶颈。
为了保障传感器网络在监测周期内达到一个永久操作的目的，网络中的传感器节点不至于耗尽能量而失效，需要采用一种有效的能量补充方法来给网络中的节点补充能量，而网络中传感器节点的耗能是有所不同的，需要设置合理的充电请求敏感度方法来降低节点充电信息的丢包率，减少节点的充电等待延迟，使网络达到可持续操作的目的。
无线可充电传感器网络中谐振中继器的引入，给网络中的传感器节点充电带来了希望和契机。通过使用一种有效的谐振中继器部署方法可以实现多跳无线能量的最优传输，延长移动充电小车的充电距离，降低节点失效率。
2012年，Liguang Xie在文献On Renewable Sensor Networks with WirelessEnergy Transfer:The Multi-Node Case.proc.of SENCON,IEEE,2012中提出在无线传感器网络中，利用正六边形蜂窝单元去分割二维平面，包含传感器节点的每个单元格位置为移动充电小车的候选停留位置，让移动充电小车周期性地访问停留位置并利用能量多跳方式给单元格内的节点补充能量，这种充电方式时隙固定，充电受到限制。
在无线可充电传感器网络中部署中继节点的位置直接影响着网络整体生存寿命。利用合理的方法部署中继节点是无线可充电传感器网络的一个重要研究问题，该研究涉及两个问题，即合理部署中继节点的位置和充电小车充电行程安排。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，能有效解决离线充电方式中由于固定时隙充电带来的限制和提高每个中继节点的充电节点覆盖率。
本发明中可充电传感器网络的谐振中继器位置确定方法是确定中继节点的位置提高充电节点覆盖率和设计充电小车采用在线充电方式中的距离优先策略给传感器节点补充能量。
本发明利用相邻正六边形来最大目标的覆盖网络中的传感器节点，对于一个中继器充电覆盖范围内有一个传感器的情况，提出利用两个传感器节点的中点位置来确定中继节点的位置，这样可以降低网络成本，提高中继节点的覆盖率。
充电小车采用在线充电方式中的距离优先策略来给网络中的传感器节点补充能量，充电小车相对于网络中其他元素是独立的，在充电区域范围内完成充电任务，采用NJNP(Nearest-Job-Next with Preemption)策略来选择充电目标节点，每次完成一次充电任务会重复工作，这种方式不受时隙条件的限制并提高了充电效率。
本发明所采用的技术方案是：一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，包括如下步骤：
Step1：建立一个无线可充电传感器网络模型：在一定的监测区域内随机地部署10个以上传感器节点，移动充电装置以及对应的基站均部署于监测区域的左下方的位置；SNi表示传感器节点构成的集合，下标i表示第i个传感器节点；每个传感器节点自身携带的电池容量为Emax，维持第i个传感器节点生存能量阈值为Emin，RSi(t)表示节点在t时刻电池的剩余能量，S表示服务池中节点的集合，Q表示充电候选节点集合；节点能量消耗周期为ECi，
初始时传感器节点信息为SNi(flag(i)＝0,tab(i)＝0)，其中flag(i)＝0表示该节点未被访问处理，tab(i)＝0表示传感器节点i不属于任何中继节点的充电范围；基站具有足够的电量和通信能力，它位于监测区域的左下方，用于收集传感器节点的充电请求信息和网络事件信息并转发给移动充电小车；移动充电小车的电池容量为E，移动速度为V(m/s)，充电速率为C，可移动到基站的电量阈值为Emc；在无线可充电传感器网络中的中继节点的集合为RN(mark＝0)，其中mark＝0表示未选为待调整的中继节点，第k个中继节点为RNk，传感器节点集合SNi中的tab(i)＝k表示该节点在RNk的充电覆盖范围内，中继节点的最大充电范围为R(R＝3m)；移动充电小车的电池能量E＝Emc时，则移动充电小车移动到基站位置来补充能量，等待下个充电指令的到来；
