CN108599402B - 一种无线传感网络的无线充电控制装置及其充电控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线传感网络的无线充电控制装置及其充电控制方法，用于给包括多个无线传感器的无线传感网络中的无线传感器进行无线充电，包括能为前述无线传感器进行无线充电的无线充电装置，其特征在于：还包括移动设备，用于承载所述无线充电装置，并能带动无线充电装置移动；基站，能接收无线传感网络中的无线传感器发出的无线充电请求，并根据发出无线充电请求的无线传感器位置，发出控制信号给移动设备，使移动设备发生移动，从而使发出无线充电请求的无线传感器位于无线充电装置的充电范围之内；或发出控制信号给移动设备，使移动设备返回基站。与现有技术相比，本发明的优点在于能对无线充电装置进行有效调度。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感网络的无线充电控制装置及其充电控制方法。
背景技术
在物联网应用和生物环境检测中，往往需要同时测量多种不同参数，例如同时测量温度、湿度、光强和含氧量等参数，这需要大量且分布密集的传感器同时发挥作用。在这种情形下，传感器往往通过电池和电容供电，电能供应成了制约这种传感器网络应用的关键因数之一。现有的无线传感器网络，有些会采用基于电磁感应的方式进行充电，但它们的充电方法不够高效，例如采用静止的无线充电器，抑或采用移动的无线充电器，其调度算法不够高效简洁；或者采用多个基站和移动的无线充电器，导致成本过高。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题是针对上述现有技术提供一种能根据发出无线充电请求的无线传感器位置对无线充电装置进行有效调度的无线传感网络的无线充电控制装置。
本发明进一步所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种能根据发出无线充电请求的无线传感器位置和数量对无线充电装置进行有效调度从而提高无线充电装置的充电效率的无线传感网络的无线充电控制装置的无线充电控制方法。
本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：一种无线传感网络的无线充电控制装置，用于给包括多个无线传感器的无线传感网络中的无线传感器进行无线充电，包括能为前述无线传感器进行无线充电的无线充电装置，其特征在于：还包括
移动设备，用于承载所述无线充电装置，并能带动无线充电装置移动；
基站，能接收无线传感网络中的无线传感器发出的无线充电请求，并根据发出无线充电请求的无线传感器位置，发出控制信号给移动设备，使移动设备发生移动，从而使发出无线充电请求的无线传感器位于无线充电装置的充电范围之内；或发出控制信号给移动设备，使移动设备返回基站。
为了提高无线充电装置的充电效率，降低无线充电成本，所述基站根据发出无线充电请求的无线传感器位置及数量，生成最佳充电区域，并发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至最佳充电区域，其中最佳充电区域需要满足：无线充电装置能同时、且有效地为尽可能多的无线传感器进行无线充电。
为了更加有效为最佳充电区域内所有的无线传感器进行充电，所述基站根据生成的最佳充电区域，发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至最佳充电区域的中心位置。
作为优选，所述最佳充电区域为圆形，且最佳充电区域的圆形满足如下条件：
l′≤l且n′≤a；l′为最佳充电区域的圆形半径，l为无线充电装置最大有效充电范围半径；n′为最佳充电区域内发出无线充电请求的无线传感器数量，a为常数，取值依赖于无线充电装置所支持的无线协议，当无线充电装置支持A4WP-S-0001无线协议时，无线充电装置的无线充电原理为电磁共振，a取值为8。
作为改进，所述基站根据发出无线充电请求的无线传感器位置制作充电请求列表，同时不断接收新的无线传感器发出的无线充电请求，并刷新充电请求列表；在当前最佳充电区域内的无线传感器完成充电后，基站规划出下一个最佳充电区域，同时再次发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至下一个最佳充电区域，为下一个最佳充电圆的内的无线传感器充电，这样就能不间断地为发出无线充电请求的无线传感器进行充电。
