CN113179457B - 无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法 - Google Patents

无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法 Download PDF

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CN113179457B CN202110256720.4A CN202110256720A CN113179457B CN 113179457 B CN113179457 B CN 113179457B CN 202110256720 A CN202110256720 A CN 202110256720A CN 113179457 B CN113179457 B CN 113179457B
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Abstract

本发明公开了无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法。现有的方法必须先将传感器充满电，才能为下一个节点充电。本发明方法首先构造无线可充电传感网络充电模型，删除充电路径中的无效节点，保证充电队列中能够顺利执行部分充电策略。当删除部分节点导致充电队列长度不足指定长度时，需要补齐队列长度，以保证整体充电效率不会下降。最后执行部分充电策略为移动充电车规划到达时间、停留时间、充电顺序。本发明提出的考虑时间空间因素的补齐队列策略可以保证本充电周期的充电效率不下降。本发明方法使用部分充电的方式来保证系统都较高的吞吐量和较小的死亡率。

Description

无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法。
背景技术
由于无线电力传输技术的突破，无线可充电传感器网络(Rechargeable WirelessSensor Networks，WRSN)在延长网络寿命方面具有很大的应用前景。WRSN可以在很长一段时间内运行而不会出现中断或故障，使其能够在不同的民用和军用应用中得到广泛的部署。在WRSN中，移动充电器(Mobile Charger，MC)负责为所有可充电传感器补充能量，传感器需要在电量耗尽之前被及时充电，否则无法继续运行。因此，MC的充电调度成为WRSN中一个突出问题。目前文献中的调度方法有两种:确定性方法和非确定性方法。在确定性方法中，MC对单个或多个节点是以周期性和确定性的方式进行充电。这类方法通常需要明确的系统信息，如确切的节点位置、能量消耗率等，然而这些信息在WRSN中通常波动很大。因此，确定性方法是不可行的，特别是对于大规模的WRSN。
而非确定性方法为按需充电，传感器在能量低于阈值时会向MC发送充电请求。在接收到请求后，MC会将其插入到充电请求列表中，并选择最佳的候选请求进行充电。如Liang He在论文《Evaluating the on-demand mobile charging in wireless sensornetworks》中提出了一种基于距离的调度算法，该算法优先对距离MC最近的传感器进行充电。该算法会导致远离主基地的传感器无法及时充电。Chi Lin在论文《P2S:A Primary andPasser-By Scheduling Algorithm for On-Demand Charging Architecture inWireless Rechargeable Sensor Networks》中提出一种局部搜索算法，将主节点附近的节点加入充电队列来利用剩余可用时间。非确定性方案虽然具有较强的可行性，但仍存在一些不容忽视的突出缺陷。1)许多方案只根据空间优先级对充电请求进行排序，而没有考虑时间的影响，从而导致一些剩余寿命短的节点因无法及时被充电而死亡。2)大多数的不确定性充电方案对当前周期无法及时充电的节点从充电队列中丢弃之后并未很好的对队列进行补充，导致当前周期的充电效率较低。针对这些问题，我们提出了一种路过时空部分充电方法(Passer-by Temporal-Spatial Partial Charging，PTSPC)。
发明内容
本发明的目的就是提供一种无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法。
本发明方法首先构造无线可充电传感网络充电模型，删除充电路径中的无效节点，保证充电队列中能够顺利执行部分充电策略。当删除部分节点导致充电队列长度不足指定长度时，需要补齐队列长度，以保证整体充电效率不会下降。最后执行部分充电策略为移动充电车规划到达时间、停留时间、充电顺序。
本发明方法具体步骤如下：
步骤(1)构造无线可充电传感网络WRSN充电模型；
步骤(2)删除充电路径中的无效节点，保证充电队列
Figure BDA0002967670450000021
能够顺利执行部分充电；
