CN111182490A - 一种基于谐振中继器分布的排序能量补充方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法及装置，涉及无线传感网技术领域，通过能量补充延长无线传感器网络的生存周期。本发明首先布置多跳无线可充电传感器网络的环境，首要考虑为分布密集且容易失效的节点充电，依据实际传感器节点和谐振中继器的分布结构，构建需要充电的传感器节点以簇点为核心的第一簇点充电顺序，再采用多跳或单跳相结合的能量传输方式对发送请求信息的传感器节点进行充电；本发明能够适应动态的网络变化，满足正常的充电需求，并且仿真结果证明本发明的能量补充方法相较于现有技术中，能有效降低节点失效率，降低充电成本，提高网络的生存时间。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感网络技术领域，具体涉及一种基于谐振中继器分布的排序能量补充方法及装置。
背景技术
当前无线传感器网络最为活跃的研究方向之一是无线能量补充技术。无线能量补充技术在最近几年受到了学术界的和产业界的极大重视，许多卓有成效的工作被提出,比如电磁辐射技术、电磁共振耦合技术等。电磁辐射技术用于无线通信领域的历史已经超过一个多世纪。它的构成通常是由一个电磁辐射为基础的无线充电系统，只有一个发射器和两个接收器。然而,这种方法固有的缺点是由于无处不在的波传播的本质，传输距离的信号强度显著降低。因此由天线发出的电磁波可以从空气中获取少量能量，只能支持低功耗设备，比如传感器节点装置。相比于电磁辐射技术，电磁共振耦合技术可以通过空气间隙更高效地传输能量，它可以很容易地实现能量通过耦合线圈的发送端和接收端。该技术的实际应用就是谐振中继器。
作为当前最为活跃的研究方向之一，无线能量补充技术在最近几年受到了学术界的和产业界的极度关注，许多卓有成效的成果被提出。这种能量补充技术可以分为两大类：一类是具有固定周期路径的离线能量补充方式；另一类是动态实时计算节点的剩余电量并根据实际情况处理的在线能量补充方式。
离线充电方式如果根据上一个周期内节点的能耗情形来规划出移动充电装置的最优路径，充电小车周期性的沿预先确定好的移动充电路径和调度给节点充电往往不能很好适应节点能耗的动态变化，可能导致部分节点出现能量饥饿。在线充电方式按需充电优先为距离充电装置最近的节点补充能量，极大的降低了网络的充电成本，但是按需充电选择下一个可被充电的节点时，缺乏综合考虑缺电节点等待充电的响应时间，容易造成距离远的节点能量耗尽而失效。
另外，一些研究人员也探讨了网络中移动充电装置的个数，也有不少研究学家对其提出各种想法。例如多小车充电的研究，采用相邻交叉耦合谐振中继器为多跳无线能量补充问题提供方案，但是这类解决方案未考虑到节点的充电时间和总能量，并且采用多小车充电会导致充电成本的增加。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于谐振中继器分布的排序能量补充方法及装置，该方法和装置通过计算发送第一请求信息的传感器节点的节点密度电量比率Ψ获得对需要充电的传感器节点的第一簇点充电顺序，优先考虑对分布密集且容易失效的传感器节点进行充电，能够适应动态的无线传感网络变化，满足正常的充电需求，有效降低传感器节点失效率，降低充电成本，提高无线传感网络的生存时间。
为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种基于谐振中继器分布的排序能量补充方法，所述方法应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲；
获取监测区域内各簇点的位置信息、各传感器节点的集合S和各传感器节点的位置信息；接收传感器节点Si发送的第一请求信息，所述第一请求信息用于指示传感器节点Si需要充电，所述第一请求信息包括传感器节点Si的节点编号、剩余电量以及节点位置；根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi，所述节点密度电量比Ψi为传感器节点Si的剩余电量与其所在簇点的节点个数的比。
将各个传感器节点Si计算获得的节点密度电量比Ψi进行升序排列，记为第一节点密度电量比顺序；
根据第一节点密度电量比顺序获得第一簇点充电顺序；所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；
所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
根据第一簇点充电顺序获得第一充电指令，所述第一充电指令用于指示属于对应簇点的传感器节点充电，所述第一充电指令包括第一簇点充电顺序以及对应的簇点位置信息；
发送第一充电指令至充电小车，以使所述充电小车按照第一充电指令所指示的充电顺序对属于对应簇点的传感器节点进行充电。
进一步的，根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi的方法为：
获取发送第一请求信息的传感器节点集合Q、集合Q中的传感器节点属于的m个不同的簇点构成的集合P，其中，Q＝{1,2,...,i}，i∈S，P＝{P1,P2,…,Pk…Pm}，Pk表示第k个簇点；
其中，β表示属于同一簇点Pk的传感器节点的个数，Es(i)表示簇点Pk中任一传感器节点的剩余电量，R表示任一簇点的充电范围。
进一步的，判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序直接以第一节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中非排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si。
本发明还提供一种基于谐振中继器分布的排序能量补充装置，所述装置应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：
