CN111770466A - 一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案，属于传感器与执行器网络能量补充领域。利用谐振中继器可以实现多跳无线充电，本发明考虑利用执行器的可控性将其移动到合适的位置充当中继器的角色进行多跳能量补充，主要目标是通过在WSAN中合理地选择执行器移动的位置来减少充电成本并且提高多跳无线充电效率。本发明在所有传感器和执行器节点上安装谐振中继器，提供一系列方法来判断待充电的传感器节点是否具备多跳充电的条件并找到执行器的最优中继位置，将执行器当作可移动的中继器来进行多跳无线充电，如此，能够增加网络中的多跳无线充电机会，减少充电成本，降低节点失效率。

Description

一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案

技术领域

本发明涉及传感器与执行器网络能量补充领域，特别涉及一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案。

背景技术

无线传感器和执行器网络是一种新型网络模型，一般是由多个传感器节点和一定数量的执行器节点组成。它不仅能够感知环境信息、处理数据，还能够主动与监测环境进行交互，执行相应的任务。但是，无线传感器和执行器网络与传统的无线传感器网络一样，也面临着严重的能量约束问题。

由于传感器节点体积较小，所需数量较大，受成本影响，往往配置的电池容量较小，并且由于环境限制，直接为其更换电池是不现实的。为了延长传感器网络的生存时间，各国学者进行了大量研究工作，近年来涌现出了许多节能方法、能量收集方法和无线充电方法。无线充电方法是指在网络中配备移动充电装置MC(MobileCharger)为网络中的节点进行无线能量补充，这是一种延长网络生存时间的十分有效的方法。

移动充电装置支持的充电技术分为单跳和多跳充电。单跳充电方案通过将MC移动至谐振中继器附近来给中继器中继范围内的多个节点充电，这种方式在网络节点较少的情况下充电成本不高且不能及时给节点进行能量补充。现有的多跳能量补充方法有两种，一种是以传感器节点作为中继器来进行多跳能量补充，由于传感器节点之间的距离往往大于能量传输的距离，因此网络中能够中继的节点较为有限，这在很大程度上影响了网络的能量补充效率。另一种是在网络中部署一定数量的谐振中继器以增加传感器节点获得多跳无线充电的机会，这种方法需要部署大量的谐振中继器。

执行器的移动性对于WSAN的无线能量补充是困难也是机遇，利用执行器的移动能力受控这一特性，通过传感器-执行器交互协作，使得执行器移动到合适位置。如此，能够增加网络中的多跳无线充电机会：以执行器作为中继，可以增加传感器多跳无线充电机会。本发明的主要目标是通过在WSAN中合理地选择执行器移动的位置来减少充电成本并且提高多跳无线充电效率。该问题的优化工作是：1、降低成本，成本为MC和执行器的总移动距离。为了减少MC的移动距离，应使执行器的中继范围能够尽可能多的覆盖需要充电的传感器节点。若执行器移动后充电成本反而增大，则不作为中继节点。2、提高多跳无线充电效率，应使执行器到每一个中继范围内的需要充电的传感器节点的距离都尽可能得小。

发明内容

本发明发目的是提供一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案，在所有传感器和执行器节点上安装谐振中继器，提供一系列方法来判断待充电的传感器节点是否具备多跳充电的条件并找到执行器的最优中继位置，将执行器当作可移动的中继器来进行多跳无线充电，如此，能够增加网络中的多跳无线充电机会，减少充电成本，降低节点失效率。

本发明的技术方案是：一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案，具体的步骤如下：

Step1、得到需要充电的节点；

Step2、得到TSP序列：求出最短距离路径；

Step3、判断是否有中继条件并依次充电：依次判断每个节点是否具有中继条件，若无则直接通过移动充电装置给该节点充电，移动充电装置为MC，若有则判断执行器的最优中继位置，将执行器移动至该位置进行多跳充电；

Step4、服务池中为空时，此轮充电结束，重复以上步骤开始下一轮充电。

具体地，Step1、得到需要充电的节点：

定义lr为请求充电的阈值，遍历所有节点(传感器和执行器)，将能量阈值低于lr的节点加入充电队列；定义lc(lc<lr)为启动充电的阈值，当存在节点的能量阈值低于lc时，充电队列不再加入新的节点；