Step2：根据无线可充电传感器网络中传感器节点信息，对网络中传感器节点之间的连通性进行了研究，解决了节点在充电基础上的全覆盖问题；
Step3：根据无线可充电传感器网络的区域面积和传感器节点的位置信息来确定中继节点在网络中的最大充电范围位置；
从以下两种情况来讨论中继节点的具体部署：
A.蜂窝六边形的性质来分割无线可充电传感器网络并确定中继节点的位置；
B.利用两节点的中点性质来解决一个中继节点覆盖一个传感器节点的问题；
Step4：充电小车利用在线充电方式中的距离优先策略给传感器节点充电。
具体地，所述Step2中，深入分析网络中传感器节点之间的连通性具体步骤为：
假设谐振中继器节点(RN)的最大充电半径为R，无线可充电传感器网络中的中继节点和传感器节点以及无线链路的边可以表示为：
Γ＝(U,Z),U＝SUZ
其中，Γ表示无线可充电传感器网络图，U表示网络中节点的个数，S表示传感器节点，Z表示中继器节点，
网络中的边Eij满足以下条件:
其中，R是中继节点的最大充电覆盖半径，Lij表示节点i到节点j之间的距离，x表示网络中传感器节点的个数，ni,nj分别表示第i个和第j个传感器节点。
网络的连通性可以用如下公式计算：
其中，φ(Γ)表示网络的连通性，Eij表示网络中的边，x表示网络中传感器节点的个数，ni,nj分别表示第i个和第j个传感器节点。
具体地，所述Step3中的步骤A，利用蜂窝六边形的性质来分割无线可充电传感器网络并确定中继节点的位置，具体步骤为：
监测区域的最大覆盖率是研究的目标，基于网络的连通性，我们利用蜂窝六边形来平均分割传感器网络达到全覆盖的目的；
1)计算任意正六边形的中点坐标
在无线可充电传感器网络中，假设存在任意一个正六边形ABCDEF，若已知点C(x,y)，满足点Q∈S，求解目标是中继节点Q的坐标，连接CQ，BE，AC，边AC与BE相交于点K，平移CK至Q点交CD于G，假设Q点坐标为(X,Y)，由于CQ为RN的最大充电半径R，由欧几里德距离公式以及正六边形的性质可得：
综上所述，知道正六边形的C点坐标，可得正六边的中点坐标：R为谐振中继器的最大充电范围；
2)计算无线可充电传感器网络中任意相邻的正六边形的中点坐标
在无线可充电传感器网络中，假设存在任意相邻的三个正六边形，三个中点分别为RN1＝(x1,y1)，RN2＝(x2,y2)，RN3＝(x3,y3)，满足RN1，RN2，RN3∈S，已知节点RN2＝(x2,y2)，目标是求解中继节点RN1，RN3的坐标，连接三个顶点可以得到三条边分别为d1，d2，d3∈E，A为三个正六边形的交点，过点RN1做边d2的垂线交于点E，连接A-RN3，
由正六边形的性质以及勾股定理可知：
综上所述，知道RN2的坐标，可得：
综上可得：所求目标节点RN1坐标为RN3坐标为其中，R为谐振中继器的最大充电范围，当中继节点位置确定，标记传感器节点SN的flag(i)＝1，tab(i)＝k，其中，flag(i)＝1表示传感器节点i已经被访问处理过，tab(i)＝k表示传感器节点SNi属于第K个中继节点的充电范围，k表示RNk的下标，将未覆盖传感器节点的中继节点删除，保留其他的RN节点，即为中继节点部署的位置。
具体地，所述Step3中的步骤B，利用两节点的中点性质来解决一个中继节点覆盖一个传感器节点的问题的具体步骤为：
在均匀部署中继节点时，会存在一个中继器覆盖一个传感器节点的情况，这种情况会增加网络的总体成本，对此需要对该情况的中继节点做一个位置优化，具体过程如下：
在中继节点初始部署完成时，需要对每个中继节点检查并标记RNk(mark＝1)，其中mark＝1表示中继节点充电覆盖范围内存在一个传感器节点，反之，中继节点位置不做处理；
对标记过的中继节点进行位置优化，首先判断任意两个标记过的中继节点充电覆盖范围内的传感器节点(SN1和SN2)之间的距离dij与2R的关系，具体存在以下两个情况：