在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲；
包括：
第一获取模块，用于获取监测区域内各簇点的位置信息、各传感器节点的集合S和各传感器节点的位置信息；
第一接收模块，用于接收传感器节点Si发送的第一请求信息，所述第一请求信息用于指示传感器节点Si需要充电，所述第一请求信息包括传感器节点Si的节点编号、剩余电量以及节点位置；
第一处理模块，用于根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi，所述节点密度电量比Ψi为传感器节点Si的剩余电量与其所在簇点的节点个数的比；
第一排序模块，用于将各个传感器节点Si的节点密度电量比Ψi进行升序排列，记为第一节点密度电量比顺序；
第二处理模块，用于根据第一节点密度电量比顺序获得第一簇点充电顺序；所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
第二获取模块，用于根据第一簇点充电顺序获得第一充电指令，所述第一充电指令用于指示属于对应簇点的传感器节点充电，所述第一充电指令包括第一簇点充电顺序以及对应的簇点位置信息；
第一发送模块，用于向充电小车发送第一充电指令，以使所述充电小车按照第一充电指令所指示的充电顺序对属于对应簇点的传感器节点进行充电。
进一步的，所述第一获取模块，还用于获取发送第一请求信息的传感器节点集合Q、集合Q中的传感器节点属于的m个不同的簇点构成的集合P，其中，Q＝{1,2,...,i}，i∈S，P＝{P1,P2,…,Pk…Pm}，Pk表示第k个簇点；
所述第一处理模块根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi的计算过程为：
其中，β表示属于同一簇点Pk的传感器节点的个数，Es(i)表示簇点Pk中任一传感器节点Si的剩余电量，R表示任一簇点的充电范围。
进一步的，还包括：第一判断模块，用于判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序直接以第一节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
第二判断模块，用于判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中非排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si。
进一步的，所述装置布置在充电小车上。
本发明还进一步提供了一种基于谐振中继器分布的排序能量补充设备，所述设备应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲；
包括：一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法。
本发明还公开一种计算机可读介质，计算机可读介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法。
由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法，获得了如下有益效果：
本发明公开的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法及装置，通过谐振中继器与充电小车结合的无线充电技术可以达到延长无线传感网络的生命周期的效果，能够有效处理现阶段的传感器节点能量饥饿问题。为了达到网络充电效率最佳的效果，本发明公开了基于谐振中继器分布的充电序列构建方法，通过监控传感器节点的请求充电的第一请求信息，计算获得需要充电的传感器节点的节点密度电量比Ψ，多个传感器节点的节点密度电量比Ψ行升序排列获得第一节点密度电量比顺序，由第一节点密度电量比顺序获得以簇点为核心的第一簇点充电顺序，充电小车根据由第一簇点充电顺序生成的第一充电指令顺序对属于对应簇点的传感器节点进行充电，第一簇点充电顺序优先传感器节点分布密集且容易失效的节点充电，能够适应动态的网络变化。
此外，本发明通过仿真实验，将本发明的无线能量补充方法与蜂窝分布的离线充电方法以及随机分布的单跳能量充电方法进行对比分析，结果表明本发明的补充方法能够有效降低节点失效率，降低充电成本，提高无线传感网络的生存时间。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其它方面、实施例和特征。本发明的其它附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1本发明多跳无线能量补充方法充电序列示例图；
图2为本发明多跳无线能量补充方法与现有技术关于节点失效率对比分析图；
图3为本发明多跳无线能量补充方法与现有技术关于充电成本对比分析图；
图4是本发明多跳无线能量补充方法与现有技术关于网络生存时间对比分析图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其它方面的任何适当组合来使用。
基于现有技术中对无线传感网络的能量补充技术中，离线充电方式不能充分考虑节点能耗的动态变化，在线充电方式在缺少对节点等待充电的响应时间的考虑，多充电小车或其它复杂能量补充方案均不很好的满足无线传感网络的充电需求，传感器节点的失效率高的技术问题，本发明旨在提出一种基于谐振中继器分布的排序能量补充方法及装置，通过节点密度电量比率Ψ获得请求充电的传感器节点的充电顺序，即获得第一簇点充电顺序，充电小车在簇点位置对处于该簇点的传感器节点充电，适应动态的无线传感网络变化，满足正常的充电需求，降低传感器节点失效率和充电成本，提高无线传感网络的生存时间。
下面结合附图所示的具体实施例，对本发明的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法及装置作进一步具体介绍。