作为优选，所述最佳充电区域为圆形，所述移动设备为在地面运行的电驱动移动车；在同一时刻，如果存在多个最佳充电圆，则基站控制移动设备前往的最佳充电圆编号满足公式(1)(2)(3)：
(l'i≤l)&(n'i≤8)&((α×(Li+Lsi)+n'i×C/β)≤Q)i＝1,2,3,4......； (1)
max(n'i)i＝1,2,3,4.....； (2)
max(n'i/Li)i＝1,2,3,4.....； (3)
上述三个公式中，i为最佳充电圆的编号，l'i为第i个最佳充电圆半径；n'i为第i个最佳充电圆内待充电的无线传感器数量；max()为求最大值的函数，其输入为当前所有请求充电的最佳充电圆的n'i或n′i/Li，输出为同时具有n'i和n′i/Li最大值时的充电圆编号；Li为当前最佳充电圆到第i个最佳充电圆的距离，Lsi为移动设备从下一最佳充电圆到基站的距离；α为单位距离所消耗的电量，C为待充电传感器完成充电所需电量，Q为移动设备剩余电量；β为电能转化效率。
作为较好的方式，无线传感网络中的无线传感器分布在以基站为中心、半径为b*l的圆内，其中，l为无线充电装置最大有效充电范围半径；b为常数，取值范围为10～15。
无线传感网络中的所有无线传感器的充电线圈均垂直于地面且互相平行，圆心与位于移动设备上的无线充电装置的充电线圈的圆心在同一高度。
最佳充电区域内的无线传感器的列数和行数不超过常数c，c的取值为5～8。
所述无线传感网络还包括有若干用于向基站转发无线传感器的无线充电请求的路由节点。
本发明解决上述进一步技术问题所采用的技术方案为：一种具有上述结构的无线传感网络的无线充电控制装置的无线充电控制方法，其特征在于：接收无线传感网络中的无线传感器发出的无线充电请求，并根据发出无线充电请求的无线传感器位置和数量，生成最佳充电区域，并发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至最佳充电区域，其中最佳充电区域需要满足：无线充电装置能同时、且有效地为尽可能多的无线传感器进行无线充电。
作为改进，基站根据发出无线充电请求的无线传感器位置制作充电请求列表，同时不断接收新的无线传感器发出的无线充电请求，并刷新充电请求列表；在当前最佳充电区域内的无线传感器完成充电后，基站规划出下一个最佳充电区域，同时再次发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至下一个最佳充电区域，为下一个最佳充电圆的内的无线传感器充电；若基站无法规划出下一个最佳充电区域，则基站发出控制信号给移动设备，使移动设备返回基站。
所述最佳充电区域为圆形，所述移动设备为在地面运行的电驱动移动车；在同一时刻，如果存在多个最佳充电圆，则基站控制移动设备前往的最佳充电圆编号满足公式(1)(2)(3)：
(l'i≤l)&(n'i≤8)&((α×(Li+Lsi)+n'i×C/β)≤Q)i＝1,2,3,4......； (1)
max(n'i)i＝1,2,3,4.....； (2)
max(n'i/Li)i＝1,2,3,4.....； (3)
上述三个公式中，i为最佳充电圆的编号，l'i为第i个最佳充电圆半径；n'i为第i个最佳充电圆内待充电的无线传感器数量；max()为求最大值的函数，其输入为当前所有请求充电的最佳充电圆的n'i或n′i/Li，输出为同时具有n'i和n′i/Li最大值时的充电圆编号；Li为当前最佳充电圆到第i个最佳充电圆的距离，Lsi为移动设备从下一最佳充电圆到基站的距离；α为单位距离所消耗的电量，C为待充电传感器完成充电所需电量，Q为移动设备剩余电量；β为电能转化效率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置基站来接收无线传感器的充电请求，根据无线传感器的位置，驱动移动设备，将无线充电装置载至需要位置，从而对无线充电装置进行有效调度。
附图说明
图1为本发明实施例中无线充电装置的线圈和无线传感器的线圈示意图；
图2是为本发明实施例中无线充电装置为线传感器网络的无线充电示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种无线传感网络的无线充电控制装置，用于给包括多个无线传感器的无线传感网络中的无线传感器进行无线充电，包括：
移动设备，用于承载无线充电装置，并能带动无线充电装置移动，无线充电装置能为前述无线传感器进行无线充电；
基站，能接收无线传感网络中的无线传感器发出的无线充电请求，并根据发出无线充电请求的无线传感器位置，发出控制信号给移动设备，使移动设备发生移动，从而使发出无线充电请求的无线传感器位于无线充电装置的充电范围之内；或发出控制信号给移动设备，使移动设备返回基站。