情况一：dij＞2R，删除标记过的中继节点，将节点SN1孤立并设置SN1(flag(1)＝1，tab(1)＝0)，其中flag(1)＝1表示传感器节点SN1已经访问处理过，tab(1)＝0表示传感器节点不属于任何RN充电范围，为孤立节点；
情况二：dij≤2R，删除标记过的其中一个中继节点，将另一个中继节点放置于SN1和SN2的中点位置，这样可以达到最大覆盖充电范围，降低网络的总成本；具体过程为：
由于公式(2)是一个离散函数，考虑将离散函数转换为连续函数来解决，并对连续函数的形状执行平滑操作来确定中继器的最大充电位置，定义平滑性能函数是连续的和具有平滑的性能，同时考虑了节点的覆盖率和节点之间的通信，具体函数定义为：
其中，Γ'表示从第i个传感器节点开始寻找网络中的最大边，Γ'i表示从i到j的最大边的倒数，函数表示重定义的网络图Γ'：
函数是对离散函数φ(Γ)做了连续平滑操作，提高确定中继器的位置信息准确率；
假设存在SN1(x1，y1)，SN2(x2，y2)，RNi(xi，yi)，中点到两节点的距离相等可得：
通过计算确定中继节点的位置坐标为：
具体地，所述Step4中，充电小车利用在线充电方式中的距离优先策略给传感器节点充电的具体步骤为：
Step5.1：MC检查服务池S`中是否为空，若为空，重复步骤Step5.1，反之，则判断是否存在满足MC移动到距离它最近的请求节点i所需最长时间Tmc→i＞Ti(t)，其中Ti(t)表示可容忍充电延迟，若存在则删除该记录并重复步骤Step5.1，反之则将该记录i记录于候选集合G中，同时检查节点i的tab值是否为-1，若成立则跳转步骤Step5.2，若不成立则计算出节点i所属的中继节点RNk，继续检查服务池S’中的mark＝k的充电请求节点，将其加入候选集合G中，直到所有的记录都被扫描为止；
Step5.2：检查充电候选集合G是否为空，若为空则跳转步骤Step5.3，否则检查G中的成员数是否大于1，若是则选择G中距离充电小车最近的节点作为充电目标，其他充电请求节点作为中继节点能量中继的目标节点，否则直接将该节点作为充电小车的充电目标；
Step5.3：在充电请求过多且充电小车无法及时响应充电服务时，导致候选集合G为空，则充电小车选择S`中距离它最近的节点作为目标节点；
Step5.4：充电小车执行充电任务：充电小车移动到距离它最近的传感器节点位置，能量通过多跳的方式给目标节点补充能量，即，充电小车从基站处接收到充电请求命令集合为q＝{q1，q2，q3……qn}，对应的充电中继节点集合q`＝{RN1，RN2，RN3……RNj，qn-1，qn}，以充电小车为起始目标点计算q`集合中节点与充电小车相连的路径中选取欧式距离权值最小的一条路径，充电小车以V(m/s)的速度移动到对应的传感器位置，通过一定的振动频率使能量经过多跳方式给中继节点充电范围内的节点补充能量。
本发明的有益效果是：使用本发明克服了无线可充电传感器网络中存在障碍物而导致的充电问题，延长了移动充电小车的充电距离。对谐振中继器的位置进行了二次优化，降低了网络的成本，提高中继器的充电覆盖率。利用能量多跳方式给中继节点充电覆盖范围内的多个节点补充能量，可以显著地提高充电请求节点的充电效率，延长整个网络的使用寿命。
附图说明
图1是多跳无线可充电传感器网络系统图；
图2是蜂窝六边形覆盖整个网络图；
图3是任意一个蜂窝六边形中点位置图；
图4是任意三个正六边形的中点确定图；
图5是RN放置于两个传感器节点的中点位置图；
图6是无线可充电传感器网络的能量多跳充电图。
具体实施方式
为了更详细的描述本发明和便于本领域人员的理解，下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的描述，本部分的实施例用于解释说明本发明，便于理解的目的，不以此来限制本发明。
实施例1：如图1-6所示，一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，包括如下步骤：
