CN111224450B - 一种大规模无线传感网多位置同时充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模无线传感网多位置同时充电方法，涉及可充电传感网技术，其中的无线充电移动平台WCV与多充电器为分离结构，可以携带多个低成本、可拆卸充电器，每个充电器配备一个无线充电设备和一个便携式大容量电池。WCV可根据实际需要在多个充电停留位置处分别部署充电器。待被充电传感器能量恢复后，无线充电移动平台回到充电停留位置处将充电器回收并按照这种充电方式继续执行后续充电任务。本发明可以实现同时对多个传感器充电，一方面以成倍缩短了前方充电队列所花费的充电等待时间，另一方面也提升了无线充电移动平台的设备利用率。这种先部署，后回收模式也使得无线充电移动平台的移动充电策略选择更多样化。

Description

一种大规模无线传感网多位置同时充电方法

技术领域

本发明涉及可充电传感网技术，具体涉及一种大规模布置的传感网多位置同时移动充电方法。

背景技术

目前，随着无线能量传输技术取得突破，无线可充电传感器网络被提出，它可通过无线充电方法对无线传感器网络节点进行能量补充，达到网络长效运行的目的。在无线可充电传感器网络中，充电规划的设计是最核心的问题之一。

与部署静态充电桩的解决方案相比，使用无线充电移动平台（Wireless ChargingVehicle，WCV）对无线可充电传感器网络节点进行能量补充，其充电过程非常灵活，对传感器节点的突发性能量需求响应更及时，也更有针对性，已经成为近年来的研究热点。

现有的研究方案中，WCV均采用与单充电器捆绑式结构，只能按照预定规划路径，先移动到指定充电停留位置为附近的传感器补充能量，该位置的充电任务完成后，才能向下一充电停留位置移动。这种在充电停留位置队列中逐步行进的充电模式，通常充电停留位置处的充电时间要大于充电停留位置间的移动时间（当使用无人机作为无线充电移动平台时，尤为明显）从而限制了整个无线可充电传感器网络的充电效率。其次，因为WCV充电容量非常有限并且为传感器电池充满电也需要时间，使用单WCV会导致一些传感器可能已经在WCV接近它们之前就耗尽了能量，往往无法满足无线传感器网络节点的能量补充需求。虽然使用多WCV可以显著减少传感器的死区时间，但是每个WCV的投资成本从几百美元到几千美元不等，多WCV的投资和维护成本太高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种大规模无线传感网多位置同时充电方法。

本发明采用的技术方案是：一种大规模无线传感网多位置同时充电方法，包括以下步骤：

步骤1：在二维平面的目标区域内部署大规模无线传感器网络，所述无线传感器网络包括n个传感器节点，以及基站；

步骤2：大规模无线传感器网络包括n个无线充电移动平台WCV，每个所述无线充电移动平台WCV上装载有k个充电器；其中，所述n和k均为大于或等于2的自然数；每个无线充电移动平台WCV配备有GPS；

步骤3：当传感器节点的剩余能量低于给定的阈值时，则向基站发送充电请求，基站收集待充电传感器节点的ID、位置、剩余电量；并根据第一时间段所收集的待充电传感器节点的位置，对所述无线充电移动平台WCV的移动路径进行规划，使得所述无线充电移动平台WCV按照规划好的移动路径进行移动，依序为位于所述规划好的移动路径上的所述待充电传感器节点配备充电器；所述规划好的移动路径为所述无线充电移动平台WCV依序为位于所述规划好的移动路径上的所述待充电传感器节点配备无线充电器需要移动的最短路径，所述第一时间段所收集的待充电传感器节点的数量小于或等于所述k；

步骤4：使用一种近似算法基于待充电传感器节点的位置进行多位置同时移动充电路径规划；

步骤5：无线充电移动平台WCV按照规划好的路径完成充电。

进一步地，所述步骤1中的传感器节点包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和能量供应单元；

所述数据采集单元由传感器与模数转换器组成，负责监测区域内信息采集和数据转换；

所述数据处理单元负责整个传感器节点的操作，实现数据的存储、融合以及转发；

所述数据传输单元负责与基站和其它传感器节点之间的无线通信；

所述能量供应单元负责为传感器节点提供运行所需的能量，主要包括可充电电池和电池控制模块，电池控制模块用以监测可充电电池。

更进一步地，所述步骤1具体为：

大规模传感器网络中有个传感器节点，设为这些传感器节点的集合，即；每个传感器节点由可充电电池供电，并且消耗其能量用于监测可充电电池的电量，以及与基站无线数据传输；基站位于网络的中心，用于大规模无线传感网内可充电电池的电量数据收集和网络管理并规划充电路径。

