CN108738118A - 无线可充电传感器网络中的能量交易方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线可充电传感器网络中的能量交易策略，在综合考虑网络节点的获取能量、消耗能量和剩余能量因素，高效确定节点的睡眠激活状态，从而减少网络的能耗，延长网络的生命周期。各充电点获取可再生能量的同时传输给发生能量请求的传感器节点，各传感器节点会根据实际能量获取以及使用情况选择进入激活或者睡眠状态，激活节点收集并上传数据到基站。充电节点被视为买家，传感器节点被视为买家。作为买家，无线传感器节点希望利益最大化，即能够在无线传输能量采集过程中消耗较少的时间，尽可能高效的使用自带的能源和采集的能源。

Description

无线可充电传感器网络中的能量交易方法
技术领域
本发明涉及一种无线可充电传感器网络中的能量交易策略，属于无线传感器网络睡眠调度能量传输技术领域。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)，由于其高度的学科交叉性和广泛的应用前景受到世界各地学术界和工业界的高度关注。
目前，无线传感器网络被广泛应用，用于许多领域来处理敏感的信息，应用场景包括军事、工业、家庭、医疗、海洋等环境的监测等诸多领域。WSNs节点的能量、处理能力、通信能力十分有限，易因能量耗尽而死亡，这就要求WSNs在提供一定服务的条件下尽可能降低节点能源消耗，提高网络的生命周期。
而且网络节点多部署于无人维护、条件恶劣的环境当中，且大多数情况下传感节点都是一次性使用，能量问题成为了制约无线传感器网络生存时间的重要问题。
研究如何从环境中有效地采集和储存能源能量的收集方法越来越受到研究者的重视。几年来，科学家进行了一些研究，取得了一些进展，其中利用太阳能收集器成为了研究的热点。鉴于无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，为了克服远程无线传感器网络面临的电池工作时间短的问题，美国Millennial Net公司已经将其 i-Bean无线技术与来自新兴公司Ferro Solutions的“能量获得(energy harvesting)”技术结合在一起。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无线可充电传感器网络中的能量交易策略。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种无线可充电传感器网络中的能量交易策略，包括以下步骤：
步骤一，无线可充电传感器节点被随机布置在感兴趣区域中，监测区域环境信息和自身状态，充电节点均匀分布在网络区域中负责采集可再生能源，同时采用网络能量交易原则向传感器节点传输能量；设当前充电节点的总数目为M，传感器节点的总数目为N，活跃传感器节点的数目为Nactive，睡眠传感器节点的数目为Nsleep，t时刻实际采集能量低于预计采集能量的传感器节点的集合为Ncritical，则有Nsleep+Nactive＝N；Ec,n(t)为t时刻传感器节点n消耗的能量， Eh,n(t)为t时刻传感器节点n采集的能量，Eres,n(t)为t时刻传感器节点n剩余的能量，为t时刻传感器节点n预计剩余的能量，为t时刻传感器节点n预计消耗的能量，为t时刻传感器节点n预计采集的能量；
步骤二，如果传感器节点n预计它剩余的能量足以支持当前时间的能量消耗，因此认为没有必要进行能量采集；
步骤三，如果节点n自身剩余能量不足以支持时间t的能量消耗，则节点对外广播能量传输请求，包含所需能量为从所有传感器节点处获取到能量请求后，充电节点将根据传感器节点的剩余和能量传输效率，并通过互相协作来进行能量传输的决策以实现利益的最大化；
步骤四，经过能量采集以后，如果那么传感器节点n则保持活跃的状态，否则节点将进入睡眠状态；
步骤五，如果n∈Ncritical，且Ec,n(t)>Eh,n(t)+Eres,n(t)，那么节点不具备足够的能量来支持下个任务的能量消耗，因此节点进入睡眠状态而非保持活跃。
作为优选方案，所述步骤一中，可再生资源包括太阳能、风能、潮汐能。
作为优选方案，所述步骤一通过能量的高效传输策略，再加上睡眠调度，有效延长网络的生命周期和能量均衡。