由于无线传感网络中的无线传感器数量较多，同时发出无线充电请求的无线传感器可能为多个，为了提高无线充电效率，基站根据发出无线充电请求的无线传感器位置及数量，生成最佳充电区域，并发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至最佳充电区域，其中最佳充电区域需要满足：无线充电装置能同时、且有效地为尽可能多的无线传感器进行无线充电。
本实施例中，无线充电装置符合A4WP-S-0001协议，有效工作距离的半径为1米，线圈垂直于地面，同时充电目标最大为8；为获得更大的充电效率，线圈两侧无电磁隔离挡板；移动设备为在地面运行的电驱动移动车，大小为充电器的2倍，移动设备上装有无线收发模块和微控制器，用来接收和处理基站下达的指令，进而控制移动设备的移动；另外，移动设备上装有电池，用来为移动设备和无线充电装置提供电能；无线传感网络中的无线传感器以基站为中心，呈圆形分布，直径为24米，最大列数为48列，所有无线传感器的线圈平行且在同一高度，中心与充电器无线充电装置的线圈在同一高度。基站由收发模块和处理器构成，用来接收无线传感器的充电请求命令和无线传感器的数据，并生成最佳充电区域和转发无线传感器的数据；基站的电能通过有线的方式传输。
如图1所示，100为无线充电装置的线圈，101、105、106、107、108、110为请求无线充电的无线传感器的线圈，102、103、104、109、111、112为电量充足的无线传感器的线圈；充电方式为磁共振，为获得更高充电效率，所有线圈平行，且线圈中心处于同一高度，谐振频率相同，充电方式为磁共振。
本发明实施中无线充电控制装置的无线充电控制方法包括以下步骤：
S1、移动设备停留在基站充电或等待基站的命令；基站不间断的接收来自无线传感器的无线充电请求并刷新充电请求列表；对于在基站附近的无线传感器，无线传感器直接将充电请求发送给基站；无线传感网络内还包括多个路由节点，对于处在离基站较远地方的无线传感器，则通过路由节点请求转发无线充电请求至基站；
S2、基站不断规划最佳充电圆；
S3、若生成最佳充电圆，则基站控制载有符合A4WP-S-0001协议的无线充电器的移动设备移向最佳充电圆的圆心，在到达目的地之后开始为最佳充电圆内的无线传感器进行充电；若没有生成充电最佳充电圆，则继续留在S1状态；充电完成后，判断是否存在下一个最佳充电圆；如存在，则基站控制移动设备移向下一个最佳充电圆的圆心，为下一个最佳充电圆内的无线传感器进行充电。
基站生成最佳充电圆满足如下条件：l′≤l且n′≤a；l′为最佳充电区域的圆形半径，l为无线充电装置最大有效充电范围半径；n′为最佳充电区域内发出无线充电请求的无线传感器数量，a为常数，取值依赖于无线充电装置所支持的无线协议，当无线充电装置支持A4WP-S-0001无线协议时，无线充电装置的无线充电原理为电磁共振，a取值为8。
在同一时刻，如果存在多个最佳充电圆，则基站控制移动设备下一个前往的最佳充电圆编号满足公式(1)(2)(3)：
(l'i≤l)&(n'i≤8)&((α×(Li+Lsi)+n'i×C/β)≤Q)i＝1,2,3,4......； (1)
max(n'i)i＝1,2,3,4.....； (2)
max(n'i/Li)i＝1,2,3,4.....； (3)
上述三个公式中，i为最佳充电圆的编号，l'i为第i个最佳充电圆半径；n'i为第i个最佳充电圆内待充电的无线传感器数量；max()为求最大值的函数，其输入为当前所有请求充电的最佳充电圆的n'i或n′i/Li，输出为同时具有n'i和n′i/Li最大值时的充电圆编号；Li为当前最佳充电圆到第i个最佳充电圆的距离，Lsi为移动设备从下一最佳充电圆到基站的距离；α为单位距离所消耗的电量，C为待充电传感器完成充电所需电量，Q为移动设备剩余电量；β为电能转化效率。
请参见图2所示，基站199在规划出最佳充电圆201之后，向移动设备200发出指令，移动设备移向最佳充电圆的圆心，在到达最佳充电圆201圆心之后为最佳充电圆内的无线传感器进行充电；在完成最佳充电圆201圆内的无线传感器的供电之后，基站199规划出第二个最佳充电圆202，并控制移动设备移向第二个最佳充电圆202的圆心并为圆内传感器供电。在完成第二个最佳充电圆202内无线传感器的充电之后，基站199没有规划出最佳充电圆，移动设备200返回基站。
Claims (8)