更进一步地，所述步骤2具体为：

无线充电移动平台WCV装载个可分离无线充电器，用于为传感器网络中的关键传感器节点充电；

给定一组待充电传感器节点，传感器节点集合中个传感器节点的充电顺序：，由路径规划算法传递，其中；

在多位置同时充电方法中，无线充电移动平台WCV按照以下顺序对中的传感器节点执行充电任务：

无线充电移动平台WCV从基站开始访问第一轮个传感器节点，并分别在个传感器节点的充电停留位置放置一个充电器；待个传感器节点恢复能量后，无线充电移动平台WCV回到充电停留位置处，再重新访问这个传感器节点，收集分配给它们的个充电器；

然后无线充电移动平台WCV对下一轮个传感器节点进行充电；该过程持续到待充电序列中的所有传感器节点都充满电，并且无线充电移动平台WCV最终返回到基站。

更进一步地，所述步骤2还包括：

所述无线充电移动平台WCV最初位于基站，并从该处携带充电器出发

，可根据实际需要在多个充电停留位置处分别部署充电器；待被充电传感器节点能量恢复后，无线充电移动平台WCV回到充电停留位置处将充电器回收，并按照这种充电方式继续执行后续充电任务；

在充电器充电过程中，当该轮次充电器未部署完毕，则无线充电移动平台WCV按照充电顺序将剩余的充电器运送到下一个充电停留位置；当该轮次充电器部署完毕，则无线充电移动平台WCV按照充电顺序开始回收充电器。

更进一步地，所述步骤2还包括：

假设无线充电移动平台WCV和个充电器的电池容量在充电行程中是足够的，其能量都不会耗尽；个充电器几乎同时充电；则所述无线充电移动平台WCV在完成其充电任务之后再返回基站，以用于自身和个充电器的能量补充；

无线充电移动平台WCV每完成多充电器部署--回收任务的轮次为一个子轮次，若航程富余即无线充电移动平台WCV上的充电器电量充足富余时，则完成一次子轮次任务后继续进行下一子轮次任务；若航程不富余时，则完成部署任务后返回基站进行补给再完成回收任务。

更进一步地，所述步骤4具体为：

使用一种近似算法基于待充电传感器节点的位置进行多位置同时移动充电路径规划，该近似算法首先使用PTAS算法找到解决TSP问题的一种充电序列近似解：；然后根据得到的充电序列、无线充电移动平台WCV携带的充电器数量，得到在多位置同时移动充电方法下通过序列为集合中传感器节点充电的WCV最小行驶路径：

。

本发明的优点：

本发明使无线充电移动平台WCV和充电器在空间上实现可分离，允许无线充电移动平台携带多个充电器，将这些充电器部署到多个停留位置同时充电，一方面以成倍缩短前方充电队列所花费的充电等待时间的方式，达到显著提升无线充电移动平台充电效率的目的，另一方面也提升了无线充电移动平台的设备利用率，达到优化充电系统配置、降低运营成本的效果。并且无线充电移动平台—多充电器可分离式结构的多位置同时移动充电方法，无线充电移动平台既需要在多个充电停留位置处放置充电器，又需折返到充电停留位置处将充电器回收。这种“先部署，后回收”模式受无线传感器网络节点空间分布、充电器能量状态和无线充电移动平台移动能力等因素影响，使得无线充电移动平台的移动充电策略选择更多样化，其路径规划方法也更灵活。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的大规模布置的传感网多位置同时移动充电方法步骤图；

图2是本发明在充电器能量和WCV航程富余时的路径规划图；

图3是本发明在WCV航程不富余时的路径规划图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。

本发明的大规模传感网中包括基站、传感器、WCV、可分离式充电器以及充电路径。

基站：基站位于网络中心，用于收集整个传感网中的数据以完成网络管理、为WCV和可分离式充分电器补充能量并规划充电路径。

传感器：本发明的传感器为可充电无线传感器，随机部署在二维区域中以用于数据感测和无线数据传输。所有传感器的电池总能量是相同的，但不同传感器的能量消耗不同。当传感器的剩余能量低于给定的阈值时，则向基站发送充电请求。

