CN108832730B - 一种物联网无线充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物联网无线充电方法，无线充电基础环境布置，安装具有可无线充电的物联网节点，这些物联网节点采用全向天线，每隔一段距离部署一个充电站，每个充电站配备一个移动充电装置，移动充电装置负责为此区间的物联网节点充电，移动充电装置的电池容量足以满足所负责区间内物联网节点充电需求，安装移动目标定位系统，能够实时确定移动充电装置的当前位置；一旦待充电物联网节点被移动充电装置的主波束覆盖，充电过程即告开始，移动充电装置边移动边充电，充分利用了智能天线的波束成型能力，从而降低了充电过程的能量损耗；同时充分利用了移动充电装置的行进时间，减小网络充电总时间。

Description

一种物联网无线充电方法
技术领域
本发明属于矿山物联网无线充电技术领域，具体涉及一种物联网无线充电方法。
背景技术
目前，绝大多数矿山物联网节点(如振动传感器、温度传感器等)依靠电池供电，即使采用低功耗硬件设计和节能协议，电池能量也将逐渐降低并最终为零。因此，必须有专人负责为这些节点周期性更换电池，以保证矿山物联网的连续稳定工作。然而，要为大量矿山物联网节点更换电池的工作量太大，费时费力，而且容易遗忘、漏换，致使部分节点在电池耗尽之后无法正常工作，这样不但浪费了前期投资，而且造成了监测空洞和数据缺失，为矿山物联网的整体功能发挥带来了一定负面影响。
无线充电技术的发展为矿山物联网节点的电能补充提供了全新机遇，但是现有方法绝大多数都假定移动充电装置采用全向天线，特别是没有考虑到煤矿巷道的特点和应用需求。煤矿巷道是一种受限物理空间，部署在其中的移动充电装置所辐射的能量只需要沿着巷道方向(而不是所有方向)传播即可。因此，在对矿山物联网节点充电的时候，若移动充电装置采用全向天线，将有很大一部分能量在充电过程中损耗掉，大大降低了充电效率。
发明内容
为了克服现有技术领域存在的上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种物联网无线充电方法，能源利用率高，有效提高了充电效率。
本发明提供的一种物联网无线充电方法，包括以下步骤：
一、无线充电基础环境布置：安装具有可无线充电的物联网节点，这些物联网节点采用全向天线，每隔一段距离部署一个充电站，每个充电站配备一个移动充电装置，移动充电装置负责为此区间的物联网节点充电，移动充电装置的电池容量足以满足所负责区间内物联网节点充电需求，安装移动目标定位系统，能够实时确定移动充电装置的当前位置；
二、充电：(1)移动充电装置在充电站为自己的电池充满电；
(2)移动充电装置以速度v匀速直线移动，开始为所负责区间内的物联网节点充电，移动充电装置在移动过程中通过与移动目标定位系统交互的方式，实时确定自身坐标位置；
(3)待充电物联网节点实时检测自身的剩余工作时间，并将剩余工作时间信息通过单跳或多跳的方式发送给移动充电装置；
(4)移动充电装置根据所收到的各个物联网节点的剩余工作时间信息确定充电顺序，原则如下：①若移动充电装置按照正常行进路径逐个充电的方式到达物联网节点Nodej的时间小于或等于该节点的剩余工作时间，移动充电装置按照行进路径逐个为物联网节点充电；②若移动充电装置按照正常行进路径逐个充电的方式到达物联网节点Nodej的时间大于该节点的剩余工作时间，那么移动充电装置就跳过途中剩余能量最多的若干个节点，待移动充电装置返程时再为其充电，跳过的节点个数以满足移动充电装置能够及时到达物联网节点Nodej为准；(5)当待充电物联网节点Nodei被移动充电装置的波束覆盖时，该物联网节点Nodei开始计算自己充到满电量所需的能量Wi，然后按照下述情况要求移动充电装置为其充电：
①若
Figure GDA0003165584280000021
说明移动充电装置在移动过程中就可完成节点充电，移动充电装置只需一直以速度v向前移动即可；
②若
Figure GDA0003165584280000022
