CN109275170A - 一种无线可充电传感网络的充电方法及系统 - Google Patents

一种无线可充电传感网络的充电方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无线可充电传感网络的充电方法及系统，所述方法包括当存在无线可充电传感器节点电量小于电量阈值，根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定充电遍历路径并对其进行充电，在充电过程中选择无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具中代价值较低的路径进行数据传输。本发明提供的技术方案能够很好解决无线可充电传感网络中由于能量不均出现的能量空洞问题，能够提高无线可充电传感网络的续航能力，保证无线可充电传感器的正常运行。

Description

一种无线可充电传感网络的充电方法及系统
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，具体讲涉及一种无线可充电传感网络的充电方法。
背景技术
无线传感器网络是由无线可充电传感器节点、基站和移动供电和数据收集载具组成的传感器网络；在其运作过程中通常由在无线传感器网络中的移动充电载具通过电感耦合技术、电磁辐射技术及磁耦合谐振技术等无线供能技术为节点补充能量，具有很好的续航性能，且为监测系统在恶劣环境中工作创造了条件。
随着近年来无线传感器网络的迅猛发展，无线传感器网络广泛应用于军事、交通、环境监控、医疗卫生等多个领域，而这些监测任务，都要求传感器网络有较高的续航性能。为了保证传感器网络能够持续高效的工作，需要对无线传感器网络的能量进行研究和优化。如何解决无线可充电传感网络能量不均衡的“能量空洞”问题，是目前国内外学者研究的热门课题。
发明内容
本发明提供了一种无线可充电传感网络的充电方法及系统，其目的是为了解决无线传感器网络中，由于每个无线传感器节点的能量不均衡而造成的能量空洞问题。
本发明的技术方案如下：
一种无线可充电传感网络的充电方法，其改进之处在于，所述方法包括：
根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径；
逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，当对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，当未对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输。
进一步的，所述根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，包括：
根据所有无线可充电传感器节点的待充电紧迫度θi对所有无线可充电传感器节点降序排列，并将服务站放在降序排列序列的首位，构成集合N″；
在集合N″中选取前m个元素，利用TSP问题相关算法获取所述前m个元素对应的哈密尔顿回路的长度，并通过二分搜索规则调整m值，直至找到一个哈密尔顿回路最长但不超过预设的路径上限的哈密尔顿回路；
将所述哈密尔顿回路作为充电遍历路径；
其中，按下式确定无线可充电传感器节点i的待充电紧迫度θi：
其中，为无线可充电传感器节点i的剩余生命时间；Tmax为全部无线可充电传感器节点的剩余生命时间中的最大值；bi为无线可充电传感器节点i当前的剩余电量，为无线可充电传感器节点i的平均功率。
进一步的，所述根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站的代价值最低路径；
其中，确定无线可充电传感器节点i与基站间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
进一步的，所述根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
根据除被充电的无线可充电传感器节点外的其余无线可充电传感器节点与基站或移动供电和数据收集载具间链路的代价值，确定其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
比较所述其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径，选择较小的代价值最低路径进行数据传输；
其中，所述被充电的无线可充电传感器节点的数据直接传输至所述移动供电和数据收集载具；确定无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
进一步的，按下式确定无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j的链路代价值
上式中，α为能量指标系数，β为距离指标系数，γ为目标无线可充电传感器节点j的子节点的影响指标系数，且满足α+β+γ＝1；ej是目标无线可充电传感器节点j的剩余电量，B是无线可充电传感器节点的电池最大容量；dij是无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j间距离；kj是目标无线可充电传感器节点j的子节点数目，初始值为0。
进一步的，所述数据传输的过程中包括：
通过线性规划的方法求解约束函数中无线可充电传感器节点的数据采集速率最大值，并按所述数据采集速率最大值对无线可充电传感器节点的数据采集速率进行优化；
其中，按下式确定所述约束函数：