WCV：无线充电移动平台（Wireless Charging Vehicle，WCV）。本发明中WCV采用与多充电器分离结构。配备有GPS，并装载多个低成本、可分离无线充电器为传感器节点充电。WCV可以使用充电车、无人机等。WCV可在基站补充能量。

可分离式充电器：每个可分离式充电器配备一个无线充电设备和一个便携式大容量电池。可被无线充电移动平台WCV装载后放置在传感器附近以完成充电。该充电器可在基站补充能量。

充电路径：由基站根据待充电传感器节点的位置进行规划，使得WCV在多位置同时移动充电方法下的移动路径最小。

图1给出的为本发明的方法设计步骤图，按如下步骤执行：

一种大规模无线传感网多位置同时充电方法，包括以下步骤：

步骤1：在二维平面的目标区域内部署大规模无线传感器网络，所述无线传感器网络包括n个传感器节点，以及基站；

步骤2：大规模无线传感器网络包括n个无线充电移动平台WCV，每个所述无线充电移动平台WCV上装载有k个充电器；其中，所述n和k均为大于或等于2的自然数；每个无线充电移动平台WCV配备有GPS；

步骤3：当传感器节点的剩余能量低于给定的阈值时，则向基站发送充电请求，基站收集待充电传感器节点的ID、位置、剩余电量；并根据第一时间段所收集的待充电传感器节点的位置，对所述无线充电移动平台WCV的移动路径进行规划，使得所述无线充电移动平台WCV按照规划好的移动路径进行移动，依序为位于所述规划好的移动路径上的所述待充电传感器节点配备充电器；所述规划好的移动路径为所述无线充电移动平台WCV依序为位于所述规划好的移动路径上的所述待充电传感器节点配备无线充电器需要移动的最短路径，所述第一时间段所收集的待充电传感器节点的数量小于或等于所述k；

步骤4：使用一种近似算法基于待充电传感器节点的位置进行多位置同时移动充电路径规划；

步骤5：无线充电移动平台WCV按照规划好的路径完成充电。

本发明的一种用于大规模布置的传感网多位置同时移动充电方法，WCV采用无线充电移动平台WCV—多充电器分离结构，可以携带多个低成本、可拆卸充电器，每个充电器配备一个无线充电设备和一个便携式大容量电池。WCV可根据实际需要在多个充电停留位置处分别部署充电器。待被充电传感器能量恢复后，WCV回到充电停留位置处将充电器回收，按照这种充电方式继续执行后续充电任务。可以实现同时对多个传感器充电。

本发明确定多位置同时移动充电方法下的无线可充电传感器网络的模型特性，解决在这种充电方法下WCV的调度问题，以提高充电效率、优化无线可充电传感器网络资源配置。

所述步骤1中的传感器节点包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和能量供应单元；

所述数据采集单元由传感器与模数转换器组成，负责监测区域内信息采集和数据转换；

所述数据处理单元负责整个传感器节点的操作，实现数据的存储、融合以及转发；

处理器单元一般选用低功耗的嵌入式处理器,如ATMEL公司的ATmega128芯片；

所述数据传输单元负责与基站和其它传感器节点之间的无线通信；

这些无线通信芯片一般是低功耗短距离的射频芯片，主要有TI公司的CC系列射频芯片；

所述能量供应单元负责为传感器节点提供运行所需的能量，主要包括可充电电池和电池控制模块，电池控制模块用以监测可充电电池。

所述步骤1具体为：

大规模传感器网络中有个传感器节点，设为这些传感器节点的集合，即；每个传感器节点由可充电电池供电，并且消耗其能量用于监测可充电电池的电量，以及与基站无线数据传输；基站位于网络的中心，用于大规模无线传感网内可充电电池的电量数据收集和网络管理并规划充电路径。

所述步骤2具体为：

无线充电移动平台WCV装载个可分离无线充电器，用于为传感器网络中的关键传感器节点充电；

给定一组待充电传感器节点，传感器节点集合中个传感器节点的充电顺序：，由路径规划算法传递，其中；

在多位置同时充电方法中，无线充电移动平台WCV按照以下顺序对中的传感器节点执行充电任务：

无线充电移动平台WCV从基站开始访问第一轮个传感器节点，并分别在个传感器节点的充电停留位置放置一个充电器；待个传感器节点恢复能量后，无线充电移动平台WCV回到充电停留位置处，再重新访问这个传感器节点，收集分配给它们的个充电器；

