CN110943513A - 一种可充电传感网的移动充电调度方法 - Google Patents

一种可充电传感网的移动充电调度方法 Download PDF

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花勇
江佳文
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Abstract

本发明提出了一种可充电传感网的移动充电调度方法，该方法中基站获取所有待充电节点的信息；构建一个充电集合Vc；在Vc中选择f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点；判断移动充电器的剩余电量能否支持其充满待充电节点并从该节点返回到基站，若能则进行充电，若不能则回基站补充能量，后备移动充电器加入网络；构建新的待充电集合Vsc；在Vsc中选择f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点；判断后备移动充电器的剩余电量能否支持其充满待充电节点并从该节点回到基站，若能则充电，若不能回基站充电。本发明引入一后备移动充电器，对移动充电器处于充电期产生的一些待充电节点进行能量补充，从而减少失效节点，延长传感器网络生命期。

Description

一种可充电传感网的移动充电调度方法
技术领域
本发明涉及一种可充电传感网的移动充电调度方法，属于无线传感器网络技术领域。
背景技术
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的成本很低、微型传感器节点组成，是通过无线通信方式形成的一种多跳自组织的网络系统。在传统的WSN中，节点能量一般由电量有限的一次性电池提供，因此节点的可存活时间往往由其携带的电量决定，节点在能量耗尽前必须进行电池更换。
为了解决这一问题，引入了网络的能量电磁耦合技术，使得无线可充电传感器网络兴起。无线可充电传感器网络是一种新型的通过引入无线电力传输技术给传感器供电的传感器网络，为了实现便捷传输能量，利用电磁的辐射和磁共振技术将电源端的电能通过无线能量传输技术传递到整个网络，可充电传感器节点通过相应的接收装置获取射频的能量。
通过能量补充设备对低能量的传感器节点以无线的方式进行能量补充使得无线可充电传感器网络大规模部署研究得到发展。在实际环境中通过移动小车或者移动机器人等移动充电设备对传感器节点进行无线充电，这些设备装配了高容量的可充电电池并具备无线能量传输功能，来为固定位置的发出充电请求的传感器节点提供能量补充。然而，在一个移动充电器的无线可充电传感器网络中，移动充电器所携带的可充电电池不仅需要为发出充电请求的节点补充能量，而且还需要在去往待充电节点以及充完电折返基站的途中消耗能量。传统的一个移动充电调度方法中移动充电器在补充完节点能量后就回到基站充电，且要一直等到补充完自身电量后才能继续加入传感网中进行下一次充电调度。由于充电请求一直是动态产生的，所以移动充电器回到基站充电的这段时间内，将有许多待充电节点的能量补充得不到补充。针对总节点数并没有大到一定规模的可充电传感网，如果使用多个移动充电器的话成本将会大大上升，所以针对总节点数并没有大到一定规模的可充电传感网，就需要一个更加合理的充电调度方法来解决这个问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种可充电传感网的移动充电调度方法，该方法应用一个后备移动充电器，为移动充电器回到基站充电这个时间段的待充电节点补充电量，从而减少失效节点，延长传感器网络的生命期。
本发明提供一种可充电传感网的移动充电调度方法，具体包括以下步骤：
步骤1、设定一个充电临界阈值F，可充电传感网中的所有剩余能量低于充电临界阈值F的节点向基站v0发出充电请求，基站v0获取所有待充电节点的信息；转至步骤2；
步骤2、基站利用已经定义好的效用比函数f(vi)作为移动充电器MC选取下一个待充电节点的标准，并根据这个标准构建一个充电集合Vc，同时基站动态地接受新的充电请求；转至步骤3；
步骤3、在充电集合Vc中，选择f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点，同时将新产生的充电请求加入到充电集合Vc中；转至步骤4；
步骤4、判断充电集合Vc是否为空，若为空，则继续等待待充电请求节点的加入，否则从充电集合Vc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；转至步骤5；
步骤5、判断移动充电器的剩余电量能否支持其充满待充电节点vi并从节点vi返回到基站v0，若能支持则移动充电器对待充电节点vi进行充电，并将节点vi加入到已充电集合Vc′中，然后返回步骤4继续从充电集合Vc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；若不能支持则移动充电器返回基站v0补充能量，后备移动充电器SC加入可充电传感网络中；执行步骤6；