步骤(3)当删除无效节点导致充电队列长度不足指定长度时，补齐队列长度，以保证整体充电效率不会下降；
步骤(4)执行部分充电策略，并为移动充电器规划到达时间、停留时间、充电顺序。
步骤(1)包括：
(1-1)传感网络中存在一组传感器集合S＝{s1,s2...sN}，N个完全相同的传感器随机部署在二维平面区域中，一个能量有限的移动充电车MC,一个能够为MC更换电池的仓库s0，一个用于收集传感器信息的基站；传感网络中具有一个路由协议用于传感数据收集，该路由协议通过中继节点将传感数据从传感器传输到基站；传感器在执行传感数据、传输数据和接收数据时都会消耗能量；由于每个传感器的监测任务不同，能量消耗率也不同。
(1-2)为了维持WRSN的长期运行，MC根据调度策略对发出充电请求的传感器进行充电：当传感器si的剩余电量小于报警阈值θ时，即
Figure BDA0002967670450000022
si向基站发送一个充电请求
Figure BDA0002967670450000023
Figure BDA0002967670450000024
表示si在第k个充电周期的剩余能量；t表示发出请求的时间，si表示发出请求的传感器标识，eci表示si的能量消耗率，si在第k个充电周期的剩余寿命
Figure BDA0002967670450000025
Bs表示传感器电池容量，
Figure BDA0002967670450000026
表示当前周期剩余电量；REQi加入到全局等待队列Q中，Q中的请求按照剩余寿命从小到大排序；
整个充电任务会被划分为Ntask个充电周期完成，对于第k个充电周期，取Q中前ξ＝min{ξ,|Q|}个请求加入到任务队列
Figure BDA0002967670450000027
基站根据
Figure BDA0002967670450000028
中的顺序以每个传感器所在位置为停靠点，为MC构建一个充电路径；MC从仓库离开，沿着充电路径移动，同时为每个停靠点的传感器充满预分配的电量后离开；MC一次只能对一个传感器充电，并且完成一个充电周期之前不会响应其他充电请求；MC在耗尽能量之前返回仓库，然后更换电池并为下一个充电周期充电。
(1-3)在一个充电周期中，MC的总能量消耗包括机械运动消耗的能量、传感器获得的能量、充电过程中的能量损失；
第k个充电周期的充电计划表示成一个三元组集合Ck：
Figure BDA0002967670450000031
Figure BDA0002967670450000032
τi k表示在第k个充电周期中MC到达si的时间和为si充电的时间，i＝1,2,…,ξ；Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID，MC到达该传感器的时间，MC为该传感器充电的时间)。Ck的排列顺序与传感器的充电顺序一致，并且起始于仓库s0和终止于仓库s0；其中，
Figure BDA0002967670450000033
v为MC的恒定移动速度，d0,1为传感器s1与仓库s0之间的距离；
Figure BDA0002967670450000034
di-1,i为传感器si-1与传感器si之间的距离；
Figure BDA0002967670450000035
η为充电效率，qc为MC的充电功率为(J/s)；
MC在第k个充电周期总的活动时长
Figure BDA0002967670450000036
n表示第k个充电周期的充电节点数。
(1-4)MC对每个传感器执行部分充电，即MC传递给传感器si的能量范围是0到
Figure BDA0002967670450000037
而不是一次为其充满。
MC每次对传感器至少要充电量Δ的最佳取值
Figure BDA0002967670450000038
Ntask表示完成的充电任务数，Dk表示第k个充电周期中死亡的节点个数；定义Δ为基本充电单元，MC传递给传感器的能量范围是Δ到
Figure BDA0002967670450000039
的连续空间，将MC每次传递的能量值离散化为
Figure BDA00029676704500000310
Figure BDA00029676704500000311
是一个整数，p和q为正整数；最大能量需求Δmax取值为第1个充电周期中待充电传感器的最大能量需求，即
Figure BDA00029676704500000312
Q为全局等待队列。
步骤(2)中所述的无效节点INs(Invalid Nodes)通过以下方式确定：假设MC对充电队列
Figure BDA00029676704500000313
中所有节点均以最低充电边界进行充电，即MC至少需要为充电队列中每个节点充Δ电量；队列中存在传感器sj按照目前的充电顺序无法及时被充电，即
Figure BDA0002967670450000041
Figure BDA0002967670450000042
表示在第k个充电周期MC到达sj的时间，
Figure BDA0002967670450000043