Step1：建立一个无线可充电传感器网络模型(见图1)：在一定的监测区域内随机地部署10个以上传感器节点。移动充电装置以及对应的基站均部署于网络监测区域的左下方的位置；SNi表示传感器节点构成的集合，下标i表示第i个传感器节点；每个传感器节点自身携带的电池容量为Emax，维持第i个传感器节点生存能量阈值为Emin，RSi(t)表示节点在t时刻电池的剩余能量，S表示服务池中节点的集合，Q表示充电候选节点集合；节点能量消耗周期为ECi，
初始时传感器节点信息为SNi(flag(i)＝0,tab(i)＝0)，其中flag(i)＝0表示该节点未被访问处理，tab(i)＝0表示传感器节点i不属于任何中继节点的充电范围；基站具有足够的电量和通信能力。它位于二维空间平面的左下方，用于收集传感器节点的充电请求信息和网络事件信息并转发给移动充电小车；移动充电小车的电池容量为E，移动速度为V(m/s)，充电速率为C，可移动到基站的电量阈值为Emc；在无线可充电传感器网络中的中继节点的集合为RN(mark＝0)，其中mark＝0表示未选为待调整的中继节点，第k个中继节点为RNk。传感器节点集合SNi中的tab(i)＝k表示该节点在RNk的充电覆盖范围内，中继节点的最大充电范围为R(R＝3m)；移动充电小车的电池能量E＝Emc时，则移动充电小车移动到基站位置来补充能量，等待下个充电指令的到来；
Step2：根据无线可充电传感器网络中传感器节点信息，我们对网络中传感器节点之间的连通性进行了深入研究，解决了节点在充电基础上的全覆盖问题。
Step3：根据无线可充电传感器网络的区域面积和传感器节点的位置信息来确定中继节点在网络中的最大充电范围位置；
我们从以下两种情况来讨论中继节点的具体部署：
A.蜂窝六边形的性质来分割无线可充电传感器网络并确定中继节点的位置；
B.利用两节点的中点性质来解决一个中继节点覆盖一个传感器节点的问题；
Step4：充电小车利用在线充电方式中的距离优先策略给传感器节点充电。
具体地，所述Step2中，深入分析网络中传感器节点之间的连通性具体步骤为：
假设谐振中继器节点(RN)的最大充电半径为R，无线可充电传感器网络中的中继节点和传感器节点以及无线链路的边可以表示为：
Γ＝(U,Z),U＝SUZ
其中，Γ表示无线可充电传感器网络图，U表示网络中节点的个数，S表示传感器节点，Z表示中继器节点。
网络中的边Eij满足以下条件:
其中，R是中继节点的最大充电覆盖半径，Lij表示节点i到节点j之间的距离，x表示网络中传感器节点的个数，ni,nj分别表示第i个和第j个传感器节点。
网络的连通性可以用如下公式计算：
其中，φ(Γ)表示网络的连通性。Eij表示网络中的边，x表示网络中传感器节点的个数，ni,nj分别表示第i个和第j个传感器节点。
具体地，所述Step3中的步骤A，利用蜂窝六边形的性质来分割无线可充电传感器网络并确定中继节点的位置，具体步骤为：
监测区域的最大覆盖率是我们研究的主要目标，基于网络的连通性，我们利用蜂窝六边形来平均分割传感器网络达到全覆盖的目的。请见图2，表示蜂窝六边形覆盖传感器网络的示例图。使用相邻的正六边形来覆盖网络来达到全覆盖的目的。
1)计算任意正六边形的中点坐标
在无线可充电传感器网络中，假设存在任意一个正六边形ABCDEF(见图3)，若已知点C(x,y)，满足点Q∈S，我们的求解目标是中继节点Q的坐标。连接CQ，BE，AC，边AC与BE相交于点K。平移CK至Q点交CD于G。假设Q点坐标为(X,Y)，由于CQ为RN的最大充电半径R，由欧几里德距离公式以及正六边形的性质可得：
综上所述，知道正六边形的C点坐标，可得正六边的中点坐标：R为谐振中继器的最大充电范围。
2)计算无线可充电传感器网络中任意相邻的正六边形的中点坐标
