CN110544968B - 一种水下无线传感器网络中基于节点移动的协同充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下无线传感器网络中基于节点移动的协同充电方法,首先对全网按网格进行区域划分，网格大小由传感器的传输范围决定，根据节点的能量在每个区域中选取一个簇头负责收集区域内的数据，由簇头进行区域之间的通信。根据传感器节点的剩余能量将将节点划分多个等级，当剩余能量下降到某个阈值时，几点上升到水面请求充电，水上移动充电器根据其移动策略选择节点进行充电，然后根据网络密度选择适当的位置投放节点。最后，节点根据不同深度的网格的密度选择其下降深度，可以有效平衡整个网络的密度。

Description

一种水下无线传感器网络中基于节点移动的协同充电方法
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络节点能量补充技术领域，具体涉及一种UWSNs中基于节点移动的协同充电方法。
背景技术
近年来，物联网(IoT)技术已广泛应用于智能交通，先进制造，智能城市等，作为物联网的基本架构，无线传感器网络(WSN)吸引了通信社区的关注，从硬件实现到软件协议设计。水下声学传感器网络(UASN)是无线传感器网络水下部署的形式。水下无线传感器网络在区域监测、自然资源发现、水下目标追踪和敌军侦查等方面具有难以估量的作用。在水下无线传感器网络的研究中，可以大致的分为数据收集、节点定位、网络拓扑控制、安全加密和节点充电等研究方向，在水中为水下无线传感器网络(UWSN)和自主水下航行器(AUV)供电是主要挑战之一，因为UWSN节点和AUV通常由需要通过昂贵且困难的操作替换或再充电的电池供电，结合水下环境特点对其进行深入地研究具有深远的意义。
水下物体(例如，水下无线传感器网络节点(UWSN)和自主水下航行器(AUV))的架构越来越复杂。这些系统将包括多个传感器，无线通信系统，致动器，转子或推进器，这将不可避免地增加总功率要求。通常，水下传感器节点需要大约30W来为非推进相关功能(通信，处理和传感)提供电力，如果该装置包括螺旋桨或其他机械部件，则需要另外15-110W。向水下传感器节点和长时间深海部署的车辆提供这些水平的电力仍然是一个悬而未决的问题。
电池是为水下设备供电的最常用解决方案。然而，通常需要具有船只支撑的远程操作的车辆来充电或更换这些电池。这些操作非常昂贵且不可扩展。此外，鉴于节点的动态运动，充电操作通常是困难且低效的，因为通常需要精确对准。例如，AUV的一些充电解决方案的使用受到限制，因为它们需要易于发生故障的湿配合连接器，以及过于复杂的对接方法。成功应用于传统无线传感器网络(WSN)的能量收集在水下环境中具有挑战性，因为太阳能或风能等自然资源不可用或效率低下。近年来，研究已经研究了无线电力传输(WPT)技术以远程为水下传感器供电。研究最多的方法是基于近场区域的电磁(EM)传播，即电感和磁耦合。尽管大多数原型显示效率值高于65％，但最大操作距离通过电感耦合限制在几厘米，而磁耦合则高一个数量级。另外，通常需要在发射线圈和接收线圈之间进行非常精确的对准。
能量收集为传感器电池再充电提供了潜在的替代能源。能量收集通过从环境获取能量为水下传感器供电的强大潜力，例如太阳能，风能，潮汐能等。在《A robust,adaptive,solar-powered WSN framework for aquatic environmental monitoring》中，作者提出了一个基于无线传感器网络的环境监测框架，该网络由自适应太阳能收集机制和串联电池供电。《An electronic circuit for trickle charge harvesting from littoralmicrobial fuel cells》中的研究考虑了一种电子电路，用于从底栖源收集能量，以及在沿海潮汐流域为传感器和设备供电的长期性能。在《Estimation of solar energyharvested for autonomous jellyfish vehicles(AJVs)》中，作者分析了太阳能电池作为仿生车辆动力源的适用性。在《Underwater energy harvesting system based onplucked-driven piezoelectrics》中，作者提出了一种基于弹拨压电的水下能量收集系统。实验结果表明，所提出的能量采集器的最大功率密度为350μW/cm3。收集的能量可以存储在为电池供电，以延长传感器网络的使用寿命。然而，基于能量收集的网络也存在明显的挑战。一般来说，收获能量可能是零星的，不可预测的。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种UWSNs中基于节点移动的协同充电方法，用网格对水下传感网检测区域进行划分。利用节点的移动性，通过水上移动充电器对电量不足的节点进行充电，并根据网络密度选择节点冲完电后回归的位置，从而有效提高网络寿命并平衡整个水下传感网的网络密度。