表示sj在第k个充电周期的剩余寿命；如果将sj插入到该节点之前的序列{s1,s2...sj-1}中，仍然无法及时被充，则节点sj被认定为无效节点。
步骤(3)向充电队列
Figure BDA0002967670450000044
中插入有效插入节点EIN的具体方法是：
首先反向遍历Πk，对于边Ei,i+1计算其对应的Ωi,i+1中每个节点的插入优先级Pi，选取Ωi,i+1中优先级最高的节点，并尝试插入到
Figure BDA0002967670450000045
中si、si+1的中间；Πk＝{E1,2,E2,3,...En,0}表示MC在第k个充电周期的移动路径，Ei,i+1表示
Figure BDA0002967670450000046
中si与si+1的连线，Ωi,i+1表示Ci,i+1能够覆盖的节点集合，Ci,i+1表示以Ei,i+1为直径的圆；
MC在第k个充电周期路过si的插入优先级
Figure BDA0002967670450000047
di′表示MC将si作为插入节点充电时会额外行走的路程，δ和β是设定系数；
然后判断
Figure BDA0002967670450000048
中的所有节点是否能够以最低充电边界充电，并且判断MC的电量是否能够回到基站，若不满足则说明该点不适合插入，继续尝试Ωi,i+1中的次优节点，直到找到有效的节点或者Ωi,i+1遍历完毕；继续为Ei-1,i选取合适的节点插入；当插入的节点个数多于
Figure BDA0002967670450000049
或者Πk遍历完毕则停止。
步骤(4)执行部分充电策略，并为移动充电器规划到达时间、停留时间、充电顺序。
执行部分充电策略具体是：遍历充电队列
Figure BDA00029676704500000410
如果
Figure BDA00029676704500000411
中存在传感器si无法及时被充电，则找到si之前最佳削减节点
Figure BDA00029676704500000412
Figure BDA00029676704500000413
表示MC对传感器sj充电量削减的部分；
然后MC对sopt的充电量削减△，即
Figure BDA00029676704500000414
判断si是否能及时充电：如果可以，则停止削减
Figure BDA00029676704500000415
中节点的充电时间；否则继续寻找最佳削减节点直到si能够及时被充电；重复操作直至
Figure BDA00029676704500000416
中的所有节点能够及时充电。
通过削减
Figure BDA00029676704500000417
中节点的电量来达到
Figure BDA00029676704500000418
Tk和
Figure BDA00029676704500000419
为第k个充电周期MC回到仓库的时间和最晚结束时间；
Figure BDA0002967670450000051
ξ+1为该周期中寿命最小的节点标号；
Figure BDA0002967670450000052
中的所有节点都以最低充电边界充电时，如果仍无法满足
Figure BDA0002967670450000053
则放弃削减并以最低充电边界的充电量去给所有的传感器充电，最后为MC生成充电计划Ck。Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID，MC到达该传感器的时间，MC为该传感器充电的时间)。
本发明具有以下有益效果：
现有的大多数的不确定性充电方案对当前周期无法及时充电的节点丢弃之后并未很好的对充电队列进行补充，导致当前周期的充电效率较低。本发明提出的考虑时间空间因素的补齐队列策略可以保证本充电周期的充电效率不下降。
大多数充电方案都是考虑每次将传感器充满电，这种方式会导致传感器的死亡率较高。本发明方法使用部分充电的方式来保证系统都较高的吞吐量和较小的死亡率。
附图说明
图1为本发明的具体流程图；
图2为本发明采用的无线传感器网络示意图；
图3为本发明步骤2中的判断无效节点的示意图；
图4为本发明步骤3中插入EIN的示意图；
图5为本发明步骤4中执行部分充电策略的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法，流程如图1所示：
步骤(1)构造无线可充电传感网络WRSN充电模型；包括：
(1-1)如图2，传感网络中存在一组传感器集合S＝{s1,s2...sN}，N个完全相同的传感器随机部署在二维平面区域中，一个能量有限的移动充电车MC,一个能够为MC更换电池的仓库s0，一个用于收集传感器信息的基站；传感网络中具有一个路由协议用于传感数据收集，该路由协议通过中继节点将传感数据从传感器传输到基站；传感器在执行传感数据、传输数据和接收数据时都会消耗能量；由于每个传感器的监测任务不同，能量消耗率也不同。
(1-2)假设MC、传感器电池容量为BM、Bs，eci和
Figure BDA0002967670450000054
分别表示si的能量消耗率和第k轮的剩余能量，si的剩余寿命可表示为