上式中，Ni为直接将数据转发至无线可充电传感器节点i的无线可充电传感器节点集，h∈Ni；fi s为无线可充电传感器节点i发送数据的速率；ri为无线可充电传感器节点i的数据采集速率；fhi为Ni中无线可充电传感器节点h向无线可充电传感器节点i发送数据的速率；Cmax为链路最大容量；rmax为节点最大数据采集速率；τn为优化参考时间；
当不存在无线可充电传感器节点的电量小于电量阈值时n取1，则τ1为电量查询间隔时间；
当单个无线可充电传感器节点充电结束至去往下一个可充电传感器节点的过程中n取2，则v为所述移动供电和数据收集载具的移动速度；
当移动供电和数据收集载具为所述无线可充电传感器节点充电时n取3，则bi是节点i当前的剩余电量，p为移动供电和数据收集载具的充电功率；
其中，σ为能耗预算系数；分别是节点i接收、发送和采集1bit数据所消耗的能量。
一种无线可充电传感网络的充电系统，其改进之处在于，所述系统包括：
确定模块：用于根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径；
移动供电和数据收集载具：用于逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，所述确定模块还包括数据传输选择单元，用于当对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，当未对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输。
进一步的，所述根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，包括：
根据所有无线可充电传感器节点的待充电紧迫度θi对所有无线可充电传感器节点降序排列，并将服务站放在降序排列序列的首位，构成集合N″；
在集合N″中选取前m个元素，利用TSP问题相关算法获取所述前m个元素对应的哈密尔顿回路的长度，并通过二分搜索规则调整m值，直至找到一个哈密尔顿回路最长但不超过预设的路径上限的哈密尔顿回路；
将所述哈密尔顿回路作为充电遍历路径；
其中，按下式确定无线可充电传感器节点i的待充电紧迫度θi：
其中，为无线可充电传感器节点i的剩余生命时间；Tmax为全部无线可充电传感器节点的剩余生命时间中的最大值；bi为无线可充电传感器节点i当前的剩余电量，为无线可充电传感器节点i的平均功率。
进一步的，所述根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站的代价值最低路径；
其中，确定无线可充电传感器节点i与基站间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
进一步的，所述根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
根据除被充电的无线可充电传感器节点外的其余无线可充电传感器节点与基站或移动供电和数据收集载具间链路的代价值，确定其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
比较所述其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径，选择较小的代价值最低路径进行数据传输；
其中，所述被充电的无线可充电传感器节点的数据直接传输至所述移动供电和数据收集载具；确定无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
进一步的，按下式确定无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j的链路代价值
上式中，α为能量指标系数，β为距离指标系数，γ为目标无线可充电传感器节点j的子节点的影响指标系数，且满足α+β+γ＝1；ej是目标无线可充电传感器节点j的剩余电量，B是无线可充电传感器节点的电池最大容量；dij是无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j间距离；kj是目标无线可充电传感器节点j的子节点数目，初始值为0。
进一步的，所述数据传输选择单元中还包括数据传输优化子单元，用于：
通过线性规划的方法求解约束函数中无线可充电传感器节点的数据采集速率最大值，并按所述数据采集速率最大值对无线可充电传感器节点的数据采集速率进行优化；
其中，按下式确定所述约束函数：
上式中，Ni为直接将数据转发至无线可充电传感器节点i的无线可充电传感器节点集，h∈Ni；为无线可充电传感器节点i发送数据的速率；ri为无线可充电传感器节点i的数据采集速率；fhi为Ni中无线可充电传感器节点h向无线可充电传感器节点i发送数据的速率；Cmax为链路最大容量；rmax为节点最大数据采集速率；τn为优化参考时间；
当不存在无线可充电传感器节点的电量小于电量阈值时n取1，则τ1为电量查询间隔时间；
当单个无线可充电传感器节点充电结束至去往下一个可充电传感器节点的过程中n取2，则v为所述移动供电和数据收集载具的移动速度；
当移动供电和数据收集载具为所述无线可充电传感器节点充电时n取3，则bi是节点i当前的剩余电量，p为移动供电和数据收集载具的充电功率；
其中，σ为能耗预算系数；分别是节点i接收、发送和采集1bit数据所消耗的能量。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种无线可充电传感网络的充电方法及系统，通过根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，并在充电过程中进入基站与载具协作模式下传输数据，能够有效地提升无线可充电传感网络工作的稳定性，并能够在充电过程中保证各个传感器节点的数据传输效率。同时联合优化路由策略和速率分配策略，进一步平衡网络的能量并获得最佳的信息采集效率。使得该无线传感网络具有更好的能量平衡性能，以及更优的网络效用。