说明移动充电装置无法在移动过程中给节点充满电，需要在位置O停留一段时间
Figure GDA0003165584280000023
为该物联网节点充到满电量状态；
其中：
Figure GDA0003165584280000024
为移动充电装置MC从当前所在的M点移动到待充电物联网节点Nodei与移动充电装置MC移动路径垂直点O点时，物联网节点Nodei能够获得的能量；
Figure GDA0003165584280000025
为移动充电装置MC从O点移动到物联网节点Nodei的波束覆盖最远点M/点时，物联网节点Nodei能够获得的能量；
Figure GDA0003165584280000026
由公式(1)：
Figure GDA0003165584280000027
计算获取；
上述公式(1)中：gm为智能天线方向性增益，表示输入功率相等的情况下，智能天线与全向天线在给定方向的辐射强度之比；
Figure GDA0003165584280000028
GMC和Gr(i)分别是移动充电装置MC和物联网节点Nodei的天线增益，η是整流效率，PMC是移动充电装置MC的发射功率，Lp是极化损耗，λ为充电信号波长；β是用于修正Friis自由空间方程在短距传输时的参数；
Figure GDA0003165584280000029
的计算方法采用如下公式(2)：
Figure GDA0003165584280000031
公式(2)中，λ＝w2/4，
Figure GDA0003165584280000032
p和q的取值采用公式计算：
Figure GDA0003165584280000033
T为移动充电装置MC从M点移动到O点所需要的时间；
Figure GDA0003165584280000034
的计算方法如下：在公式(2)中加上一个负号，并将公式(2)中p和q的计算公式分别改为p＝0、
Figure GDA0003165584280000035
即可。
所述移动充电装置的高度与物联网节点的高度相等。
所述物联网节点固定设置，为静置节点。
本发明提供的一种物联网无线充电方法，其有益效果在于，设置移动充电装置的高度与物联网节点的高度相等，有效提高充电效率；物联网节点固定设置，为静置节点，部署好之后便不再移动，因此这些节点的坐标位置对移动充电装置而言是已知量；安装有移动目标定位系统，因此能够实时确定移动充电装置的当前位置，移动充电装置掌握自身和待充电物联网节点的位置有助于动态调整天线的主波束，使其始终对准待充电物联网节点，从而让待充电物联网节点位于移动充电装置主波束的覆盖范围之内；充分利用了智能天线的波束成型能力，从而降低了充电过程的能量损耗；同时充分利用了移动充电装置的行进时间，减小网络充电总时间。
附图说明
图1是本发明一个实施例的示意图；
图2是移动充电装置MC为物联网节点Nodei进行移动定向充电的过程示意图。
图中标注：
1.充电站；2.移动充电装置；3.物联网节点；4.煤矿巷道；5.侧壁。
具体实施方式
下面参照附图，结合一个实施例，对本发明提供的一种物联网无线充电方法进行详细的说明。
实施例
参照图1，本实施例的一种物联网无线充电方法，应用于煤矿巷道4，在煤矿巷道4进行无线充电基础环境布置：在煤矿巷道4的侧壁5上安装具有可无线充电的物联网节点3，物联网节点3均安装在煤矿巷道4的同一侧侧壁上，这些物联网节点采用全向天线，煤矿巷道4中沿直线均匀部署充电站1，巷道的宽，度为w,充电站1布置在巷道的正中间，整个煤矿巷道被充电站1分割成一系列巷道区间，每个巷道区间安装有若干个物联网节点3并配备一个移动充电装置2，移动充电装置沿煤矿巷道中线移动，负责为此区间的物联网节点3充电，移动充电装置的电池容量足以满足所负责区间内物联网节点充电需求，为了提高充电效率，所述移动充电装置的高度与物联网节点的高度相等，煤矿巷道4内的物联网节点固定设置，均为静置节点，它们在部署好之后便不再移动，因此这些物联网节点的坐标位置对移动充电装置而言是已知量。煤矿巷道4中安装有移动目标定位系统，能够实时确定移动充电装置的当前位置；移动充电装置掌握自身和待充电物联网节点的位置有助于动态调整天线的主波束，使其始终对准待充电物联网节点，从而让待充电物联网节点位于移动充电装置主波束的覆盖范围之内。