然后无线充电移动平台WCV对下一轮个传感器节点进行充电；该过程持续到待充电序列中的所有传感器节点都充满电，并且无线充电移动平台WCV最终返回到基站。

所述步骤2还包括：

所述无线充电移动平台WCV最初位于基站，并从该处携带充电器出发

，可根据实际需要在多个充电停留位置处分别部署充电器；待被充电传感器节点能量恢复后，无线充电移动平台WCV回到充电停留位置处将充电器回收，并按照这种充电方式继续执行后续充电任务；

在充电器充电过程中，当该轮次充电器未部署完毕，则无线充电移动平台WCV按照充电顺序将剩余的充电器运送到下一个充电停留位置；当该轮次充电器部署完毕，则无线充电移动平台WCV按照充电顺序开始回收充电器。

所述步骤2还包括：

假设无线充电移动平台WCV和个充电器的电池容量在充电行程中是足够的，其能量都不会耗尽；个充电器几乎同时充电；则所述无线充电移动平台WCV在完成其充电任务之后再返回基站，以用于自身和个充电器的能量补充；

无线充电移动平台WCV每完成多充电器部署--回收任务的轮次为一个子轮次，若航程富余即无线充电移动平台WCV上的充电器电量充足富余时，则完成一次子轮次任务后继续进行下一子轮次任务；若航程不富余时，则完成部署任务后返回基站进行补给再完成回收任务。

如图 2所示，当充电器能量富余且WCV航程富余时，WCV在完成第一轮次任务后（在部署了3个充电器），接着进行下一轮次任务（在部署了3个充电器）；

V1和V3之间的虚线代表无线充电移动平台WCV由V3行驶到V1处回收已充电完毕的充电器；

V6和V4之间的虚线代表无线充电移动平台WCV由V6行驶到V4处回收已充电完毕的充电器。

如图3所示，当WCV航程不富余时，先选择完成部署任务（在部署了3 个充电器），回程时再选择完成回收任务（去往将充电器回收）。

所述步骤3还包括：用表示传感网中每个传感器的剩余能量，表示其在时刻的能量消耗速率。因此，在时刻，传感器的剩余寿命。如果传感器的剩余寿命低于给定的阈值，则传感器处于临界寿命状态，然后该传感器节点向基站发送充电请求。基站收集传感器的ID、位置、剩余电量。

所述步骤4具体为：

使用一种近似算法基于待充电传感器节点的位置进行多位置同时移动充电路径规划，该近似算法，用于解决充电服务成本最小化问题，可以使得WCV的行驶路径最小。该近似算法首先使用PTAS算法找到解决TSP问题的一种充电序列近似解：；然后根据得到的充电序列、无线充电移动平台WCV携带的充电器数量，得到在多位置同时移动充电方法下通过序列为集合中传感器节点充电的WCV最小行驶路径：

。

定义传感器节点的剩余能量，传感器节点的时隙，充电时间，则每次的充电时间根据其剩余能量所决定，即。

本发明使无线充电移动平台WCV和充电器在空间上实现可分离，允许无线充电移动平台WCV携带多个充电器，将这些充电器部署到多个停留位置同时充电，一方面以成倍缩短前方充电队列所花费的充电等待时间的方式，达到显著提升WCV充电效率的目的，另一方面也提升了无线充电移动平台WCV的设备利用率，达到优化充电系统配置、降低运营成本的效果。并且无线充电移动平台WCV—多充电器可分离式结构的多位置同时移动充电方法，无线充电移动平台WCV既需要在多个充电停留位置处放置充电器，又需折返到充电停留位置处将充电器回收。这种“先部署，后回收”模式受无线传感器网络节点空间分布、充电器能量状态和无线充电移动平台WCV移动能力等因素影响，使得无线充电移动平台WCV的移动充电策略选择更多样化，其路径规划方法也更灵活。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种大规模无线传感网多位置同时充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在二维平面的目标区域内部署大规模无线传感器网络，所述无线传感器网络包括n个传感器节点，以及基站；