步骤6、针对在充电集合Vc中仍有一部分节点未得到能量补充的情况，将这些节点以及移动充电器返回基站的
Figure BDA0002319354160000031
时间内所产生的待充电节点加入到新的待充电集合Vsc中；转至步骤7；
步骤7、在待充电集合Vsc中，选择f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点，同时将新产生的充电请求节点加入到待充电集合Vsc中；转至步骤8；
步骤8、判断后备移动充电器SC的剩余电量能否支持其充满待充电节点vi并从节点vi回到基站v0同时移动充电器未充满电，若满足，则为待充电集合Vsc中f(vi)值最大的节点充电，同时将当前节点加入新的已充电集合Vsc′，然后返回步骤7继续从充电集合Vsc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；若不满足，继续判断移动充电器是否充满电，若不是则说明后备移动充电器电量不足，后备移动充电器回基站充电，若是则说明移动充电器充满电待加入，充满电的移动充电器需要等待一定的时间才能加入到网络中。
本发明提出了一种可充电传感网的移动充电调度方法，传统的方案只有一个移动充电器，给节点充电以及途中行驶都需要消耗能量，很难保证所携带的能量能够给所有发出充电请求的节点补充能量，本发明与传统一个充电器相比，使用了一个后备移动充电器，移动充电器与其协同工作，减少了节点死亡数目，延长了传感网的生命期。
本发明的进一步优化的技术方案如下：
所述步骤2中，效用比函数f(vi)的采用如下公式表示：
Figure BDA0002319354160000041
其中，en(T)i为一次充电周期T内移动充电器给单个节点i补充的能量，β是常数系数，en(V)(i-1,i)为移动充电器由上一个节点i-1移动到节点i所消耗的能量。
上述步骤中，利用效用比函数
Figure BDA0002319354160000042
选择下一待充电节点的好处是，在一段时间T内移动充电器传输给传感器节点的能量en(T)i与它自身从节点vi-1移动到vi消耗的能量en(V)(i-1,i)的比值越大，移动所消耗的能量越少，移动的时间占用比例越小，移动充电器的自身维护开销也越小，因此移动充电器携带的能量有效使用率越高。
所述步骤5中，判断移动充电器的剩余电量能否支持其充满下一个待充电节点并从vi返回到基站v0，即判断移动充电器是否满足以下条件：
en(vi，v0)≤REmc
其中，en(vi，v0)＝Pm×(lc(vi，v0)+lc(vi-1，vi))+emi-REi，en(vi，v0)表示移动充电器为节点i充满电并回到基站所消耗的能量，Pm表示移动充电器的能量消耗速率，lc(vi，v0)表示移动充电器从节点vi回到基站v0的距离，lc(vi-1，vi)表示移动充电器从当前节点vi-1处移动到待充电节点vi处的距离，emi表示传感器节点所能存储的最大电量，REi表示节点i的剩余电量，REmc表示移动充电器的当前剩余能量；
若满足，则移动充电器对待充电节点vi进行能量补充且将节点vi加入到已充电集合Vc′，集合Vc′中的各个元素即整个充电流程的最短路径哈密顿环；若不满足，则移动充电器回到基站v0补充能量，后备移动充电器SC加入网络中。
所述步骤8中，判断后备移动充电器SC的剩余电量能否支持其充满待充电节点vi并从节点vi回到基站v0，即判断后备移动充电器是否满足以下条件：
en(vi，v0)≤REsc
其中，en(vi，v0)＝Pm×(lc(vi，v0)+lc(vi-1，vi))+emi-REi，en(vi，v0)表示移动充电器为节点i充满电并回到基站所消耗的能量，Pm表示后备移动充电器的能量消耗速率，lc(vi，v0)表示后备移动充电器从节点vi回到基站v0的距离，lc(vi-1，vi)表示后备移动充电器从当前节点vi-1处移动到待充电节点vi处的距离，emi表示传感器节点所能存储的最大电量，REi表示节点i的剩余电量，REsc表示后备移动充电器的当前剩余能量；
若满足，则说明后备移动充电器能对待充电节点vi进行能量补充，若不满足，则说明后备移动充电器不能对待充电节点vi进行能量补充。
所述步骤8中，充满电的移动充电器等待加入网络的时间为t，t满足以下条件：
Figure BDA0002319354160000051
其中，F为充电临界阈值，Pc为移动充电器的充电功率。
进一步的，当移动充电器充满电待加入时，判断后备移动充电器是否为当前节点充电至充电临界阈值F，当当前在充节点的电量达到F，移动充电器即加入网络，准备新的充电调度规划，而后备移动充电器回基站补充能量。