附图说明
图1为本发明提供的一种无线可充电传感网络的充电方法流程图；
图2为本发明实施例中无线可充电传感网络运作的流程图；
图3为本发明实施例中确定无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径示意图；
图4为本发明提供的一种无线可充电传感网络的充电系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
一种无线可充电传感网络的充电方法，如图1所示，所述方法包括：
根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径；
逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，当对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，当未对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输。
例如，如图2所示，在无线可充电传感网络正常运行过程中，每隔τ1时间查询所述无线可充电传感网络中的无线可充电传感器节点的电量，若存在节点电量小于电量阈值，则根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，并逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；若不存在节点电量小于电量阈值，则所述无线可充电传感网络继续运行；当所述移动供电和数据收集载具正在为无线可充电传感器节点充电时，根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输；当所述移动供电和数据收集载具未对无线可充电传感器节点充电时，根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输，τ1为电量查询间隔时间。
具体的，所述根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，并逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电，包括：
根据所有无线可充电传感器节点的待充电紧迫度θi对所有无线可充电传感器节点降序排列，并将服务站放在降序排列序列的首位，构成集合N″；
在集合N″中选取前m个元素，利用TSP问题相关算法获取所述前m个元素对应的哈密尔顿回路的长度，并通过二分搜索规则调整m值，直至找到一个哈密尔顿回路最长但不超过预设的路径上限的哈密尔顿回路；
将所述哈密尔顿回路作为充电遍历路径，并令所述移动供电和数据收集载具逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，按下式确定无线可充电传感器节点i的待充电紧迫度θi：
其中，为无线可充电传感器节点i的剩余生命时间；Tmax为全部无线可充电传感器节点的剩余生命时间中的最大值；bi为无线可充电传感器节点i当前的剩余电量，为无线可充电传感器节点i的平均功率。
例如，设集合N″中包括在首位的服务站共有8个元素，预设路径上限为1000米；选取前4个元素利用TSP问题相关算法计算对应的哈密尔顿回路的长度，若其长度为1200米；则通过二分搜索规则选取前2个元素并计算其对应的哈密尔顿回路的长度，若其长度为750米，则继续通过二分搜索规则选取前3个元素并计算其对应的哈密尔顿回路的长度；设其长度为900米，则所述前3个元素对应的哈密尔顿回路的长度为充电遍历路径。
具体的，所述根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站的代价值最低路径；
其中，确定无线可充电传感器节点i与基站间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
例如，若节点i与基站间的通信距离小于R，则节点i与基站直连的路径为代价值最低路径；若节点i与基站间的通信距离大于R，则根据Dijkstra算法计算节点i到基站间代价值最低的数据转发路径；设其代价值最低路径为i—i2—i1—基站，如图3所示，且i2已有子节点ia，i1已有四个子节点ia、ib、ic和i2，则所述节点i为节点i2和i1的子节点，i2和i1的子节点数分别更新为2和5，同时更新路径ia—i2、ib—i1、ic—i1、i2—i1的子节点的链路代价值，并将节点i到除i2外的其余节点间链路的链路代价值设置为无穷大。
具体的，所述根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
根据除被充电的无线可充电传感器节点外的其余无线可充电传感器节点与基站或移动供电和数据收集载具间链路的代价值，确定其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
比较所述其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径，选择较小的代价值最低路径进行数据传输；
其中，所述被充电的无线可充电传感器节点的数据直接传输至所述移动供电和数据收集载具；确定无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