在无线可充电传感器网络中，假设存在任意相邻的三个正六边形(见图4)，三个中点分别为RN1＝(x1,y1)，RN2＝(x2,y2)，RN3＝(x3,y3)。满足RN1，RN2，RN3∈S，已知节点RN2＝(x2,y2)，我们的目标是求解中继节点RN1，RN3的坐标。连接三个顶点可以得到三条边分别为d1，d2，d3∈E，A为三个正六边形的交点，过点RN1做边d2的垂线交于点E，连接A-RN3。
由正六边形的性质以及勾股定理可知：
综上所述，知道RN2的坐标，可得：
综上可得：所求目标节点RN1坐标为RN3坐标为其中，R为谐振中继器的最大充电范围。当中继节点位置确定，标记传感器节点SN的flag(i)＝1，tab(i)＝k，其中，flag(i)＝1表示传感器节点i已经被访问处理过。tab(i)＝k表示传感器节点SNi属于第K个中继节点的充电范围，k表示RNk的下标。将未覆盖传感器节点的中继节点删除。保留其他的RN节点(即为中继节点部署的位置)。
具体地，所述Step3中的步骤B，利用两节点的中点性质来解决一个中继节点覆盖一个传感器节点的问题的具体步骤为：
在均匀部署中继节点时，会存在一个中继器覆盖一个传感器节点的情况，这种情况会增加网络的总体成本，对此需要对该情况的中继节点做一个位置优化，具体过程如下：
在中继节点初始部署完成时，需要对每个中继节点检查并标记RNk(mark＝1)，其中mark＝1表示中继节点充电覆盖范围内存在一个传感器节点。反之，中继节点位置不做处理。
对标记过的中继节点进行位置优化，首先判断任意两个标记过的中继节点充电覆盖范围内的传感器节点(SN1和SN2)之间的距离dij与2R的关系，具体存在以下两个情况：
情况一：dij＞2R，删除标记过的中继节点，将节点SN1孤立并设置SN1(flag(1)＝1，tab(1)＝0)，其中flag(1)＝1表示传感器节点SN1已经访问处理过，tab(1)＝0表示传感器节点不属于任何RN充电范围，为孤立节点。
情况二：dij≤2R，删除标记过的其中一个中继节点，将另一个中继节点放置于SN1和SN2的中点位置，这样可以达到最大覆盖充电范围，降低网络的总成本。中点位置确定的具体过程为：
由于公式(2)是一个离散函数，考虑将离散函数转换为连续函数来解决，并对连续函数的形状执行平滑操作来确定中继器的最大充电位置。我们定义平滑性能函数是连续的和具有平滑的性能，同时考虑了节点的覆盖率和节点之间的通信，具体函数定义为：
其中，Γ'表示从第i个传感器节点开始寻找网络中的最大边，Γ'i表示从i到j的最大边的倒数，函数表示重定义的网络图Γ'：
函数是对离散函数φ(Γ)做了连续平滑操作，提高确定中继器的位置信息准确率。
请见图5，假设存在两个传感器节点SN1(x1，y1)，SN2(x2，y2)，RNi(xi，yi)，中点到两节点的距离相等可得：
通过计算确定中继节点的位置坐标为：
具体地，所述Step4中，充电小车利用在线充电方式中的距离优先策略给传感器节点充电的具体步骤为：
Step 5.1：MC检查服务池S`中是否为空。若为空，重复步骤Step5.1。反之，则判断是否存在满足MC移动到距离它最近的请求节点i所需最长时间Tmc→i＞Ti(t)。其中Ti(t)表示可容忍充电延迟。若存在则删除该记录并重复步骤Step5.1。反之则将该记录i记录于候选集合G中，同时检查节点i的tab值是否为-1，若成立则跳转步骤Step5.2。若不成立则计算出节点i所属的中继节点RNk，继续检查服务池S’中的mark＝k的充电请求节点，将其加入候选集合G中，直到所有的记录都被扫描为止。
Step 5.2：检查充电候选集合G是否为空，若为空则跳转步骤Step5.3，否则检查G中的成员数是否大于1，若是则选择G中距离充电小车最近的节点作为充电目标，其他充电请求节点作为中继节点能量中继的目标节点，否则直接将该节点作为充电小车的充电目标。
Step 5.3：在充电请求过多且充电小车无法及时响应充电服务时，导致候选集合G为空，则充电小车选择S`中距离它最近的节点作为目标节点。