一种水下无线传感器网络中基于节点移动的协同充电方法，包括以下步骤：
(1)将全网的节点按网格进行区域划分，每个区域形成一簇，并按剩余能量选择簇头。将网络中的节点按剩余能量划分成多个等级，不同等级的节点用不同颜色标记。
(2)当节点能量下降到预先设置的阈值时，节点向水面移动，由水面上的移动充电器为需要充电的节点进行充电。数据发送过程中，数据包包含节点的剩余能量和位置信息，充电器根据历史信息获得充电节点的位置信息。
(3)水面移动充电器分为两个状态，分别是空闲状态和携带节点充电状态，两种状态采用不同的移动策略。当节点处于空闲状态时，如果有节点需要充电，充电器按照空闲移动策略的制定位置为节点充电；当充电器处于携带节点充电状态时，充电器根据第二种移动策略选择节点投放位置。
(4)节点根据不同用层的密度选择下降深度。网络密度信息可由基站传递给移动充电器，再由充电器通知节点。
上述步骤(1)中将全网的节点按网格进行区域划分，将网络中的节点按剩余能量划分成多个等级，不同等级的节点用不同颜色标记，其具体步骤如下：
(1.1)区域划分：根据据传感器的传输距离确定网格大小，为了保证每个网格中的传感器节点都能覆盖其邻居网格区域，网格的边长k的计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000031
其中d表示传感器的传输距离。传感器处于任一网格的任何位置都可以覆盖其邻居网格的的全部区域。
(1.2)簇头的选取：根据节点的剩余能量选择簇头，剩余能量越高越容易成为簇头。
(1.3)节点能量等级划分：根据节点的剩余能量水平由高到低将节点划分为N个等级，其中用红色表示最低的能量等级，当节点剩余能量到达某个阈值时被标为红色，并且这个阈值下所剩的能量必须能够保证能从水底移动到水面。
上述步骤(2)的具体步骤如下：
(2.1)传感器开始随机部署在传感网中，初始能量相同，都不需要充电。运行一段时间后，节点根据自己的剩余能量决定是否上移，当能量下降到阈值变为红色时，如果所需充电节点为簇头节点，首先更新新的簇头并通知其邻居簇头节点。然后节点向水面移动。如果是非簇头节点，节点直接上移。
(2.2)基站会根据上一轮收集到的信息确定需要充电节点的位置信息并发送给移动充电器。移动充电器根据步骤(3)中的移动策略进行下一步行动。
上述步骤(3)的具体步骤如下：
(3.1)移动充电器可以携带传感器节点在运动过程中进行充电。
(3.2)根据充电节点上移时间和移动充电器移动到节点上方的时间，为每个充电节点设置一个名为T的值，T值的具体计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000041
其中，hi是节点i的深度；vi是节点i的移动速度；dM,i是移动传感器到节点i的水平距离；vM是移动充电器的移动速度。
(3.3)如果传感器收到基站的充电请求，当移动充电器处于空闲状态时，选择Ti最小的节点作为充电目标，并向其上方移动。
(3.4)每一列网格组成一个竖直的网格，根据每个竖直网格中的各种等级的节点数量和到移动充电器的水平距离为每个网格设置一个名为Q的值，Q值的具体计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000042
其中α∈(0,1)是一个权重因子；Ni表示颜色为i的节点的数量，i随剩余能量增加而增加，也就是说i越大，其颜色表示节点的剩余能量越高；N1表示红色节点；ω(i)是一个递增的函数；dM为移动充电器到竖直网格网格上方的最远距离。
(3.5)当移动充电器处于携带点充电状态时，根据每个区域的Q值，选择Q值最小的区域的中心作为其下一步移动位置。这种策略有利于平衡整个网络的密度。
上述步骤(4)的具体步骤如下：
根据每个网格中不同等级节点的数量为每个网格设置一个名为q的值，q值的具体计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000043
其中Ni表示颜色为i的节点的数量，i随剩余能量增加而增加，也就是说i越大，其颜色表示节点的剩余能量越高；N1表示红色节点；ω(i)是一个递增的函数。节点根据网格的q值确定自己下降的深度，此控制信息可以由移动充电器传递。