具体的，按下式确定无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j的链路代价值
上式中，α为能量指标系数，β为距离指标系数，γ为目标无线可充电传感器节点j的子节点的影响指标系数，且满足α+β+γ＝1；ej是目标无线可充电传感器节点j的剩余电量，B是无线可充电传感器节点的电池最大容量；dij是无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j间距离；kj是目标无线可充电传感器节点j的子节点数目，初始值为0。
例如，选取未被充电的无线可充电传感器节点i并判断其到基站或移动供电和数据收集载具的距离是否大于R，若节点i到基站或移动供电和数据收集载具的距离均小于R或其中之一小于R，则选择其中距离较近的目的地进行数据传输；若节点到基站或移动供电和数据收集载具的距离均大于R，则计算链路代价值，以链路代价值为权重，通过Dijkstra算法计算节点i到移动供电和数据收集载具间代价值最低的数据转发路径，并选择代价值较低的路径进行数据转发。
具体的，所述数据传输的过程中包括：
通过线性规划的方法求解约束函数中无线可充电传感器节点的数据采集速率最大值，并按所述数据采集速率最大值对无线可充电传感器节点的数据采集速率进行优化；
其中，按下式确定所述约束函数：
上式中，Ni为直接将数据转发至无线可充电传感器节点i的无线可充电传感器节点集，h∈Ni；fi s为无线可充电传感器节点i发送数据的速率；ri为无线可充电传感器节点i的数据采集速率；fhi为Ni中无线可充电传感器节点h向无线可充电传感器节点i发送数据的速率；Cmax为链路最大容量；rmax为节点最大数据采集速率；τn为优化参考时间；
当不存在无线可充电传感器节点的电量小于电量阈值时n取1，则τ1为电量查询间隔时间；
当单个无线可充电传感器节点充电结束至去往下一个可充电传感器节点的过程中n取2，则v为所述移动供电和数据收集载具的移动速度；
当移动供电和数据收集载具为所述无线可充电传感器节点充电时n取3，则bi是节点i当前的剩余电量，p为移动供电和数据收集载具的充电功率；
其中，σ为能耗预算系数；分别是节点i接收、发送和采集1bit数据所消耗的能量。
一种无线可充电传感网络的充电系统，如图4所示，所述系统包括：
确定模块：用于根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径；
移动供电和数据收集载具：用于逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，所述确定模块还包括数据传输选择单元，用于当对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，当未对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输。
具体的，所述根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，并逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电，包括：
根据所有无线可充电传感器节点的待充电紧迫度θi对所有无线可充电传感器节点降序排列，并将服务站放在降序排列序列的首位，构成集合N″；
在集合N″中选取前m个元素，利用TSP问题相关算法获取所述前m个元素对应的哈密尔顿回路的长度，并通过二分搜索规则调整m值，直至找到一个哈密尔顿回路最长但不超过预设的路径上限的哈密尔顿回路；
将所述哈密尔顿回路作为充电遍历路径，并令所述移动供电和数据收集载具逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，按下式确定无线可充电传感器节点i的待充电紧迫度θi：
其中，为无线可充电传感器节点i的剩余生命时间；Tmax为全部无线可充电传感器节点的剩余生命时间中的最大值；bi为无线可充电传感器节点i当前的剩余电量，为无线可充电传感器节点i的平均功率。
具体的，所述根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站的代价值最低路径；
其中，确定无线可充电传感器节点i与基站间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
具体的，所述根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
根据除被充电的无线可充电传感器节点外的其余无线可充电传感器节点与基站或移动供电和数据收集载具间链路的代价值，确定其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
比较所述其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径，选择较小的代价值最低路径进行数据传输；
其中，所述被充电的无线可充电传感器节点的数据直接传输至所述移动供电和数据收集载具；确定无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
具体的，按下式确定无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j的链路代价值：
上式中，α为能量指标系数，β为距离指标系数，γ为目标无线可充电传感器节点j的子节点的影响指标系数，且满足α+β+γ＝1；ej是目标无线可充电传感器节点j的剩余电量，B是无线可充电传感器节点的电池最大容量；dij是无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j间距离；kj是目标无线可充电传感器节点j的子节点数目，初始值为0。