Step 5.4：充电小车执行充电任务：充电小车移动到距离它最近的传感器节点位置，能量通过多跳的方式给目标节点补充能量，即，充电小车从基站处接收到充电请求命令集合为q＝{q1，q2，q3……qn}，对应的充电中继节点集合q`＝{RN1，RN2，RN3……RNj，qn-1，qn}，以充电小车为起始目标点计算q`集合中节点与充电小车相连的路径中选取欧式距离权值最小的一条路径，充电小车以V(m/s)的速度移动到对应的传感器位置，通过一定的振动频率使能量经过多跳方式给中继节点充电范围内的节点补充能量；
请见图6，表示无线可充电传感器网络的能量多跳充电图。首先，该网络由充电小车、谐振中继节点、传感器节点和基站构成。从图看出节点s1、s2、s3属于中继节点R1的充电覆盖范围内并存在flag＝1，tab＝1，节点s5、s6、s14在中继节点R2的充电覆盖范围并存在flag＝1，tab＝2，节点s7、s8、s9在中继节点R3的充电覆盖范围并存在flag＝1，tab＝3，节点s10、s11、s12在中继节点R4的充电覆盖范围内并存在flag＝1，tab＝4，其中s4、s13为网络中的孤立节点并存在flag＝1，tab＝-1。d1、d2、d3、d4、d5、d6分别表示充电小车到节点s3、s4、s14、s9、s10、s13的距离，并且有d1<d3<d6<d4<d5<d2；那么我们假设充电小车从基站处接收到充电请求命令集合为P＝{s2,s3,s5,s7,s10,s13,s6,s9}，因此该能量补充问题转换为充电小车访问集合P`＝{s3,s14,s13,s9,s10}的问题，MC具体充电顺序是P``＝{s3,s2,s5,s6,s7,s9,s10,s13}。以充电小车MC为起点计算P``集合中节点与充电小车相连的路径，在其中选取欧式距离权值最小的一条路径，MC以V(m/s)的速度移动到对应的节点位置，即实际充电服务顺序为P`＝{s3,s14,s13,s9,s10}；充电小车移动到距离它最近的传感器节点位置，能量以一定的振动频率经过多跳方式给中继节点覆盖的传感器节点补充能量。
在无线可充电传感器网络中引入谐振中继器来实现对传感器节点的多跳充电，可显著地延伸移动小车的充电距离，降低节点的充电时延。本发明提出一种包括两个步骤的谐振中继器位置确定策略：第一步利用蜂窝六边形分割整个网络以保证中继器对于传感器节点的充电覆盖；第二步对中继器的位置进行优化调整以实现在保证充电覆盖条件下所需中继器数量的最小化。该策略保证了中继器对传感器的充电覆盖率，有利于实现使用少量的谐振中继器对网络中传感器进行多跳无线充电，提高能量补充效率。本发明能够以一种较低成本的方式有效解决无线传感器网络中节点的能量受限问题，实现网络的可持续性运行。
以上所述仅是本发明的具体思路，以便于本领域的研究人员理解和实施，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变形，一切利用本发明构想的改进或变形视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，其特征在于：包括如下步骤：
Step1：建立一个无线可充电传感器网络模型：在一定的监测区域内随机地部署10个以上传感器节点，移动充电装置以及对应的基站均部署于监测区域的左下方的位置；SNi表示传感器节点构成的集合，下标i表示第i个传感器节点；每个传感器节点自身携带的电池容量为Emax，维持第i个传感器节点生存能量阈值为Emin，RSi(t)表示节点在t时刻电池的剩余能量，S表示服务池中节点的集合，Q表示充电候选节点集合；节点能量消耗周期为ECi，