Figure BDA0002967670450000061
当传感器si的剩余电量小于报警阈值θ时，即
Figure BDA0002967670450000062
它会向基站发送一个充电请求
Figure BDA0002967670450000063
其中t表示发出请求的时间，si表示发出请求的传感器标识，
Figure BDA00029676704500000614
表示当前周期剩余电量。REQi会被加入到全局等待队列Q中，Q中的请求会按照剩余寿命从小到大排序。假设在一段时间内，整个充电任务会被划分为Ntask个充电周期来完成。对于第k个充电周期，取Q中前ξ＝min{ξ,|Q|}个请求加入到任务队列
Figure BDA0002967670450000064
然后根据调度策略重新调整
Figure BDA0002967670450000065
接下来基站会根据
Figure BDA0002967670450000066
中的顺序以每个传感器所在位置为停靠点，为MC构建一个充电路径。随后MC从仓库离开，沿着充电路径移动，同时为每个停靠点的传感器充满预分配的电量再离开。注意MC一次只能对一个传感器充电，并且完成一个充电周期之前不会响应其他充电请求。MC会在耗尽能量之前返回仓库，然后更换电池并为下一个充电周期充电。
(1-3)在一个充电周期中，MC的总能量消耗包括机械运动消耗的能量、传感器获得的能量、充电过程中的能量损失；
第k个充电周期的充电计划表示成一个三元组集合Ck：
Figure BDA0002967670450000067
Figure BDA0002967670450000068
τi k表示在第k个充电周期中MC到达si的时间和为si充电的时间，i＝1,2,…,ξ；Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID，MC到达该传感器的时间，MC为该传感器充电的时间)。Ck的排列顺序与传感器的充电顺序一致，并且起始于仓库s0和终止于仓库s0；其中，
Figure BDA0002967670450000069
v为MC的恒定移动速度，d0,1为传感器s1与仓库s0之间的距离；
Figure BDA00029676704500000610
di-1,i为传感器si-1与传感器si之间的距离；
Figure BDA00029676704500000611
η为充电效率，qc为MC的充电功率为(J/s)；
MC在第k个充电周期总的活动时长
Figure BDA00029676704500000612
n表示第k个充电周期的充电节点数。
(1-4)MC对每个传感器执行部分充电，即MC传递给传感器si的能量范围是0到
Figure BDA00029676704500000613
而不是一次为其充满。
MC每次对传感器至少要充电量Δ的最佳取值
Figure BDA0002967670450000071
Ntask表示完成的充电任务数，Dk表示第k个充电周期中死亡的节点个数；定义Δ为基本充电单元，MC传递给传感器的能量范围是Δ到
Figure BDA0002967670450000072
的连续空间，将MC每次传递的能量值离散化为
Figure BDA0002967670450000073
Figure BDA0002967670450000074
是一个整数，p和q为正整数，如p＝10；最大能量需求Δmax取值为第1个充电周期中待充电传感器的最大能量需求，即
Figure BDA0002967670450000075
Q为全局等待队列。
步骤(2)在对充电队列
Figure BDA0002967670450000076
中的节点进行充电之前，需要先删除充电路径中的无效节点，以保证
Figure BDA0002967670450000077
能够顺利执行部分充电。
为了保证
Figure BDA0002967670450000078
能够顺利执行部分充电策略，需要将那些无效节点INs从
Figure BDA0002967670450000079
中移除。删除无效节点的具体策略是尝试为每个传感器充Δ的能量。如果传感器sj在MC未到达时死亡则尝试将其逆序插入到序列{s1,s2...sj-1}中。如果序列{s1,s2...sj,sj-1}中的所有节点都能及时被充电则将si插入对应的位置以拯救该节点，否则将sj从
Figure BDA00029676704500000710
移除并插入到Q的末尾等待将来被调度。如图3所示，
Figure BDA00029676704500000711
{s1,s2,s3}的预计充电量均为Δ，判断到s4无法及时充电。则尝试将s4插入到s2、s3中间位置，若失败则继续尝试插入s1、s2中间位置，若成功则停止向前遍历。为方便描述后续步骤，假设在该步骤中删除了无效节点s4。
步骤(3)删除无效节点会导致充电队列长度不足指定长度时，需要使用考虑时空因素的补齐队列策略以保证整体充电效率不会下降。
如果
Figure BDA00029676704500000712