具体的，所述数据传输选择单元中还包括数据传输优化子单元，用于：
通过线性规划的方法求解约束函数中无线可充电传感器节点的数据采集速率最大值，并按所述数据采集速率最大值对无线可充电传感器节点的数据采集速率进行优化；
其中，按下式确定所述约束函数：
上式中，Ni为直接将数据转发至无线可充电传感器节点i的无线可充电传感器节点集，h∈Ni；为无线可充电传感器节点i发送数据的速率；ri为无线可充电传感器节点i的数据采集速率；fhi为Ni中无线可充电传感器节点h向无线可充电传感器节点i发送数据的速率；Cmax为链路最大容量；rmax为节点最大数据采集速率；τn为优化参考时间；
当不存在无线可充电传感器节点的电量小于电量阈值时n取1，则τ1为电量查询间隔时间；
当单个无线可充电传感器节点充电结束至去往下一个可充电传感器节点的过程中n取2，则v为所述移动供电和数据收集载具的移动速度；
当移动供电和数据收集载具为所述无线可充电传感器节点充电时n取3，则bi是节点i当前的剩余电量，p为移动供电和数据收集载具的充电功率；
其中，σ为能耗预算系数；分别是节点i接收、发送和采集1bit数据所消耗的能量。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种无线可充电传感网络的充电方法，其特征在于，所述方法包括：
根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径；
逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，当对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，当未对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，包括：
根据所有无线可充电传感器节点的待充电紧迫度θi对所有无线可充电传感器节点降序排列，并将服务站放在降序排列序列的首位，构成集合N″；
在集合N″中选取前m个元素，利用TSP问题相关算法获取所述前m个元素对应的哈密尔顿回路的长度，并通过二分搜索规则调整m值，直至找到一个哈密尔顿回路最长但不超过预设的路径上限的哈密尔顿回路；
将所述哈密尔顿回路作为充电遍历路径；
其中，按下式确定无线可充电传感器节点i的待充电紧迫度θi：
其中，为无线可充电传感器节点i的剩余生命时间；Tmax为全部无线可充电传感器节点的剩余生命时间中的最大值；bi为无线可充电传感器节点i当前的剩余电量，为无线可充电传感器节点i的平均功率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站的代价值最低路径；
其中，确定无线可充电传感器节点i与基站间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
根据除被充电的无线可充电传感器节点外的其余无线可充电传感器节点与基站或移动供电和数据收集载具间链路的代价值，确定其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
比较所述其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径，选择较小的代价值最低路径进行数据传输；
其中，所述被充电的无线可充电传感器节点的数据直接传输至所述移动供电和数据收集载具；确定无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，按下式确定无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j的链路代价值
上式中，α为能量指标系数，β为距离指标系数，γ为目标无线可充电传感器节点j的子节点的影响指标系数，且满足α+β+γ＝1；ej是目标无线可充电传感器节点j的剩余电量，B是无线可充电传感器节点的电池最大容量；dij是无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j间距离；kj是目标无线可充电传感器节点j的子节点数目，初始值为0。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据传输的过程中包括：
通过线性规划的方法求解约束函数中无线可充电传感器节点的数据采集速率最大值，并按所述数据采集速率最大值对无线可充电传感器节点的数据采集速率进行优化；
其中，按下式确定所述约束函数：
上式中，Ni为直接将数据转发至无线可充电传感器节点i的无线可充电传感器节点集，h∈Ni；为无线可充电传感器节点i发送数据的速率；ri为无线可充电传感器节点i的数据采集速率；fhi为Ni中无线可充电传感器节点h向无线可充电传感器节点i发送数据的速率；Cmax为链路最大容量；rmax为节点最大数据采集速率；τn为优化参考时间；
当不存在无线可充电传感器节点的电量小于电量阈值时n取1，则τ1为电量查询间隔时间；
当单个无线可充电传感器节点充电结束至去往下一个可充电传感器节点的过程中n取2，则v为所述移动供电和数据收集载具的移动速度；
当移动供电和数据收集载具为所述无线可充电传感器节点充电时n取3，则bi是节点i当前的剩余电量，p为移动供电和数据收集载具的充电功率；
其中，σ为能耗预算系数；分别是节点i接收、发送和采集1bit数据所消耗的能量。
7.一种无线可充电传感网络的充电系统，其特征在于，所述系统包括：