上述步骤中，选择当后备移动充电器将当前在充节点补充至阈值F，是为了使得当前节点在移动充电器加入时能够获取其充电请求，避免能造成这个节点的能量损失殆尽。
进一步的，当移动充电器充满电待加入时，首先判断后备移动充电器是否在充电，若不是，则移动充电器直接加入网络，若是则继续判断后备移动充电器是否为当前节点充电至充电临界阈值F。
所述步骤6中，由于受en(vi，v0)≥REmc条件的约束，移动充电器回到基站充电，而在之前构建的待充电集合Vc中仍有一部分节点未得到能量补充，若等到移动充电器在基站充满电再去给它们补充电量，那他们可能会由于等待时间过长而导致自身能量耗尽，所以引入一个后备移动充电器给这一部分节点补充能量是必要的。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明与传统的充电调度方案相比，引入了一个后备移动充电器，它能够对移动充电器处于充电期时段产生的一些待充电节点进行能量补充，从而减少失效节点，延长传感器网络生命期。
附图说明
图1为本发明中移动充电器MC的充电轨迹图
图2为本发明中后备移动充电器SC的充电轨迹图。
图3本发明中整个可充电传感网的充电调度方案流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。
针对本实施例中的无线可充电传感器网络，提出了一个无线充电的网络模型，利用一个加权的无向图表示整个充电模型。加权无向图Gc表示为：
Gc＝(Vc∪{v0},Ec,lc)
其中，Vc代表无向图的所有提出充电请求的节点集合；v0代表供无线传感器进行数据收集和给移动充电器补充能量的基站；Ec代表两个待充电传感器节点之间的边的集合，对于两个不同的待充电节点vi和vj(包括基站v0)，(vi,vj)∈Ec(i,j＝0,1,2....,N)，N为所有提出充电请求的传感器节点数量；lc(vi,vj)代表两个待充电节点之间的有向弧长。此外假设移动充电器和后备移动充电器携带能量为Emc＝100J，Esc＝50J,传感器节点的携带能量em＝5J，充电阈值F＝1J，移动充电器的充电功率Pc＝0.2J/s，移动的能量消耗速率Pm＝0.1J/s。
本实施例提出了一种可充电传感网的移动充电调度方法，如图1至3所示，具体包括以下步骤：
步骤1、设定一个充电临界阈值F，可充电传感网中的所有剩余能量低于充电临界阈值F的节点向基站v0发出充电请求，基站v0获取所有待充电节点的信息。
步骤2、基站利用已经定义好的效用比函数f(vi)作为移动充电器MC选取下一个待充电节点的标准，并根据这个标准构建一个充电集合Vc，同时基站动态地接受新的充电请求。其中，效用比函数f(vi)的采用如下公式表示：
Figure BDA0002319354160000071
式中，en(T)i为一次充电周期T内移动充电器给单个节点i补充的能量，β是常数系数，en(V)(i-1,i)为移动充电器由上一个节点i-1移动到节点i所消耗的能量。
步骤3、在充电集合Vc中，选择充电请求中f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点，同时将新产生的充电请求加入到充电集合Vc中。
步骤4、判断充电集合Vc是否为空，若该集合为空，则继续等待待充电请求节点的加入，否则从充电集合Vc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充。
步骤5、判断移动充电器的剩余电量能否支持其充满下一个待充电节点vi并从节点vi返回到基站v0，即判断移动充电器是否满足以下条件：
en(vi，v0)≤REmc
其中，en(vi，v0)＝Pm×(lc(vi，v0)+lc(vi-1，vi))+emi-REi，en(vi，v0)表示移动充电器为节点i充满电并回到基站所消耗的能量，Pm表示移动充电器的能量消耗速率，lc(vi，v0)表示移动充电器从节点vi回到基站v0的距离，lc(vi-1，vi)表示移动充电器从当前节点vi-1处移动到待充电节点vi处的距离，emi表示传感器节点所能存储的最大电量，REi表示节点i的剩余电量，REmc表示移动充电器的当前剩余能量；
若满足，则移动充电器对待充电节点vi进行能量补充且将节点vi加入到已充电集合Vc′(如图2所示，集合Vc′中的各个元素即整个充电流程的最短路径哈密顿环)，然后返回步骤4继续从充电集合Vc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；若不满足，则移动充电器回到基站v0补充能量，后备移动充电器SC加入网络中。
步骤6、针对在充电集合Vc中仍有一部分节点未得到能量补充的情况，将这些节点以及移动充电器返回基站的
Figure BDA0002319354160000081