Step2、得到TSP序列：

将充电队列使用旅行家算法排序，得到以离MC最近节点为首的最短路径，将此序列加入服务池；

Step3、判断是否有中继条件并依次充电：

按服务池的顺序依次选择节点，判断该节点是否具有中继条件，若无，则直接给该节点充电；若有中继条件，则将最近且空闲的执行器移动到合适的位置，MC同时给执行器中继范围内的多个节点充电，将充电完毕的节点从服务池中移除；

执行器选址过程如下：

(1)判断服务池里首个节点S1是否有中继条件：定义P点为中继点，以S1为圆心，将半径为R的圆旋转一周，若旋转一周都没有覆盖其他节点，则S1无中继条件，MC直接给S1充电；

(2)若多个圆形区域有相同最大覆盖节点数，那么选择圆心距离执行器最近的圆；

(3)当除S1外仅覆盖一个节点S2，调整P点为S1、S2的中点位置；

(4)当除S1外覆盖两个以上节点时，不调整P点的位置；

(5)当除S1外覆盖两个节点时，如果S1,S2，S3构成锐角三角形，调整P点为三角形的外接圆位置；如果S1,S2，S3构成钝角三角形，调整P点为为钝角所对应边的中点位置；

(6)判断调整后的P点位置是否远离了执行器，若远离了执行器，则使用原来的P点；

(7)中继范围内的节点充电的行驶距离为D，若执行器与MC行驶距离之和大于D，则充电成本不降反增，重新寻找充电覆盖范围；若小于D,则将执行器移动至P点，作为中继器为中继范围R内的节点多跳充电；

Step4、服务池中为空时，此轮充电结束，重复以上步骤开始下一轮充电。

本发明的有益效果是：

(1)以传感器节点作为中继器来进行多跳能量补充是最常见的多跳能量补充方式，由于传感器节点之间的距离往往大于能量传输的距离，因此网络中能够中继的节点较为有限，这在很大程度上影响了网络的能量补充效率。在无线传感器与执行器网络中，在执行器上也放置谐振中继器，利用执行器的受控能力将其移动到合适的中继位置，作为能量中继节点给其它节点充电,如此便能增加网络中节点的充电机会。

(2)另一种常见的多跳能量补充方式是在网络中部署一定数量的谐振中继器以增加传感器节点获得多跳无线充电的机会，这种方式的弊端在于传感器节点往往是随机部署的，将线圈准确地部署到指定位置并不是一个容易的事情，并且网络拓扑变化之后，线圈又要重新布置，采用执行器协作的方式可以自适应网络拓扑的变化。

(3)离线充电模式中MC周期性地沿着预定路径行进，充电路径通常是根据优化目标预先设定好的，不能够很好的适应传感器节点的动态消耗，容易造成节点失效，链路断开等严重后果。本发明采用在线充电模式，当节点能量低于阈值时向MC发送充电请求，MC根据充电目标选择合适的候选充电节点，这种模式能够很好的适应节点的动态消耗。

总之，本发明能够自适应网络拓扑的变化，又能增加网络中节点的充电机会，给传感器与执行器网络的能量补充提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明中的找到最大覆盖节点的圆的过程；

图2为本发明的调整中继位置过程(当只有S1和S2时)；

图3为本发明的调整中继位置过程(当S1、S2和S3构成锐角三角形时)；

图4为本发明的调整中继位置过程(当S1、S2和S3构成钝角三角形时)；

图5为本发明的调整中继位置过程(当有S1、S2、S3和S4时)；

图6为本发明的执行器选址的具体过程。

具体实施方式

为了更详细的描述本发明和便于本领域人员的理解，下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的描述，本部分的实施例用于解释说明本发明，便于理解的目的，不以此来限制本发明。

实施例：如图1-6所示，一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案，具体的步骤如下：

Step1、得到需要充电的节点；

Step2、得到TSP序列：求出最短距离路径；

Step3、判断是否有中继条件并依次充电：依次判断每个节点是否具有中继条件，若无则直接通过移动充电装置给该节点充电，移动充电装置为MC，若有则判断执行器的最优中继位置，将执行器移动至该位置进行多跳充电；