中删除了部分无效节点INs，那么本周期的MC的充电任务数就会变少。如果充电任务数减少，那么网络整体充电性能就会下降。所以需要将充电队列长度补充至最佳队列长度ξ(根据实验来确定)来避免性能下降。这里考虑向
Figure BDA00029676704500000713
中插入有效插入节点EIN以增加服务节点个数，从而提升充电效率。
EIN插入优先级：在选取EIN过程中会优先考虑将高优先级的节点插入到充电路径中。影响节点优先级的三个因素：a)剩余寿命，寿命越小紧急程度越高应当优先考虑。b)与其对应边的垂直距离，距离越近移动能耗越少应当优先考虑。c)考虑到系统的稳定性，时间优先级所占权重比空间优先级更高。
MC在第k个充电周期路过si的优先级
Figure BDA0002967670450000081
di′表示MC将si作为插入节点充电时会额外行走的路程，δ和β是设定系数。
有效插入节点EIN(Effective Insertable Node)为满足以下两个条件的节点：条件①，以MC行走路径中的每条边为直径画圆，该节点的位置位于圆周内；条件②，如将该节点插入到充电队列中，插入位置之后的所有节点能够被及时充电，同时保证MC的电量能够回到基站。
MC的移动路径表示为Πk＝{E1,2,E2,3,...En,0}，Ei,i+1表示
Figure BDA0002967670450000082
中si与si+1的连线；Ci,i+1能够覆盖的节点集合Ωi,i+1中的所有节点都存在一个插入优先级，Ci,i+1表示以Ei,i+1为直径的圆。
如图4中，E6,7表示s6、s7的连线，MC的移动路径Πk＝{E1,2,E2,3,E3,5,E5,6,E6,7,E7,0}，注：这里假设在步骤2中删除了无效节点s4。以Ei,i+1为直径的圆用Ci,i+1表示，Ci,i+1能够覆盖的节点集合为Ωi,i+1，Ωi,i+1中的所有节点都存在一个插入优先级。
如图4所示，以s6、s7为直径画圆，该圆能够覆盖s11、s12，即Ω6,7＝{s11、s12}，则s11、s12是潜在的EIN。
插入EIN的流程如下：反向遍历Πk，对于边Ei,i+1计算其对应的Ωi,i+1中每个节点的插入优先级，选取Ωi,i+1中优先级最高的节点，并尝试插入到
Figure BDA0002967670450000083
中si、si+1的中间。如图4，反向遍历Πk＝{E1,2,E2,3,E3,5,E5,6,E6,7,E7,0}，E7,0对应的Ω7,0为空，然后继续判断E6,7对应的Ω6,7计算Ω6,7＝{s11、s12}中s6、s7的插入优先级。假设s11的优先级更高，那么就先尝试将s11插入任务序列
Figure BDA0002967670450000084
中，则
Figure BDA0002967670450000085
接下来判断
Figure BDA0002967670450000086
中的所有节点是否能够以最低充电边界充电并且判断MC的电量是否能够回到基站，若不满足则说明该点不适合插入，继续尝试Ωi,i+1中的次优节点，如图4中的s12，直到找到有效的节点或者Ωi,i+1遍历完毕。然后继续为Ei-1,i选取合适的节点插入。当插入的节点个数多于
Figure BDA0002967670450000087
或者Πk遍历完毕时算法停止。
步骤(4)执行部分充电策略，并为移动充电器规划到达时间、停留时间、充电顺序。
为方便描述，先给出一些关键词的定义。
最佳削减节点:如果任务队列
Figure BDA0002967670450000091
中存在传感器si无法及时被充电，则需要从si之前的序列
Figure BDA0002967670450000092
中找到一个节点削减△充电量。为了综合考虑当前节点的剩余电量和能量消耗率。将选取
Figure BDA0002967670450000093
中削减△充电量之后剩余寿命最长的那个节点定义为最佳削减节点sopt。这样对整体网络而言影响相对更小。最佳削减节点表达式如下：
Figure BDA0002967670450000094
其中，
Figure BDA0002967670450000095
表示MC对传感器sj充电量削减的部分。
最晚结束时间(Latest Finishing Time，LFT)：是指MC回到仓库时不能超过的时间点。在对当前充电队列
Figure BDA0002967670450000096
中节点规划充电任务时，除了要考虑
Figure BDA0002967670450000097
中所有节点能够存活和MC有剩余能量返回仓库两个条件，还需要保证MC能够及时到达下一个充电周期(k+1)的第一个节点。这里假设第(k+1)周期中调度的第一个节点为该周期中寿命最小的节点(虽然它不一定是第(k+1)周期调度过程中第一个)，用sξ+1表示。
则最晚结束时间
Figure BDA0002967670450000098
执行部分充电策略的具体流程如下：遍历充电队列
Figure BDA0002967670450000099
如果
Figure BDA00029676704500000910