初始时传感器节点信息为SNi(flag(i)＝0,tab(i)＝0)，其中flag(i)＝0表示该节点未被访问处理，tab(i)＝0表示传感器节点i不属于任何中继节点的充电范围；基站具有足够的电量和通信能力，它位于监测区域的左下方，用于收集传感器节点的充电请求信息和网络事件信息并转发给移动充电小车；移动充电小车的电池容量为E，移动速度为V(m/s)，充电速率为C，可移动到基站的电量阈值为Emc；在无线可充电传感器网络中的中继节点的集合为RN(mark＝0)，其中mark＝0表示未选为待调整的中继节点，第k个中继节点为RNk，传感器节点集合SNi中的tab(i)＝k表示该节点在RNk的充电覆盖范围内，中继节点的最大充电范围为R(R＝3m)；移动充电小车的电池能量E＝Emc时，则移动充电小车移动到基站位置来补充能量，等待下个充电指令的到来；
Step2：根据无线可充电传感器网络中传感器节点信息，对网络中传感器节点之间的连通性进行了研究，解决了节点在充电基础上的全覆盖问题；
Step3：根据无线可充电传感器网络的区域面积和传感器节点的位置信息来确定中继节点在网络中的最大充电范围位置；
从以下两种情况来讨论中继节点的具体部署：
A.蜂窝六边形的性质来分割无线可充电传感器网络并确定中继节点的位置；
B.利用两节点的中点性质来解决一个中继节点覆盖一个传感器节点的问题；
Step4：充电小车利用在线充电方式中的距离优先策略给传感器节点充电。
2.根据权利要求1所述的一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，其特征在于，所述Step2中，深入分析网络中传感器节点之间的连通性具体步骤为：
假设谐振中继器节点(RN)的最大充电半径为R，无线可充电传感器网络中的中继节点和传感器节点以及无线链路的边可以表示为：
Γ＝(U,Z),U＝SUZ
其中，Γ表示无线可充电传感器网络图，U表示网络中节点的个数，S表示传感器节点，Z表示中继器节点，
网络中的边Eij满足以下条件:
其中，R是中继节点的最大充电覆盖半径，Lij表示节点i到节点j之间的距离，x表示网络中传感器节点的个数，ni,nj分别表示第i个和第j个传感器节点；
网络的连通性可以用如下公式计算：
其中，φ(Γ)表示网络的连通性，Eij表示网络中的边，x表示网络中传感器节点的个数，ni,nj分别表示第i个和第j个传感器节点。
3.根据权利要求1所述的一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，其特征在于，所述Step3中的步骤A，利用蜂窝六边形的性质来分割无线可充电传感器网络并确定中继节点的位置，具体步骤为：
监测区域的最大覆盖率是研究的目标，基于网络的连通性，我们利用蜂窝六边形来平均分割传感器网络达到全覆盖的目的；
1)计算任意正六边形的中点坐标
在无线可充电传感器网络中，假设存在任意一个正六边形ABCDEF，若已知点C(x,y)，满足点Q∈S，求解目标是中继节点Q的坐标，连接CQ，BE，AC，边AC与BE相交于点K，平移CK至Q点交CD于G，假设Q点坐标为(X,Y)，由于CQ为RN的最大充电半径R，由欧几里德距离公式以及正六边形的性质可得：
综上所述，知道正六边形的C点坐标，可得正六边的中点坐标：R为谐振中继器的最大充电范围；
2)计算无线可充电传感器网络中任意相邻的正六边形的中点坐标
在无线可充电传感器网络中，假设存在任意相邻的三个正六边形，三个中点分别为RN1＝(x1,y1)，RN2＝(x2,y2)，RN3＝(x3,y3)，满足RN1，RN2，RN3∈S，已知节点RN2＝(x2,y2)，目标是求解中继节点RN1，RN3的坐标，连接三个顶点可以得到三条边分别为d1，d2，d3∈E，A为三个正六边形的交点，过点RN1做边d2的垂线交于点E，连接A-RN3，
由正六边形的性质以及勾股定理可知：
综上所述，知道RN2的坐标，可得：
综上可得：所求目标节点RN1坐标为RN3坐标为其中，R为谐振中继器的最大充电范围，当中继节点位置确定，标记传感器节点SN的flag(i)＝1，tab(i)＝k，其中，flag(i)＝1表示传感器节点i已经被访问处理过，tab(i)＝k表示传感器节点SNi属于第K个中继节点的充电范围，k表示RNk的下标，将未覆盖传感器节点的中继节点删除，保留其他的RN节点，即为中继节点部署的位置。