本发明公开的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法，应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲。例如，附图1所示的实施例，传感器节点围绕谐振中继器随机分配，构成在谐振中继器充电范围的簇。
对于多跳无线可充电传感器网络环境，获取监测区域内各簇点的位置信息、各传感器节点的结合S和各传感器节点的位置信息，一般在网络环境中可直接传输获得；接收传感器节点Si发送的第一请求信息，所述第一请求信息用于指示传感器节点Si需要充电，所述第一请求信息包括传感器节点Si的节点编号、剩余电量以及节点位置；根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi，所述节点密度电量比Ψi为传感器节点Si的剩余电量与其所在簇点的节点个数的比。具体为，获取发送第一请求信息的传感器节点集合Q、集合Q中的传感器节点属于的m个不同的簇点构成的集合P，其中，Q＝{1,2,...,i}，i∈S，P＝{P1,P2,…,Pk…Pm}，Pk表示第k个簇点；
其中，β表示属于同一簇点Pk的传感器节点的个数，Es(i)表示簇点Pk中任一传感器节点的剩余电量，R表示任一簇点的充电范围。
将各个传感器节点Si计算获得的节点密度电量比Ψi进行升序排列，记为第一节点密度电量比顺序；根据第一节点密度电量比顺序获得第一簇点充电顺序；所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si，即找出发出第一请求信息的传感器节点对应的簇点排序，该过程实现优先考虑分布密集且容易失效的传感器节点，适应于动态的无线传感网络变化。
然后，根据第一簇点充电顺序获得第一充电指令，所述第一充电指令用于指示属于对应簇点的传感器节点充电，所述第一充电指令包括第一簇点充电顺序以及对应的簇点位置信息；发送第一充电指令至充电小车，以使所述充电小车按照第一充电指令所指示的充电顺序对属于对应簇点的传感器节点进行充电。在多跳无线可充电传感器网络环境中，服务器会陆续间断的收到来自各传感器节点发送的第一请求信息，因此服务器在设定的时间间隔下处理该时间间隔收到的第一请求信息。
第一请求信息的生成原理为，对多跳无线可充电传感器网络环境监测区域中的任一传感器节点Si设定相同的需要进行充电的电量阈值，当任一传感器节点Si的剩余电量不超过电量阈值时，传感器节点Si就会向服务器发出第一请求，例如设定传感器节点的初始电量为10000(unit)，在收发消息的能量消耗过程中，当传感器节点的剩余电量达到了阈值250(unit)时，就发出第一请求信息，请求充电。
附图1所示的是一种随机分布较好的多跳无线可充电传感器网络，即每一传感器节点都处于对应的簇点充电范围内。还存在另一种分散场景，存在一传感器节点不处于任何一个簇点的充电范围，即属于孤立节点，对于这种多跳无线可充电传感器网络环境，需要先判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，再根据第一节点密度电量比顺序获得第一簇点充电顺序。
具体过程为，判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点；若存在，则所述第一簇点充电顺序直接以第一节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中非排序首位的节点；若存在，则所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；以第二节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为当前的簇点；重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si。对于孤立节点采取的操作是直接将孤立节点记为当前簇点，获得第一簇点充电顺序。
本发明还提供一种基于谐振中继器分布的排序能量补充装置，该装置应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：
在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲。
所述装置具体包括第一获取模块，用于获取监测区域内各簇点的位置信息、各传感器节点的集合S和各传感器节点的位置信息；第一接收模块，用于接收传感器节点Si发送的第一请求信息，所述第一请求信息用于指示传感器节点Si需要充电，所述第一请求信息包括传感器节点Si的节点编号、剩余电量以及节点位置；第一处理模块，用于根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi，所述节点密度电量比Ψi为传感器节点Si的剩余电量与其所在簇点的节点个数的比；第一处理模块计算获得所有发出第一请求信息的传感器节点的节点密度电量比Ψi。
第一排序模块，用于将各个传感器节点Si的节点密度电量比Ψi进行升序排列，记为第一节点密度电量比顺序；第二处理模块，用于根据第一节点密度电量比顺序获得第一簇点充电顺序；所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；第二获取模块，用于根据第一簇点充电顺序获得第一充电指令，所述第一充电指令用于指示属于对应簇点的传感器节点充电，所述第一充电指令包括第一簇点充电顺序以及对应的簇点位置信息；第一发送模块，用于向充电小车发送第一充电指令，以使所述充电小车按照第一充电指令所指示的充电顺序对属于对应簇点的传感器节点进行充电。
进一步的，所述装置的第一获取模块，还用于获取发送第一请求信息的传感器节点集合Q、集合Q中的传感器节点属于的m个不同的簇点构成的集合P，其中，Q＝{1,2,...,i}，i∈S，P＝{P1,P2,…,Pk…Pm}，Pk表示第k个簇点；