Step4、服务池中为空时，此轮充电结束，重复以上步骤开始下一轮充电。

具体地，Step1、得到需要充电的节点：

定义lr为请求充电的阈值，遍历所有节点(传感器和执行器)，将能量阈值低于lr的节点加入充电队列；定义lc(lc<lr)为启动充电的阈值，当存在节点的能量阈值低于lc时，充电队列不再加入新的节点；

Step2、得到TSP序列：

将充电队列使用旅行家算法排序，得到以离MC最近节点为首的最短路径，将此序列加入服务池；

Step3、判断是否有中继条件并依次充电：

按服务池的顺序依次选择节点，判断该节点是否具有中继条件，若无，则直接给该节点充电；若有中继条件，则将最近且空闲的执行器移动到合适的位置，MC同时给执行器中继范围内的多个节点充电，将充电完毕的节点从服务池中移除；

详细地，为了提高多跳无线充电效率，应尽量减小中继节点P到传感器节点的距离，同时也要考虑执行器的移动范围，本文遵循以下原则来调整中继节点P的位置：

原则一、在保证每个传感器节点和P点的距离小于R的前提下，调整P点位置使总距离最小。

原则二、若调整后的P点位置距离执行器的距离变大，则不进行调整。

原则三、若存在多个圆覆盖最多节点数，选择距离执行器最近的圆作为充电集合。

原则四、若P点位置距离执行器的距离与小车移动距离之和大于小车单独给节点充电的距离，则重新旋转圆找到下一个充电集合。

根据以上原则制定以下选址规则：

规则一、当圆中仅充电覆盖了两个传感器节点S1、S2时，将P点调整与两个传感器节点的中点位置。如图2可以看出调整后的P点到S1和S2的距离都有所减小.

规则二、当圆中充电覆盖了三个传感器节点S1、S2、S3，且三点构成锐角三角形时,将P点调整至至三角形外接圆的圆心处。如图3，当圆中充电覆盖了三个传感器节点S1、S2、S3，且三点构成锐角三角形时，找到三角形外接圆的圆心，S1、S2、S3到外接圆圆心的距离相等且总距离较之前有所减小，因此将P点调整至三角形外心处是合适的。

规则三、当圆中充电覆盖了三个传感器节点S1、S2、S3，且三点构成钝角三角形时，将P点调整至钝角所对应边的中点。如图4，当圆中充电覆盖了三个传感器节点S1、S2、S3，且三点构成钝角三角形时，如果此时再选择外接圆圆心，P点会在三角形之外，与三个节点的距离还是很远，而如果将P调整至三角形的内心，那么P点和S2\S3的距离可能超过R，因此选择将P点调整至S2\S3的中心位置，因为半个弦长一定小于半径R，所以P点到三个节点的距离不会超过R，如图可以看出调整后的总距离是有所减小的，因此P点调整至钝角所对应边的中点位置是合适的。

规则四、当圆中充电覆盖了三个以上传感器节点S1、S2、S3、S4..时，不改变P点的位置。如图5所示，由于现实中传感器节点并不会布置得那么密集、传感器节点之间的距离通常是大于R的，所以如果一个半径为R圆里存在四个甚至以上的节点，那么这四个节点分布应该比较靠近圆周，此时调整P点位置情况比较复杂而且可能优化程度不高，所以这种情况不改变P点的位置。

执行器选址过程如下：

(1)判断服务池里首个节点S1是否有中继条件：定义P点为中继点，以S1为圆心，将半径为R的圆旋转一周，若旋转一周都没有覆盖其他节点，则S1无中继条件，MC直接给S1充电；

(2)若多个圆形区域有相同最大覆盖节点数，那么选择圆心距离执行器最近的圆；

(3)当除S1外仅覆盖一个节点S2，调整P点为S1、S2的中点位置；

(4)当除S1外覆盖两个以上节点时，不调整P点的位置；

(5)当除S1外覆盖两个节点时，如果S1,S2，S3构成锐角三角形，调整P点为三角形的外接圆位置；如果S1,S2，S3构成钝角三角形，调整P点为为钝角所对应边的中点位置；