附图说明
图1是本发明一种实施例的网络模型示意图；
图2是本发明一种网格划分的边长示意图；
图3是本发明一种节点能量等级示意图；
图4是本发明一种移动充电车空闲状态俯视图；
图5是本发明一种移动充携带节点状态俯视图；
图6是本发明一种节点回归示意图。
具体实施方式
本发明将全网的节点按网格进行区域划分，每个区域形成一簇，并按剩余能量选择簇头。将网络中的节点按剩余能量划分成多个等级，不同等级的节点用不同颜色标记。当节点能量下降到预先设置的阈值时，节点向水面移动，由水面上的移动充电器为需要充电的节点进行充电。数据发送过程中，数据包包含节点的剩余能量和位置信息，充电器根据历史信息获得充电节点的位置信息。水面移动充电器分为两个状态，分别是空闲状态和携带节点充电状态，两种状态采用不同的移动策略。当节点处于空闲状态时，如果有节点需要充电，充电器按照空闲移动策略的制定位置为节点充电；当充电器处于携带节点充电状态时，充电器根据第二种移动策略选择节点投放位置。节点根据不同用层的密度选择下降深度。网络密度信息可由基站传递给移动充电器，再由充电器通知节点。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所为示水下传感器网络模型示意图，所述传感器网络为一个三维水下区域。网络包括一个基站，一个水上移动充电器和若干传感器节点。基站可以获得全网的信息，为充电器提供相应的信息并为其提供能量。本实施例中的一种UWSNs中基于节点移动的协同充电方法，具体步骤如下：
步骤(1)：区域划分和选取簇头，并进行节点能量等级划分；
(1.1)区域划分：如图2所示根据据传感器的传输距离确定网格大小，为了保证每个网格中的传感器节点都能覆盖其邻居网格区域，网格的边长k的计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000061
其中d表示传感器的传输距离。传感器处于任一网格的任何位置都可以覆盖其邻居网格的的全部区域。
(1.2)簇头的选取：根据节点的剩余能量选择簇头，剩余能量越高越容易成为簇头。
(1.3)节点能量等级划分：如图3所示根据节点的剩余能量水平由高到低将节点划分为N个等级，其中用红色表示最低的能量等级，当节点剩余能量到达某个阈值时被标为红色，并且这个阈值下所剩的能量必须能够保证能从水底移动到水面。
步骤(2)：节点上移过程；
(2.1)传感器开始随机部署在传感网中，初始能量相同，都不需要充电。如图3所示，运行一段时间后，节点根据自己的剩余能量决定是否上移，当能量下降到阈值变为红色时，如果所需充电节点为簇头节点，首先更新新的簇头并通知其邻居簇头节点。然后节点向水面移动。如果是非簇头节点，节点直接上移。
(2.2)基站会根据上一轮收集到的信息确定需要充电节点的位置信息并发送给移动充电器。
步骤(3)：节点充电和投放过程；
(3.1)移动充电器可以携带传感器节点在运动过程中进行充电。
(3.2)如图4所示，根据充电节点上移时间和移动充电器移动到节点上方的时间，为每个充电节点设置一个名为T的值，T值的具体计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000062
其中，hi是节点i的深度；vi是节点i的移动速度；dM,i是移动传感器到节点i的水平距离；vM是移动充电器的移动速度。
(3.3)如果传感器收到基站的充电请求，当移动充电器处于空闲状态时，选择Ti最小的节点作为充电目标，并向其上方移动。
(3.4)如图5所示，每一列网格组成一个竖直的网格，根据每个竖直网格中的各种等级的节点数量和到移动充电器的水平距离为每个网格设置一个名为Q的值，Q值的具体计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000071
其中α∈(0,1)是一个权重因子；Ni表示颜色为i的节点的数量，i随剩余能量增加而增加，也就是说i越大，其颜色表示节点的剩余能量越高；N1表示红色节点；ω(i)是一个递增的函数；dM为移动充电器到竖直网格网格上方的最远距离。
(3.5)当移动充电器处于携带点充电时，根据每个区域的Q值，选择Q值最小的区域的中心作为其下一步移动位置。这种策略有利于平衡整个网络的密度。
步骤(4)：节点回归过程；
如图6所示，根据每个网格中不同等级节点的数量为每个网格设置一个名为q的值，q值的具体计算公式如下：
Figure BDA0002185628720000072