作为优选方案，所述能量的高效传输策略，包括：当CPs接收到来自无线传感器节点的能量请求时，CPs代表多个能量源，能量源计算了第j个无线传感器节点与第i个充电节点之间的对应距离(cp_i， n_j)；然后，CPs协同决定，基于“min”d(cp_i，n_j)的无线能量传输，基于无线能量传输依赖于发射机和接收机之间的距离，将无线能量传输到第j个无线传感器节点；
其中，“min”d(cp_i，n_j)代表当CPs接收到来自无线传感器节点的能量请求时，首先计算第j个传感器节点与第i个充电节点的距离，然后选择距离最近的充电节点；这是由于无线能量传输的效率取决于传输距离，当传感器节点与充电节点的距离较近时，能量传输效率最高。
作为优选方案，所述网络能量交易原则的流程：首先是传感器节点，买家发现预期消耗能量大于剩余能量时，会发出能量需求信息，信息会通过路由策略传输至可充电节点；
然后是可充电节点转换可再生能源存储，同时接受来自传感器节点的能量请求；
最后可充电节点会综合考虑传感器节点的请求，选择需要能量来完成任务的节点提供能量，同时会考虑充电节点之间的协作，以更高的效率将能量传输至传感器节点。
作为优选方案，所述充电节点之间的协作，充电节点之间通过一跳或者多跳的方式进行通信；当某个传感器节点请求能量时，它周围的充电节点都能接收到请求；假设请求量大于2个，那么通过多个 CPs同时向传感器节点传输无线能量；多个CPs先通过相互之间的通信分配传输量，再传输能量。
有益效果：本发明提供的无线可充电传感器网络中的能量交易策略，其优点如下：
1、本发明方法使用可再生资源作为传感器节点的能量供应来源，有效避免节点频繁更换电池，增加网络的生命周期，使传感器网络具备长时间通信能力。
2、本发明的能量交易策略，更有效地利用获得的可再生资源，买家能够在无线传输能量采集过程中消耗较少的时间，尽可能高效的使用自带的能源和采集的能源。卖家向那些需要能量来完成任务的传感器节点传输能量。
3、本发明中充电节点通过互相合作来决定传输到传感器节点的能量总量，因为传输距离和其他因素比如传感器位置和构造都会限制无线传输的效率，以此来提高能量传输效率，提升整个网络的能量利用率。
附图说明
图1为无线可充电传感器网络能量交易模型；
图2为充电节点卖家选择传感器节点策略；
图3为可充电传感器网络能量交易的流程；
图4为买家和卖家节点的收益。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
睡眠调度是延长网络寿命的一种高效的手段，这种方法允许部分节点处于睡眠状态，以节省节点的能量消耗。然而，仅仅通过睡眠调度并不能解决节点能量受限的问题，能量采集是另一种可供选择的技术方法。
无线能量采集是一种能量传递切实可行的解决方案，它能够将能量从充电节点传递到传感器节点。然而，能量传递的效率一直是无线能量传输的瓶颈之一。因此，通过无线手段进行能量采集并不总是高效或者可行的。而且，小型传感器节点只具备有限的能量存储容量，因此能量储备的能力是十分有限的。此外，能量泄漏也是在低功耗传感器节点中不可忽略的一个问题。
传感器节点只是在预期的能量消耗高于剩余能量时，传感器节点才开始采集无线传输的能量。传感器节点会向充电节点发出无线能量传输需求，就能量交易而言，这些充电节点则扮演着卖家的角色，而传感器节点则扮演着买家的角色。
作为买家，无线传感器节点希望利益最大化，即能够在无线传输能量采集过程中消耗较少的时间，尽可能高效的使用自带的能源和采集的能源。同时，作为卖家，传输节点同样追求自身的利益最大化，即仅仅向那些需要能量来完成任务的传感器节点传输能量。除此之外，这些充电节点通过互相合作来决定传输到传感器节点的能量总量，因为传输距离和其他因素比如传感器位置和构造都会限制无线传输的效率。
如图1所示，白色圆圈代表睡眠节点，黑色圆圈代表激活节点，灰色虚直线为激活节点数据上传路线，灰色正方形代表可充电节点，可充电节点可传输能量至周围圆形范围内的传感器节点。无线可充电传感器网络中包括：传感器节点、充电节点，其中传感器节点、充电节点的数目及状态如表1所示：
表1
如图2所示，充电节点卖家选择传感器节点策略，如果传感器节点只属于一个充电节点的覆盖区域，那么唯一的充电节点负责传输无线能量。例如，传感器节点N1、N2、N9和N12属于充电节点CP1 充电覆盖区域，因此只有充电节点CP1能够在这些传感器节点请求无线能量采集时将无线能量传输到这些节点。同样，只有充电节点 CP2将无线能量传输到传感器节点N5、N6和N7。