时间内所产生的待充电节点加入到新的待充电集合Vsc中。由于受en(vi，v0)≥REmc条件的约束，移动充电器回到基站充电，而在之前构建的待充电集合Vc中仍有一部分节点未得到能量补充，若等到移动充电器在基站充满电再去给它们补充电量，那他们可能会由于等待时间过长而导致自身能量耗尽，所以引入一个后备移动充电器给这一部分节点补充能量是必要的。
步骤7、在全新的待充电集合Vsc中，结合函数f(vi)值的大小选择充电请求中f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点，同时将新产生的充电请求节点加入到待充电集合Vsc中；转至步骤8；
步骤8、判断后备移动充电器SC的剩余电量能否支持其充满下一个待充电节点vi并从节点vi回到基站v0同时移动充电器未充满电，若满足，则为待充电集合Vsc中f(vi)值最大的节点充电，同时将当前节点加入新的已充电集合Vsc′，然后返回步骤7继续从充电集合Vsc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；若不满足，继续判断移动充电器是否充满电，若不是则说明后备移动充电器电量不足，后备移动充电器回基站充电，若是则说明移动充电器充满电待加入。
上述步骤8中，判断后备移动充电器SC的剩余电量能否支持其充满当前待充电节点vi并从节点vi回到基站v0，即判断后备移动充电器是否满足以下条件：
en(vi，v0)≤REsc
其中，en(vi，v0)＝Pm×(lc(vi，v0)+lc(vi-1，vi))+emi-REi，en(vi，v0)表示移动充电器为节点i充满电并回到基站所消耗的能量，Pm表示后备移动充电器的能量消耗速率，lc(vi，v0)表示后备移动充电器从节点vi回到基站v0的距离，lc(vi-1，vi)表示后备移动充电器从当前节点vi-1处移动到待充电节点vi处的距离，emi表示传感器节点所能存储的最大电量，REi表示节点i的剩余电量，REsc表示后备移动充电器的当前剩余能量；
若满足，则说明后备移动充电器能对待充电节点vi进行能量补充，若不满足，则说明后备移动充电器不能对待充电节点vi进行能量补充。
步骤9、当移动充电器充满电待加入时，首先判断后备移动充电器是否在充电，若不是，则移动充电器直接加入网络，若是则继续判断后备移动充电器是否为当前节点充电至充电临界阈值F，当当前在充节点的电量达到F，移动充电器即加入网络，准备新的充电调度规划，而后备移动充电器回基站补充能量。也就是说，充满电的移动充电器需要等待一定的时间才能加入到新的网络中。充满电的移动充电器等待加入网络的时间为t，t满足以下条件：
Figure BDA0002319354160000101
其中，F为充电临界阈值，Pc为移动充电器的充电功率。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、设定一个充电临界阈值F，可充电传感网中的所有剩余能量低于充电临界阈值F的节点向基站v0发出充电请求，基站v0获取所有待充电节点的信息；转至步骤2；
步骤2、基站利用已经定义好的效用比函数f(vi)作为移动充电器选取下一个待充电节点的标准，并根据这个标准构建一个充电集合Vc，同时基站动态地接受新的充电请求；转至步骤3；
步骤3、在充电集合Vc中，选择f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点，同时将新产生的充电请求加入到充电集合Vc中；转至步骤4；
步骤4、判断充电集合Vc是否为空，若为空，则继续等待待充电请求节点的加入，否则从充电集合Vc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；转至步骤5；
步骤5、判断移动充电器的剩余电量能否支持其充满待充电节点vi并从节点vi返回到基站v0，若能支持则移动充电器对待充电节点vi进行充电，并将节点vi加入到已充电集合Vc′中，然后返回步骤4继续从充电集合Vc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；若不能支持则移动充电器返回基站v0补充能量，后备移动充电器SC加入可充电传感网络中；执行步骤6；
步骤6、针对在充电集合Vc中仍有一部分节点未得到能量补充的情况，将这些节点以及移动充电器返回基站的
Figure FDA0002319354150000011
时间内所产生的待充电节点加入到新的待充电集合Vsc中；转至步骤7；
步骤7、在待充电集合Vsc中，选择f(vi)值最大的请求节点作为当前待充电节点，同时将新产生的充电请求节点加入到待充电集合Vsc中；转至步骤8；