4.根据权利要求1所述的一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，其特征在于，所述Step3中的步骤B，利用两节点的中点性质来解决一个中继节点覆盖一个传感器节点的问题的具体步骤为：
在均匀部署中继节点时，会存在一个中继器覆盖一个传感器节点的情况，这种情况会增加网络的总体成本，对此需要对该情况的中继节点做一个位置优化，具体过程如下：
在中继节点初始部署完成时，需要对每个中继节点检查并标记RNk(mark＝1)，其中mark＝1表示中继节点充电覆盖范围内存在一个传感器节点，反之，中继节点位置不做处理；
对标记过的中继节点进行位置优化，首先判断任意两个标记过的中继节点充电覆盖范围内的传感器节点(SN1和SN2)之间的距离dij与2R的关系，具体存在以下两个情况：
情况一：dij＞2R，删除标记过的中继节点，将节点SN1孤立并设置SN1(flag(1)＝1，tab(1)＝0)，其中flag(1)＝1表示传感器节点SN1已经访问处理过，tab(1)＝0表示传感器节点不属于任何RN充电范围，为孤立节点；
情况二：dij≤2R，删除标记过的其中一个中继节点，将另一个中继节点放置于SN1和SN2的中点位置，这样可以达到最大覆盖充电范围，降低网络的总成本；具体过程为：
由于公式(2)是一个离散函数，考虑将离散函数转换为连续函数来解决，并对连续函数的形状执行平滑操作来确定中继器的最大充电位置，定义平滑性能函数是连续的和具有平滑的性能，同时考虑了节点的覆盖率和节点之间的通信，具体函数定义为：
其中，Γ'表示从第i个传感器节点开始寻找网络中的最大边，Γ'i表示从i到j的最大边的倒数，函数表示重定义的网络图Γ'：
函数是对离散函数φ(Γ)做了连续平滑操作，提高确定中继器的位置信息准确率；
假设存在SN1(x1，y1)，SN2(x2，y2)，RNi(xi，yi)，中点到两节点的距离相等可得：
通过计算确定中继节点的位置坐标为：
5.根据权利要求1所述的一种多跳无线可充电传感器网络中谐振中继器部署方法，其特征在于，所述Step4中，充电小车利用在线充电方式中的距离优先策略给传感器节点充电的具体步骤为：
Step5.1：MC检查服务池S`中是否为空，若为空，重复步骤Step5.1，反之，则判断是否存在满足MC移动到距离它最近的请求节点i所需最长时间Tmc→i＞Ti(t)，其中Ti(t)表示可容忍充电延迟，若存在则删除该记录并重复步骤Step5.1，反之则将该记录i记录于候选集合G中，同时检查节点i的tab值是否为-1，若成立则跳转步骤Step5.2，若不成立则计算出节点i所属的中继节点RNk，继续检查服务池S’中的mark＝k的充电请求节点，将其加入候选集合G中，直到所有的记录都被扫描为止；
Step5.2：检查充电候选集合G是否为空，若为空则跳转步骤Step5.3，否则检查G中的成员数是否大于1，若是则选择G中距离充电小车最近的节点作为充电目标，其他充电请求节点作为中继节点能量中继的目标节点，否则直接将该节点作为充电小车的充电目标；
Step5.3：在充电请求过多且充电小车无法及时响应充电服务时，导致候选集合G为空，则充电小车选择S`中距离它最近的节点作为目标节点；
Step5.4：充电小车执行充电任务：充电小车移动到距离它最近的传感器节点位置，能量通过多跳的方式给目标节点补充能量，即，充电小车从基站处接收到充电请求命令集合为q＝{q1，q2，q3……qn}，对应的充电中继节点集合q`＝{RN1，RN2，RN3……RNj，qn-1，qn}，以充电小车为起始目标点计算q`集合中节点与充电小车相连的路径中选取欧式距离权值最小的一条路径，充电小车以V(m/s)的速度移动到对应的传感器位置，通过一定的振动频率使能量经过多跳方式给中继节点充电范围内的节点补充能量。
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