从图2中可以看出，节点N3、N4、N8、N10和N11属于CP1 和CP2的交叉区域。这些节点集将请求发送给两个充电节点CP1和 CP2。其中，N11当前时刻处于睡眠状态。
当CPs接收到来自无线传感器节点的能量请求时，CPs代表多个能量源，比如太阳能、风能、潮汐能等，能量源计算了第j个无线传感器节点与第i个充电节点之间的对应距离(cp_i，n_j)。然后，CPs 协同决定，基于“min”d(cp_i，n_j)的无线能量传输，基于无线能量传输依赖于发射机和接收机之间的距离，将无线能量传输到第j个无线传感器节点。
其中，“min”d(cp_i，n_j)代表当CPs接收到来自无线传感器节点的能量请求时，首先计算第j个传感器节点与第i个充电节点的距离，然后选择距离最近的充电节点。这是由于无线能量传输的效率取决于传输距离，当传感器节点与充电节点的距离较近时，能量传输效率最高。
如图3所示，可充电传感器网络能量交易的流程，首先是传感器节点(买家)发现预期消耗能量大于剩余能量时，会发出能量需求信息，信息会通过路由策略传输至可充电节点；
然后是可充电节点转换可再生能源存储，同时接受来自传感器节点的能量请求；
最后可充电节点会综合考虑传感器节点的请求，选择需要能量来完成任务的节点提供能量，同时会考虑充电节点之间的协作，以更高的效率将能量传输至传感器节点。
对于充电节点之间的协作，充电节点之间通过一跳或者多跳的方式进行通信。当某个传感器节点请求能量时，它周围的充电节点都能接收到请求。假设请求量大于2个，那么通过多个CPs同时向传感器节点传输无线能量。多个CPs先通过相互之间的通信分配传输量，再传输能量。多个充电节点的协作，有效提高传输时间和效率。
如图4所示，买家和卖家节点的收益。
买家节点关心传输的能量总量，卖家节点关心能量的传输效率和能量利用方式。
卖家充电节点的收益包括：能量采集中消耗的时间少；传感器节点如何使用收集的能量和剩余的能量。
买家传感器节点的收益包括：被传输的能量总量；只向那些提出能量收集需求的传感器节点传输能量。
一种无线可充电传感器网络中的能量交易策略，包括以下步骤：
步骤一，无线可充电传感器节点被随机布置在感兴趣区域中，监测区域环境信息和自身状态，充电节点均匀分布在网络区域中负责采集可再生能源，同时向传感器节点传输能量。设当前充电节点的总数目为M，传感器节点的总数目为N，活跃传感器节点的数目为Nactive，睡眠传感器节点的数目为Nsleep，t时刻实际采集能量低于预计采集能量的传感器节点的集合为Ncritical，则有Nsleep+Nactive＝N。 Ec,n(t)为t时刻传感器节点n消耗的能量，Eh,n(t)为t时刻传感器节点n采集的能量，Eres,n(t)为t时刻传感器节点n剩余的能量， 为t时刻传感器节点n预计剩余的能量，为t时刻传感器节点n预计消耗的能量，为t时刻传感器节点n预计采集的能量；
步骤二，如果节点n预计它剩余的能量足以支持当前时间的能量消耗，因此它认为没有必要进行能量采集。
步骤三，如果节点n自身剩余能量不足以支持时间t的能量消耗，则节点对外广播能量传输请求，包含所需能量为从所有传感器节点处获取到能量请求后，充电节点将根据传感器节点的剩余和能量传输效率，并通过互相协作来进行能量传输的决策以实现利益的最大化。
步骤四，经过能量采集以后，如果那么传感器节点n则保持活跃的状态，否则节点将进入睡眠状态。
步骤五，如果n∈Ncritical，且Ec,n(t)>Eh,n(t)+Eres,n(t)，那么节点不具备足够的能量来支持下个任务的能量消耗，因此节点进入睡眠状态而非保持活跃。
所述步骤一中，位于充电点处的能量获取来源为可再生资源，例如太阳能、风能、潮汐能等等。
所述步骤一中，通过能量的高效传输策略，再加上睡眠调度，有效延长网络的生命周期和能量均衡。
所述步骤二和步骤三，节点根据自身能量剩余和能量消耗状态来决定是否发出能量供应请求，以及最终决定进入激活还是睡眠状态。
所述步骤五中，对于实际采集能量低于预计采集能量的传感器节点会直接进入睡眠状态。
无线可充电传感器节点被随机布置在感兴趣区域中，监测区域环境信息和自身状态，充电节点均匀分布在网络区域中负责采集可再生能源，同时向传感器节点传输能量。
当前时刻t，如果节点预计它剩余的能量足以支持能量的消耗。因此它认为没有必要进行能量采集。
如果节点n则对外广播能量传输请求，包含有所需能量为从所有“买家”传感器节点处获取到能量请求后，“卖家”充电节点将根据传感器节点的剩余和能量传输效率，并通过互相协作来进行能量传输的决策以实现利益的最大化。经过能量采集以后，如果那么传感器节点n则保持活跃的状态，否则节点将进入睡眠状态。