(6)判断调整后的P点位置是否远离了执行器，若远离了执行器，则使用原来的P点；

(7)中继范围内的节点充电的行驶距离为D，若执行器与MC行驶距离之和大于D，则充电成本不降反增，重新寻找充电覆盖范围；若小于D,则将执行器移动至P点，作为中继器为中继范围R内的节点多跳充电。

详细地，本发明中的谐振中继器是部署于每个传感器节点、移动充电装置以及作为可移动中继节点的执行器上，当节点随机部署于网络中时，通过将执行器节点移动到合适的位置来提高网络的充电覆盖率。假设传感器节点的信息传输半径为r，执行器的中继范围为R。由于中继器节点时由铜线圈做成，限制了它的充电半径的大小，因此R<r，也就是说传感器节点与传感器节点之间往往不能直接进行多跳充电。中继器仅通过共振的方式将能量传递给传感器节点，在一定的程度上延长了充电距离。

由于执行器的中继范围为R，因此MC最多能够通过执行器给以执行器为圆心半径为R的范围内的的传感器节点充电。将最短路径中离MC最近的节点选为首节点，将此序列加入到充电服务池中。如图1首节点为节点S1，以S1为圆心，将半径为R的圆旋转一周，找到覆盖传感器节点最多的圆，令圆心P点为中继节点的位置，将距离p点最近且空闲的执行器节点移动到p点，即可通过执行器同时给圆内所有节点同时充电。

Step4、服务池中为空时，此轮充电结束，重复以上步骤开始下一轮充电。

上面结合附图对本发明的具体实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述方式。在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案，其特征在于：具体的步骤如下：

Step1、得到需要充电的节点；

Step2、得到TSP序列：求出最短距离路径；

Step3、判断是否有中继条件并依次充电：依次判断每个节点是否具有中继条件，若无则直接通过移动充电装置给该节点充电，移动充电装置为MC，若有则判断执行器的最优中继位置，将执行器移动至该位置进行多跳充电；

Step4、当服务池中为空时，此轮充电结束，重复以上步骤开始下一轮充电。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器与执行器网络中有效的能量补充在线方案，其特征在于：

Step1、得到需要充电的节点：

定义lr为请求充电的阈值，遍历所有节点(传感器和执行器)，将能量阈值低于lr的节点加入充电队列；定义lc(lc<lr)为启动充电的阈值，当存在节点的能量阈值低于lc时，充电队列不再加入新的节点；

Step2、得到TSP序列：

将充电队列使用旅行家算法排序，得到以离MC最近节点为首的最短路径，将此序列加入服务池；

Step3、判断是否有中继条件并依次充电：

按服务池的顺序依次选择节点，判断该节点是否具有中继条件，若无，则直接给该节点充电；若有中继条件，则将最近且空闲的执行器移动到合适的位置，MC同时给执行器中继范围内的多个节点充电，将充电完毕的节点从服务池中移除；

执行器选址过程如下：

(1)判断服务池里首个节点S1是否有中继条件：定义P点为中继点，以S1为圆心，将半径为R的圆旋转一周，若旋转一周都没有覆盖其他节点，则S1无中继条件，MC直接给S1充电；

(2)若多个圆形区域有相同最大覆盖节点数，那么选择圆心距离执行器最近的圆；

(3)当除S1外仅覆盖一个节点S2，调整P点为S1、S2的中点位置；

(4)当除S1外覆盖两个以上节点时，不调整P点的位置；

(5)当除S1外覆盖两个节点时，如果S1,S2，S3构成锐角三角形，调整P点为三角形的外接圆位置；如果S1,S2，S3构成钝角三角形，调整P点为为钝角所对应边的中点位置；

(6)判断调整后的P点位置是否远离了执行器，若远离了执行器，则使用原来的P点；

(7)中继范围内的节点充电的行驶距离为D，若执行器与MC行驶距离之和大于D，则充电成本不降反增，重新寻找充电覆盖范围；若小于D,则将执行器移动至P点，作为中继器为中继范围R内的节点多跳充电；

Step4、服务池中为空时，此轮充电结束，重复以上步骤开始下一轮充电。

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