确定模块：用于根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径；
移动供电和数据收集载具：用于逐个对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电；
其中，所述确定模块还包括数据传输选择单元，用于当对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，当未对所述充电遍历路径上的无线可充电传感器节点进行充电时，根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述根据无线可充电传感器节点的剩余生命时间确定所述无线可充电传感器节点的充电遍历路径，包括：
根据所有无线可充电传感器节点的待充电紧迫度θi对所有无线可充电传感器节点降序排列，并将服务站放在降序排列序列的首位，构成集合N″；
在集合N″中选取前m个元素，利用TSP问题相关算法获取所述前m个元素对应的哈密尔顿回路的长度，并通过二分搜索规则调整m值，直至找到一个哈密尔顿回路最长但不超过预设的路径上限的哈密尔顿回路；
将所述哈密尔顿回路作为充电遍历路径；
其中，按下式确定无线可充电传感器节点i的待充电紧迫度θi：
其中，为无线可充电传感器节点i的剩余生命时间；Tmax为全部无线可充电传感器节点的剩余生命时间中的最大值；bi为无线可充电传感器节点i当前的剩余电量，为无线可充电传感器节点i的平均功率。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述根据无线可充电传感器节点到基站的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站的代价值最低路径；
其中，确定无线可充电传感器节点i与基站间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述根据无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径进行数据传输，包括：
判断无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间的距离是否大于节点最大通信距离R，若否，则无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具直连的路径为代价值最低路径；若是，则以链路代价值为权重，根据Dijkstra算法获取无线可充电传感器节点i到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
根据除被充电的无线可充电传感器节点外的其余无线可充电传感器节点与基站或移动供电和数据收集载具间链路的代价值，确定其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径；
比较所述其余无线可充电传感器节点到基站或移动供电和数据收集载具的代价值最低路径，选择较小的代价值最低路径进行数据传输；
其中，所述被充电的无线可充电传感器节点的数据直接传输至所述移动供电和数据收集载具；确定无线可充电传感器节点i与基站或移动供电和数据收集载具间代价值最低路径之后，该无线可充电传感器节点i作为其到基站间沿途无线可充电传感器节点的子节点，更新所述沿途无线可充电传感器节点与所述沿途无线可充电传感器节点已有的子节点间链路的代价值，并将无线可充电传感器节点i到其余无线可充电传感器节点的链路的代价值设置为无穷大。
11.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，按下式确定无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j的链路代价值
上式中，α为能量指标系数，β为距离指标系数，γ为目标无线可充电传感器节点j的子节点的影响指标系数，且满足α+β+γ＝1；ej是目标无线可充电传感器节点j的剩余电量，B是无线可充电传感器节点的电池最大容量；dij是无线可充电传感器节点i与其目标无线可充电传感器节点j间距离；kj是目标无线可充电传感器节点j的子节点数目，初始值为0。
12.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数据传输选择单元中还包括数据传输优化子单元，用于：
通过线性规划的方法求解约束函数中无线可充电传感器节点的数据采集速率最大值，并按所述数据采集速率最大值对无线可充电传感器节点的数据采集速率进行优化；
其中，按下式确定所述约束函数：
上式中，Ni为直接将数据转发至无线可充电传感器节点i的无线可充电传感器节点集，h∈Ni；fi s为无线可充电传感器节点i发送数据的速率；ri为无线可充电传感器节点i的数据采集速率；fhi为Ni中无线可充电传感器节点h向无线可充电传感器节点i发送数据的速率；Cmax为链路最大容量；rmax为节点最大数据采集速率；τn为优化参考时间；
当不存在无线可充电传感器节点的电量小于电量阈值时n取1，则τ1为电量查询间隔时间；
当单个无线可充电传感器节点充电结束至去往下一个可充电传感器节点的过程中n取2，则v为所述移动供电和数据收集载具的移动速度；
当移动供电和数据收集载具为所述无线可充电传感器节点充电时n取3，则bi是节点i当前的剩余电量，p为移动供电和数据收集载具的充电功率；
其中，σ为能耗预算系数；分别是节点i接收、发送和采集1bit数据所消耗的能量。
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