1.一种无线传感网络的无线充电控制装置，用于给包括多个无线传感器的无线传感网络中的无线传感器进行无线充电，包括能为前述无线传感器进行无线充电的无线充电装置，其特征在于：还包括
移动设备，用于承载所述无线充电装置，并能带动无线充电装置移动；
基站，能接收无线传感网络中的无线传感器发出的无线充电请求，并根据发出无线充电请求的无线传感器位置，发出控制信号给移动设备，使移动设备发生移动，从而使发出无线充电请求的无线传感器位于无线充电装置的充电范围之内；或发出控制信号给移动设备，使移动设备返回基站；所述基站根据发出无线充电请求的无线传感器位置及数量，生成最佳充电区域，并发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至最佳充电区域，其中最佳充电区域需要满足：无线充电装置能同时、且有效地为尽可能多的无线传感器进行无线充电；
所述基站根据发出无线充电请求的无线传感器位置制作充电请求列表，同时不断接收新的无线传感器发出的无线充电请求，并刷新充电请求列表；在当前最佳充电区域内的无线传感器完成充电后，基站规划出下一个最佳充电区域，同时再次发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至下一个最佳充电区域，为下一个最佳充电圆的内的无线传感器充电；
所述最佳充电区域为圆形，所述移动设备为在地面运行的电驱动移动车；在同一时刻，如果存在多个最佳充电圆，则基站控制移动设备下一个前往的最佳充电圆编号满足公式(1)(2)(3)：
(l'i≤l)&(n'i≤8)&((α×(Li+Lsi)+n'i×C/β)≤Q) i＝1,2,3,4......；(1)
max(n'i) i＝1,2,3,4.....；(2)
max(n'i/Li) i＝1,2,3,4.....；(3)
上述三个公式中，i为最佳充电圆的编号，l'i为第i个最佳充电圆半径；l为无线充电装置最大有效充电范围半径，n'i为第i个最佳充电圆内待充电的无线传感器数量；max()为求最大值的函数，其输入为当前所有请求充电的最佳充电圆的n'i或n′i/Li，输出为同时具有n'i和n′i/Li最大值时的充电圆编号；Li为当前最佳充电圆到第i个最佳充电圆的距离，Lsi为移动设备从下一最佳充电圆到基站的距离；α为单位距离所消耗的电量，C为待充电传感器完成充电所需电量，Q为移动设备剩余电量；β为电能转化效率。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络的无线充电控制装置，其特征在于：所述基站根据生成的最佳充电区域，发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至最佳充电区域的中心位置。
3.根据权利要求1或2所述的无线传感网络的无线充电控制装置，其特征在于：最佳充电区域的圆形满足如下条件：
l′≤l且n′≤a；l′为最佳充电区域的圆形半径，l为无线充电装置最大有效充电范围半径；n′为最佳充电区域内发出无线充电请求的无线传感器数量，a为常数，取值依赖于无线充电装置所支持的无线协议，当无线充电装置支持A4WP-S-0001无线协议时，无线充电装置的无线充电原理为电磁共振，a取值为8。
4.根据权利要求1所述的无线传感网络的无线充电控制装置，其特征在于：无线传感网络中的无线传感器分布在以基站为中心、半径为b*l的圆内，其中，l为无线充电装置最大有效充电范围半径；b为常数，取值范围为10～15。
5.根据权利要求1所述的无线传感网络的无线充电控制装置，其特征在于：无线传感网络中的所有无线传感器的充电线圈均垂直于地面且互相平行，圆心与位于移动设备上的无线充电装置的充电线圈的圆心在同一高度。
6.根据权利要求5所述的无线传感网络的无线充电控制装置，其特征在于：最佳充电区域内的无线传感器的列数和行数不超过常数c，c的取值为5～8。
7.根据权利要求1所述的无线传感网络的无线充电控制装置，其特征在于：所述无线传感网络还包括有若干用于向基站转发无线传感器的无线充电请求的路由节点。
8.一种如权利要求1所述的无线传感网络的无线充电控制装置的无线充电控制方法，其特征在于：接收无线传感网络中的无线传感器发出的无线充电请求，并根据发出无线充电请求的无线传感器位置和数量，生成最佳充电区域，并发出控制信号给移动设备，使移动设备移动至最佳充电区域，其中最佳充电区域需要满足：无线充电装置能同时、且有效地为尽可能多的无线传感器进行无线充电。
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