对于节点n来说，如果n∈Ncritical，且Ec,n(t)>Eh,n(t)+Eres,n(t)，那么节点不具备足够的能量来支持下个任务的能量消耗，因此节点进入睡眠状态而非保持活跃。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无线可充电传感器网络中的能量交易策略，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，无线可充电传感器节点被随机布置在感兴趣区域中，监测区域环境信息和自身状态，充电节点均匀分布在网络区域中负责采集可再生能源，同时采用网络能量交易原则向传感器节点传输能量；设当前充电节点的总数目为M，传感器节点的总数目为N，活跃传感器节点的数目为Nactive，睡眠传感器节点的数目为Nsleep，t时刻实际采集能量低于预计采集能量的传感器节点的集合为Ncritical，则有Nsleep+Nactive=N；Ec,n(t)为t时刻传感器节点n消耗的能量，Eh,n(t)为t时刻传感器节点n采集的能量，Eres,n(t)为t时刻传感器节点n剩余的能量，Ĕres,n(t) 为t时刻传感器节点n预计剩余的能量， Ĕc,n(t)为t时刻传感器节点n预计消耗的能量，Ĕh,n(t)为t时刻传感器节点n预计采集的能量；
步骤二，如果Ĕc,n(t)<Eres,n(t)，传感器节点n预计它剩余的能量足以支持当前时间的能量消耗，因此认为没有必要进行能量采集；
步骤三，如果Ĕc,n(t)<Eres,n(t)，节点n自身剩余能量不足以支持时间t的能量消耗，则节点对外广播能量传输请求，包含所需能量为Eres,n(t)-Ĕc, n(t)；从所有传感器节点处获取到能量请求后，充电节点将根据传感器节点的剩余和能量传输效率，并通过互相协作来进行能量传输的决策以实现利益的最大化；
步骤四，经过能量采集以后，如果Ĕh,n(t)>Eh,n(t)，那么传感器节点n则保持活跃的状态，否则节点将进入睡眠状态；
步骤五，如果nϵNcritical，且Ec,n(t)> Eh,n(t)+Eres,n(t)，那么节点不具备足够的能量来支持下个任务的能量消耗，因此节点进入睡眠状态而非保持活跃。
2.根据权利要求1所述的无线可充电传感器网络中的能量交易策略，其特征在于：所述步骤一中，可再生资源包括太阳能、风能、潮汐能。
3.根据权利要求1所述的无线可充电传感器网络中的能量交易策略，其特征在于：所述步骤一通过能量的高效传输策略，再加上睡眠调度，有效延长网络的生命周期和能量均衡。
4.根据权利要求3所述的无线可充电传感器网络中的能量交易策略，其特征在于：所述能量的高效传输策略，包括：当CPs接收到来自无线传感器节点的能量请求时，CPs代表多个能量源，能量源计算了第j个无线传感器节点与第i个充电节点之间的对应距离(cp_i，n_j)；然后，CPs协同决定，基于“min”d(cp_i，n_j)的无线能量传输，基于无线能量传输依赖于发射机和接收机之间的距离，将无线能量传输到第j个无线传感器节点；
其中，“min”d(cp_i，n_j)代表当CPs接收到来自无线传感器节点的能量请求时，首先计算第j个传感器节点与第i个充电节点的距离，然后选择距离最近的充电节点；这是由于无线能量传输的效率取决于传输距离，当传感器节点与充电节点的距离较近时，能量传输效率最高。
5.根据权利要求1所述的无线可充电传感器网络中的能量交易策略，其特征在于：所述网络能量交易原则的流程：首先是传感器节点，买家发现预期消耗能量大于剩余能量时，会发出能量需求信息，信息会通过路由策略传输至可充电节点；
然后是可充电节点转换可再生能源存储，同时接受来自传感器节点的能量请求；
最后可充电节点会综合考虑传感器节点的请求，选择需要能量来完成任务的节点提供能量，同时会考虑充电节点之间的协作，以更高的效率将能量传输至传感器节点。
6.根据权利要求5所述的无线可充电传感器网络中的能量交易策略，其特征在于：所述充电节点之间的协作，充电节点之间通过一跳或者多跳的方式进行通信；当某个传感器节点请求能量时，它周围的充电节点都能接收到请求；假设请求量大于2个，那么通过多个CPs同时向传感器节点传输无线能量；多个CPs先通过相互之间的通信分配传输量，再传输能量。
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