所述第一处理模块根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi的计算过程为：
其中，β表示属于同一簇点Pk的传感器节点的个数，Es(i)表示簇点Pk中任一传感器节点Si的剩余电量，R表示任一簇点的充电范围。
对于不同于附图1所示的任一传感器节点均有对应的簇点的多跳无线可充电传感器网络环境，存在不属于任一簇点的传感器节点的传感器网络环境，该节点记为孤立节点，对于发送第一请求信息的孤立节点，本发明公开的基于谐振中继器分布的排序能量补充装置，还包括第一判断模块，用于判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点；若存在，则所述第一簇点充电顺序直接以第一节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si。
第二判断模块，用于判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中非排序首位的节点；若存在，则所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；以第二节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为当前的簇点；重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si。通过两个判断模块对第一节点密度电量比顺序进行孤立节点存在及位置的判断，满足判断条件，构建第一簇点充电顺序，进而有第二获取模块获的第一充电指令，充电指令由第一发送模块发送给充电小车，充电小车执行第一簇点充电顺序，完成对属于对应簇点的传感器节点的充电。对于第一簇点充电顺序中的孤立节点，充电小车直接移动至由孤立节点构成的簇点位置进行单跳充电。
在本发明公开的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法或补充装置，在具体实施时均可以直接应用在充电小车上，即传感器节点的电量低于或等于电量阈值时，向充电小车发送第一请求信息，即充电请求；充电小车接收第一请求信息，计算节点密度电量比Ψi，再排序获得第一节点密度电量比顺序，进而获取第一簇点充电顺序，再根据簇点的位置信息直接按照第一簇点充电顺序移动，完成对属于对应簇点的传感器节点的充电。
基于充电小车对属于同一簇点的若干待充电的传感器节点进行多跳能量传输分配充电的方法过程属于现有技术，因此在本申请文件的说明书中不再一一赘述。
结合附图1所示，充电小车接收到传感器节点2，1，7，5，4，3和6共七个节点发送的第一请求信息，分别计算着七个传感器节点在各自对应簇点中的节点密度电量比Ψi，升序排序获得第一节点密度电量比顺序：2，4，1，7，6，5，3。再获取各节点对应的簇点，属于D簇点的传感器节点有2和4，属于B簇点的传感器节点有1，属于H簇点的传感器节点有7和6，属于G簇点的传感器节点有5，属于C簇点的传感器节点有3，获取第一簇点充电顺序。依照第一簇点充电顺序，充电小车先移动至第一簇点D位置对传感器节点2和4充电，充电完成后再移动至下一簇点B位置对传感器节点1充电，充电完成后再移动至下一簇点H位置对传感器节点7和6充电，直至下一簇点C位置对传感器节点3完成充电，充电序列完成充电。
本发明还公开了一种基于谐振中继器分布的排序能量补充设备，所述设备应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲；
包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法。
本发明进一步公开了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法。
本发明为了更鲜明的表达本发明的技术效果，还展示了具有不同传感器节点的监测区域内采用本发明能量补充方法或装置、蜂窝分布的离线充电方法(Cellular MWRN)和随机分布的单跳能量充电方法(RI-CB MWRN)分别对传感器节点进行能量补充的实施例，对监测区域内节点失效率、充电成本和网络生存时间三个性能对比如附图2至图4所示。数据结果表明本发明基于谐振中继器分布的排序能量补充方法，与现有技术中蜂窝分布的离线充电算法、随机分布的单跳能量充电算法充电技术相比，能够在一定程度上有效降低节点失效率，降低充电成本，提高网络的生存时间。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (9)
1.一种基于谐振中继器分布的排序能量补充方法，其特征在于，所述方法应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：
在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲；
获取监测区域内各簇点的位置信息、各传感器节点的集合S和各传感器节点的位置信息；
接收传感器节点Si发送的第一请求信息，所述第一请求信息用于指示传感器节点Si需要充电，所述第一请求信息包括传感器节点Si的节点编号、剩余电量以及节点位置；
根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi，所述节点密度电量比Ψi为传感器节点Si的剩余电量与其所在簇点的节点个数的比；
将各个传感器节点Si的节点密度电量比Ψi进行升序排列，记为第一节点密度电量比顺序；
根据第一节点密度电量比顺序获得第一簇点充电顺序；所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
根据第一簇点充电顺序获得第一充电指令，所述第一充电指令用于指示属于对应簇点的传感器节点充电，所述第一充电指令包括第一簇点充电顺序以及对应的簇点位置信息；