步骤2：大规模无线传感器网络包括n个无线充电移动平台WCV，每个所述无线充电移动平台WCV上装载有k个充电器；其中，所述n和k均为大于或等于2的自然数；每个无线充电移动平台WCV配备有GPS；

步骤3：当传感器节点的剩余能量低于给定的阈值时，则向基站发送充电请求，基站收集待充电传感器节点的ID、位置、剩余电量；并根据第一时间段所收集的待充电传感器节点的位置，对所述无线充电移动平台WCV的移动路径进行规划，使得所述无线充电移动平台WCV按照规划好的移动路径进行移动，依序为位于所述规划好的移动路径上的所述待充电传感器节点配备充电器；所述规划好的移动路径为所述无线充电移动平台WCV依序为位于所述规划好的移动路径上的所述待充电传感器节点配备无线充电器需要移动的最短路径，所述第一时间段所收集的待充电传感器节点的数量小于或等于所述k；

步骤4：使用一种近似算法基于待充电传感器节点的位置进行多位置同时移动充电路径规划；

步骤5：无线充电移动平台WCV按照规划好的路径完成充电；

所述步骤1中的传感器节点包括数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和能量供应单元；

所述数据采集单元由传感器与模数转换器组成，负责监测区域内信息采集和数据转换；

所述数据处理单元负责整个传感器节点的操作，实现数据的存储、融合以及转发；

所述数据传输单元负责与基站和其它传感器节点之间的无线通信；

所述能量供应单元负责为传感器节点提供运行所需的能量，主要包括可充电电池和电池控制模块，电池控制模块用以监测可充电电池；

所述步骤1具体为：

大规模传感器网络中有个传感器节点，设为这些传感器节点的集合，即；每个传感器节点由可充电电池供电，并且消耗其能量用于监测可充电电池的电量，以及与基站无线数据传输；基站位于网络的中心，用于大规模无线传感网内可充电电池的电量数据收集和网络管理并规划充电路径；

所述步骤2具体为：

无线充电移动平台WCV装载个可分离无线充电器，用于为传感器网络中的关键传感器节点充电；

给定一组待充电传感器节点，传感器节点集合中个传感器节点的充电顺序：，由路径规划算法传递，其中；

在多位置同时充电方法中，无线充电移动平台WCV按照以下顺序对中的传感器节点执行充电任务：

无线充电移动平台WCV从基站开始访问第一轮个传感器节点，并分别在个传感器节点的充电停留位置放置一个充电器；待个传感器节点恢复能量后，无线充电移动平台WCV回到充电停留位置处，再重新访问这个传感器节点，收集分配给它们的个充电器；

然后无线充电移动平台WCV对下一轮个传感器节点进行充电；该过程持续到待充电序列中的所有传感器节点都充满电，并且无线充电移动平台WCV最终返回到基站；

所述步骤2还包括：

所述无线充电移动平台WCV最初位于基站，并从该处携带充电器出发，可根据实际需要在多个充电停留位置处分别部署充电器；待被充电传感器节点能量恢复后，无线充电移动平台WCV回到充电停留位置处将充电器回收，并按照这种充电方式继续执行后续充电任务；

在充电器充电过程中，当该轮次充电器未部署完毕，则无线充电移动平台WCV按照充电顺序将剩余的充电器运送到下一个充电停留位置；当该轮次充电器部署完毕，则无线充电移动平台WCV按照充电顺序开始回收充电器；

所述步骤2还包括：

假设无线充电移动平台WCV和个充电器的电池容量在充电行程中是足够的，其能量都不会耗尽；个充电器几乎同时充电；则所述无线充电移动平台WCV在完成其充电任务之后再返回基站，以用于自身和个充电器的能量补充；

无线充电移动平台WCV每完成多充电器部署--回收任务的轮次为一个子轮次，若航程富余即无线充电移动平台WCV上的充电器电量充足富余时，则完成一次子轮次任务后继续进行下一子轮次任务；若航程不富余时，则完成部署任务后返回基站进行补给再完成回收任务；

所述步骤4具体为：

使用一种近似算法基于待充电传感器节点的位置进行多位置同时移动充电路径规划，该近似算法首先使用PTAS算法找到解决TSP问题的一种充电序列近似解：；然后根据得到的充电序列、无线充电移动平台WCV携带的充电器数量，得到在多位置同时移动充电方法下通过序列为集合中传感器节点充电的WCV最小行驶路径：

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