参照图2，移动充电装置在充电站充满电之后，向所负责区间另外一端移动。一旦待充电物联网节点被移动充电装置的主波束覆盖，充电过程即告开始，同时待充电物联网节点将计算移动充电装置在移动过程中是否能够为其充满电，如果可以，移动充电装置只需以原定速度继续向前行进即可，否则在待充电节点的投影处额外充电一段时间。
移动充电装置为第i个物联网节点具体的充电过程如下：
(1)移动充电装置在充电站为自己的电池充满电；
(2)移动充电装置以速度v沿箭头所示方向匀速直线移动，开始为所负责区间内的物联网节点充电，移动充电装置在移动过程中通过与移动目标定位系统交互的方式，实时确定自身坐标位置；
(3)待充电物联网节点实时检测自身的剩余工作时间，并将剩余工作时间信息通过单跳或多跳的方式发送给移动充电装置；
(4)移动充电装置根据所收到的各个物联网节点的剩余工作时间信息确定充电顺序，原则如下：①若移动充电装置按照正常行进路径逐个充电的方式到达物联网节点Nodej的时间小于或等于该节点的剩余工作时间，移动充电装置按照行进路径逐个为物联网节点充电；②若移动充电装置按照正常行进路径逐个充电的方式到达物联网节点Nodej的时间大于该节点的剩余工作时间，那么移动充电装置就跳过途中剩余能量最多的若干个节点，待移动充电装置返程时再为其充电，跳过的节点个数以满足移动充电装置能够及时到达物联网节点Nodej为准；(5)当待充电物联网节点Nodei被移动充电装置的波束覆盖时，该物联网节点Nodei开始计算自己充到满电量所需的能量Wi，然后按照下述情况要求移动充电装置为其充电：
①若
Figure GDA0003165584280000051
说明移动充电装置在移动过程中就可完成节点充电，移动充电装置只需一直以速度v向前移动即可；
②若
Figure GDA0003165584280000052
说明移动充电装置无法在移动过程中给节点充满电，需要在位置O停留一段时间
Figure GDA0003165584280000053
为该物联网节点充到满电量状态；
其中：
Figure GDA0003165584280000054
为移动充电装置MC从当前所在的M点移动到待充电物联网节点Nodei与移动充电装置MC移动路径垂直点O点时，物联网节点Nodei能够获得的能量；
Figure GDA0003165584280000055
为移动充电装置MC从O点移动到物联网节点Nodei的波束覆盖最远点M/点时，物联网节点Nodei能够获得的能量；
Figure GDA0003165584280000056
计算获取；
上述公式(1)中：gm为智能天线方向性增益，表示输入功率相等的情况下，智能天线与全向天线在给定方向的辐射强度之比；
Figure GDA0003165584280000057
GMC和Gr(i)分别是移动充电装置MC和物联网节点Nodei的天线增益，η是整流效率，PMC是移动充电装置MC的发射功率，Lp是极化损耗，λ为充电信号波长；β是用于修正Friis自由空间方程在短距传输时的参数；
Figure GDA0003165584280000058
的计算方法采用如下公式(2)：
Figure GDA0003165584280000059
公式(2)中，λ＝w2/4，
Figure GDA0003165584280000061
p和q的取值采用公式计算：
Figure GDA0003165584280000062
T为移动充电装置MC从M点移动到O点所需要的时间；
Figure GDA0003165584280000063
的计算方法如下：在公式(2)中加上一个负号，并将公式(2)中p和q的计算公式分别改为p＝0、
Figure GDA0003165584280000064
即可。

Claims (3)

1.一种物联网无线充电方法，其特征在于：包括以下步骤：