步骤8、判断后备移动充电器SC的剩余电量能否支持其充满待充电节点vi并从节点vi回到基站v0同时移动充电器未充满电，若满足，则为待充电集合Vsc中f(vi)值最大的节点充电，同时将当前节点加入新的已充电集合Vsc′，然后返回步骤7继续从充电集合Vsc中取出f(vi)值最大的请求节点进行能量补充；若不满足，继续判断移动充电器是否充满电，若不是则说明后备移动充电器电量不足，后备移动充电器回基站充电，若是则说明移动充电器充满电待加入，充满电的移动充电器需要等待一定的时间才能加入到网络中。
2.根据权利要求1所述一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，所述步骤2中，效用比函数f(vi)的采用如下公式表示：
Figure FDA0002319354150000021
其中，en(T)i为一次充电周期T内移动充电器给单个节点i补充的能量，β是常数系数，en(V)(i-1,i)为移动充电器由上一个节点i-1移动到节点i所消耗的能量。
3.根据权利要求2所述一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，所述步骤5中，判断移动充电器的剩余电量能否支持其充满下一个待充电节点并从vi返回到基站v0，即判断移动充电器是否满足以下条件：
en(vi，v0)≤REmc
其中，en(vi，v0)＝Pm×(lc(vi，v0)+lc(vi-1，vi))+emi-REi，en(vi，v0)表示移动充电器为节点i充满电并回到基站所消耗的能量，Pm表示移动充电器的能量消耗速率，lc(vi，v0)表示移动充电器从节点vi回到基站v0的距离，lc(vi-1，vi)表示移动充电器从当前节点vi-1处移动到待充电节点vi处的距离，emi表示传感器节点的所能存储的最大电量，REi表示节点i的剩余电量，REmc表示移动充电器的当前剩余能量；
若满足，则移动充电器对待充电节点vi进行能量补充且将节点vi加入到已充电集合Vc′；若不满足，则移动充电器回到基站v0补充能量，后备移动充电器SC加入网络中。
4.根据权利要求3所述一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，所述步骤8中，判断后备移动充电器SC的剩余电量能否支持其充满待充电节点vi并从节点vi回到基站v0，即判断后备移动充电器是否满足以下条件：
en(vi，v0)≤REsc
其中，en(vi，v0)＝Pm×(lc(vi，v0)+lc(vi-1，vi))+emi-REi，en(vi，v0)表示移动充电器为节点i充满电并回到基站所消耗的能量，Pm表示后备移动充电器的能量消耗速率，lc(vi，v0)表示后备移动充电器从节点vi回到基站v0的距离，lc(vi-1，vi)表示后备移动充电器从当前节点vi-1处移动到待充电节点vi处的距离，emi表示传感器节点的所能存储的最大电量，REi表示节点i的剩余电量，REsc表示后备移动充电器的当前剩余能量；
若满足，则说明后备移动充电器能对待充电节点vi进行能量补充，若不满足，则说明后备移动充电器不能对待充电节点vi进行能量补充。
5.根据权利要求4所述一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，所述步骤8中，充满电的移动充电器等待加入网络的时间为t，t满足以下条件：
Figure FDA0002319354150000031
其中，F为充电临界阈值，Pc为移动充电器的充电功率。
6.根据权利要求5所述一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，当移动充电器充满电待加入时，判断后备移动充电器是否为当前节点充电至充电临界阈值F，当当前在充节点的电量达到F，移动充电器即加入网络，准备新的充电调度规划，而后备移动充电器回基站补充能量。
7.根据权利要求6所述一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，当移动充电器充满电待加入时，首先判断后备移动充电器是否在充电，若不是，则移动充电器直接加入网络，若是则继续判断后备移动充电器是否为当前节点充电至充电临界阈值F。
8.根据权利要求1所述一种可充电传感网的移动充电调度方法，其特征在于，所述步骤6中，由于受en(vi，v0)≥REmc条件的约束，移动充电器回到基站充电，而在之前构建的待充电集合Vc中仍有一部分节点未得到能量补充，若等到移动充电器在基站充满电再去给它们补充电量，那他们可能会由于等待时间过长而导致自身能量耗尽，所以引入一个后备移动充电器给这一部分节点补充能量是必要的。
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叶晓国;程羽波;: "无线可充电传感器网络中的移动充电调度算法", 计算机应用, no. 1, pages 13 - 17 *

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