发送第一充电指令至充电小车，以使所述充电小车按照第一充电指令所指示的充电顺序对属于对应簇点的传感器节点进行充电。
2.根据权利要求1所述的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法，其特征在于，根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi的方法为：
获取发送第一请求信息的传感器节点集合Q、集合Q中的传感器节点属于的m个不同的簇点构成的集合P，其中，Q＝{1,2,...,i}，i∈S，P＝{P1,P2,…,Pk…Pm}，Pk表示第k个簇点；
其中，β表示属于同一簇点Pk的传感器节点的个数，Es(i)表示簇点Pk中任一传感器节点的剩余电量，R表示任一簇点的充电范围。
3.根据权利要求1所述的基于谐振中继器分布的排序能量补充方法，其特征在于，
判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序直接以第一节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中非排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si。
4.一种基于谐振中继器分布的排序能量补充装置，其特征在于，所述装置应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：
在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲；
包括：
第一获取模块，用于获取监测区域内各簇点的位置信息、各传感器节点的集合S和各传感器节点的位置信息；
第一接收模块，用于接收传感器节点Si发送的第一请求信息，所述第一请求信息用于指示传感器节点Si需要充电，所述第一请求信息包括传感器节点Si的节点编号、剩余电量以及节点位置；
第一处理模块，用于根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi，所述节点密度电量比Ψi为传感器节点Si的剩余电量与其所在簇点的节点个数的比；
第一排序模块，用于将各个传感器节点Si的节点密度电量比Ψi进行升序排列，记为第一节点密度电量比顺序；
第二处理模块，用于根据第一节点密度电量比顺序获得第一簇点充电顺序；所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
第二获取模块，用于根据第一簇点充电顺序获得第一充电指令，所述第一充电指令用于指示属于对应簇点的传感器节点充电，所述第一充电指令包括第一簇点充电顺序以及对应的簇点位置信息；
第一发送模块，用于向充电小车发送第一充电指令，以使所述充电小车按照第一充电指令所指示的充电顺序对属于对应簇点的传感器节点进行充电。
5.根据权利要求4所述的基于谐振中继器分布的排序能量补充装置，其特征在于，所述第一获取模块，还用于获取发送第一请求信息的传感器节点集合Q、集合Q中的传感器节点属于的m个不同的簇点构成的集合P，其中，Q＝{1,2,...,i}，i∈S，P＝{P1,P2,…,Pk…Pm}，Pk表示第k个簇点；
所述第一处理模块根据第一请求信息计算传感器节点Si的节点密度电量比Ψi的计算过程为：
其中，β表示属于同一簇点Pk的传感器节点的个数，Es(i)表示簇点Pk中任一传感器节点Si的剩余电量，R表示任一簇点的充电范围。
6.根据权利要求4所述的基于谐振中继器分布的排序能量补充装置，其特征在于，还包括：
第一判断模块，用于判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序直接以第一节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si；
第二判断模块，用于判断第一节点密度电量比顺序中是否存在孤立节点，且孤立节点为第一节点密度电量比顺序中非排序首位的节点；
若存在，则所述第一簇点充电顺序以第一节点密度电量比顺序中排序首位的节点对应的簇点为排序首位的簇点；所述第一簇点充电顺序满足：
从第一节点密度电量比顺序中删除前一簇点中传感器节点对应的节点密度电量比Ψi，获得第二节点密度电量比顺序；
以第二节点密度电量比顺序中排序首位的孤立节点为当前的簇点；
重复上述步骤直至遍历第一节点密度电量比顺序中所有的传感器节点Si。
7.根据权利要求4-6任一项所述的基于谐振中继器分布的排序能量补充装置，其特征在于，所述装置布置在充电小车上。
8.一种基于谐振中继器分布的排序能量补充设备，其特征在于，所述设备应用于布置有如下多跳无线可充电传感器网络环境：
在监测区域内随机分布多个谐振中继器、以谐振中继器为簇点随机分布的多个传感器节点Si、一充电小车和一安装在监测区域中心位置的固定基站，所述传感器节点与充电小车具有相同的谐振频率，所述充电小车的工作初始状态为空闲；
包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。
9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的方法。
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2019
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张媛媛: "WRSN中一种聚类分簇多跳能量补充策略", 《小型微型计算机系统》 * |
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|---|---|
| CN111182490B (zh) | 2023-07-21 |
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