其中Ni表示颜色为i的节点的数量，i随剩余能量增加而增加，也就是说i越大，其颜色表示节点的剩余能量越高；N1表示红色节点；ω(i)是一个递增的函数。节点根据网格的q值确定自己下降的深度，此控制信息可以由移动充电器传递。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种水下无线传感器网络中基于节点移动的协同充电方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将全网的节点按网格进行区域划分，每个区域形成一簇，并按剩余能量选择簇头；将网络中的节点按剩余能量划分成多个等级，不同等级的节点用不同颜色标记；
(2)当节点能量下降到预先设置的阈值时，节点向水面移动，由水面上的移动充电器为需要充电的节点进行充电；数据发送过程中，数据包含节点的剩余能量和位置信息，充电器根据历史信息获得充电节点的位置信息；
(3)水面移动充电器分为两个状态，分别是空闲状态和携带节点充电状态，两种状态采用不同的移动策略；
当充电器处于空闲状态时，如果有节点需要充电，充电器按照空闲移动策略的制定位置为节点充电；当充电器处于携带节点充电状态时，充电器根据第二种移动策略选择节点投放位置；
所述步骤(3)的具体步骤如下：
(3.1)移动充电器携带传感器节点在运动过程中进行充电；
(3.2)根据充电节点上移时间和移动充电器移动到节点上方的时间，为每个充电节点设置一个名为T的值，T值的具体计算公式如下：
Figure FDA0003736804160000011
其中，hi是节点i的深度；vi是节点i的移动速度；dM,i是移动充电器到节点i的水平距离；vM是移动充电器的移动速度；
(3.3)如果传感器收到基站的充电请求，当移动充电器处于空闲状态时，选择Ti最小的节点作为充电目标，并向其上方移动；
(3.4)每一列网格组成一个竖直的网格，根据每个竖直网格中的各种等级的节点数量和到移动充电器的水平距离为每个网格设置一个名为Q的值，Q值的具体计算公式如下：
Figure FDA0003736804160000012
其中α∈(0,1)是一个权重因子；Ni表示颜色为i的节点的数量，i随剩余能量增加而增加，也就是说i越大，其颜色表示节点的剩余能量越高；N1表示红色节点；ω(i)是一个递增的函数；dM为移动充电器到竖直网格上方的最远距离；
(3.5)当移动充电器处于携带点充电状态时，根据每个区域的Q值，选择Q值最小的区域的中心作为其下一步移动位置；
(4)节点根据不同用层的网络密度选择下降深度，网络密度信息由基站传递给移动充电器，再由充电器通知节点；
所述步骤(4)的具体步骤如下：
根据每个网格中不同等级节点的数量为每个网格设置一个名为q的值，q值的具体计算公式如下：
Figure FDA0003736804160000013
其中Ni表示颜色为i的节点的数量，i随剩余能量增加而增加，也就是说i越大，其颜色表示节点的剩余能量越高；N1表示红色节点；ω(i)是一个递增的函数；节点根据网格的q值确定自己下降的深度。
2.根据权利要求1所述的一种水下无线传感器网络中基于节点移动的协同充电方法，其特征在于：所述步骤(1)中将全网的节点按网格进行区域划分，将网络中的节点按剩余能量划分成多个等级，不同等级的节点用不同颜色标记，其步骤如下：
(1.1)区域划分：根据传感器的传输距离确定网格大小，为了保证每个网格中的传感器节点都能覆盖其邻居网格区域，网格的边长k的计算公式如下：
Figure FDA0003736804160000021
其中d表示传感器的传输距离，传感器处于任一网格的任何位置都能覆盖其邻居网格的全部区域；
(1.2)簇头的选取：根据节点的剩余能量选择簇头，剩余能量越高越容易成为簇头；
(1.3)节点能量等级划分：根据节点的剩余能量水平由高到低将节点划分为N个等级，其中用红色表示最低的能量等级，当节点剩余能量到达某个阈值时被标为红色，并且这个阈值下所剩的能量必须能够保证能从水底移动到水面。
3.根据权利要求2所述的一种水下无线传感器网络中基于节点移动的协同充电方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体步骤如下：
(2.1)节点开始随机部署在传感网中，初始能量相同，都不需要充电；运行一段时间后，节点根据自己的剩余能量决定是否上移，当能量下降到阈值变为红色时，如果所需充电节点为簇头节点，首先更新新的簇头并通知其邻居簇头节点；然后节点向水面移动；如果是非簇头节点，节点直接上移；
(2.2)基站会根据上一轮收集到的信息确定需要充电节点的位置信息并发送给移动充电器；移动充电器根据步骤(3)中的移动策略进行下一步行动。
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