一、无线充电基础环境布置：安装具有可无线充电的物联网节点，这些物联网节点采用全向天线，每隔一段距离部署一个充电站，每个充电站配备一个移动充电装置，移动充电装置负责为此区间的物联网节点充电，移动充电装置的电池容量足以满足所负责区间内物联网节点充电需求，安装移动目标定位系统，能够实时确定移动充电装置的当前位置；
二、充电：(1)移动充电装置在充电站为自己的电池充满电；
(2)移动充电装置以速度v匀速直线移动，开始为所负责区间内的物联网节点充电，移动充电装置在移动过程中通过与移动目标定位系统交互的方式，实时确定自身坐标位置；
(3)待充电物联网节点实时检测自身的剩余工作时间，并将剩余工作时间信息通过单跳或多跳的方式发送给移动充电装置；
(4)移动充电装置根据所收到的各个物联网节点的剩余工作时间信息确定充电顺序，原则如下：①若移动充电装置按照正常行进路径逐个充电的方式到达物联网节点Nodej的时间小于或等于该节点的剩余工作时间，移动充电装置按照行进路径逐个为物联网节点充电；②若移动充电装置按照正常行进路径逐个充电的方式到达物联网节点Nodej的时间大于该节点的剩余工作时间，那么移动充电装置就跳过途中剩余能量最多的若干个节点，待移动充电装置返程时再为其充电，跳过的节点个数以满足移动充电装置能够及时到达物联网节点Nodej为准；
(5)当待充电物联网节点Nodei被移动充电装置的波束覆盖时，该物联网节点Nodei开始计算自己充到满电量所需的能量Wi，然后按照下述情况要求移动充电装置为其充电：
①若
Figure FDA0003165584270000011
说明移动充电装置在移动过程中就可完成节点充电，移动充电装置只需一直以速度v向前移动即可；
②若
Figure FDA0003165584270000012
说明移动充电装置无法在移动过程中给节点充满电，需要在位置O停留一段时间
Figure FDA0003165584270000013
为该物联网节点充到满电量状态；
其中：
Figure FDA0003165584270000014
为移动充电装置MC从当前所在的M点移动到待充电物联网节点Nodei与移动充电装置MC移动路径垂直点O点时，物联网节点Nodei能够获得的能量；
Figure FDA0003165584270000015
为移动充电装置MC从O点移动到物联网节点Nodei的波束覆盖最远点M/点时，物联网节点Nodei能够获得的能量；
Figure FDA0003165584270000021
由公式(1)：
Figure FDA0003165584270000022
计算获取；
上述公式(1)中：gm为智能天线方向性增益，表示输入功率相等的情况下，智能天线与全向天线在给定方向的辐射强度之比；
Figure FDA0003165584270000023
GMC和Gr(i)分别是移动充电装置MC和物联网节点Nodei的天线增益，η是整流效率，PMC是移动充电装置MC的发射功率，Lp是极化损耗，λ为充电信号波长；β是用于修正Friis自由空间方程在短距传输时的参数；
Figure FDA0003165584270000024
的计算方法采用如下公式(2)：
Figure FDA0003165584270000025
公式(2)中，λ＝w2/4，
Figure FDA0003165584270000026
p和q的取值采用公式计算：
Figure FDA0003165584270000027
T为移动充电装置MC从M点移动到O点所需要的时间；
Figure FDA0003165584270000028
的计算方法如下：在公式(2)中加上一个负号，并将公式(2)中p和q的计算公式分别改为p＝0、
Figure FDA0003165584270000029
即可。
2.根据权利要求1所述的一种物联网无线充电方法，其特征在于：所述移动充电装置的高度与物联网节点的高度相等。
3.根据权利要求1所述的一种物联网无线充电方法，其特征在于：所述物联网节点固定设置，为静置节点。
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