中存在传感器si无法及时被充电，则需要找到si之前最佳削减节点sopt。然后将MC对sopt的充电量削减△，即
Figure BDA00029676704500000911
然后将MC对sopt的充电量削减△，即
Figure BDA00029676704500000912
判断si是否能及时充电：如果可以，则停止削减
Figure BDA00029676704500000913
中节点的充电时间，否则继续寻找最佳削减节点直到si能够及时被充电。因为步骤2已经删除了无效节点，所以通过不断削减
Figure BDA00029676704500000914
中节点的电量一定能够让si及时被充电。重复上述步骤直至
Figure BDA00029676704500000915
中的所有节点能够及时充电。图5展示了
Figure BDA00029676704500000916
中s5无法及时充电时的一个处理过程。当s5无法及时充电时则找到最佳削减节点s2，将s2的充电量减去一个Δ＝Bs/5(削减的电量用虚线方框表示)，如果s5仍然无法及时充电，则继续寻找到最佳削减节点s3将其充电量减去Δ，随后s5能够及时充电，此时停止削减电量。
当确定
Figure BDA00029676704500000917
中的节点都能及时充电之后还需要确保MC回到仓库的时间小于最晚结束时间，即
Figure BDA00029676704500000918
具体的做法和上述过程类似，仍然是通过不断削减
Figure BDA00029676704500000919
中节点的电量来达到
Figure BDA0002967670450000101
当
Figure BDA0002967670450000102
中的所有节点都以最低充电边界充电时，如果仍无法满足
Figure BDA0002967670450000103
则放弃削减并以最低充电边界的充电量去给所有的传感器充电。最后为MC生成充电计划Ck。Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID，MC到达该传感器的时间，MC为该传感器充电的时间)。Ck的示例如下：
Figure BDA0002967670450000104

Claims (1)

1.无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法，其特征在于，该方法包括：
步骤(1)构造无线可充电传感网络WRSN充电模型；包括：
(1-1)传感网络中存在一组传感器集合S＝{s1,s2...sN}，N个完全相同的传感器随机部署在二维平面区域中，一个能量有限的移动充电车MC,一个能够为MC更换电池的仓库s0，一个用于收集传感器信息的基站；传感网络中具有一个路由协议用于传感数据收集，该路由协议通过中继节点将传感数据从传感器传输到基站；传感器在执行传感数据、传输数据和接收数据时都会消耗能量；
(1-2)MC根据调度策略对发出充电请求的传感器进行充电：当传感器si的剩余电量小于报警阈值θ时，即
Figure FDA0003587727350000011
si向基站发送一个充电请求
Figure FDA0003587727350000012
Figure FDA0003587727350000013
表示si在第k个充电周期的剩余能量；t表示发出请求的时间，si表示发出请求的传感器标识，eci表示si的能量消耗率，si在第k个充电周期的剩余寿命
Figure FDA0003587727350000014
Bs表示传感器电池容量，
Figure FDA0003587727350000015
表示当前周期剩余电量；REQi加入到全局等待队列Q中，Q中的请求按照剩余寿命从小到大排序；
整个充电任务会被划分为Ntask个充电周期完成，对于第k个充电周期，取Q中前ξ＝min{ξ,|Q|}个请求加入到任务队列
Figure FDA0003587727350000016
基站根据
Figure FDA0003587727350000017
中的顺序以每个传感器所在位置为停靠点，为MC构建一个充电路径；MC从仓库离开，沿着充电路径移动，同时为每个停靠点的传感器充满预分配的电量后离开；MC一次只能对一个传感器充电，并且完成一个充电周期之前不会响应其他充电请求；MC在耗尽能量之前返回仓库，然后更换电池并为下一个充电周期充电；
(1-3)在一个充电周期中，MC的总能量消耗包括机械运动消耗的能量、传感器获得的能量、充电过程中的能量损失；第k个充电周期的充电计划表示成一个三元组集合Ck：
Figure FDA0003587727350000018
Figure FDA0003587727350000019
表示在第k个充电周期中MC到达si的时间和为si充电的时间，i＝1,2,…,ξ；Ck的排列顺序与传感器的充电顺序一致，并且起始于仓库s0和终止于仓库s0；其中，
Figure FDA00035877273500000110
v为MC的恒定移动速度，d0,1为传感器s1与仓库s0之间的距离；
Figure FDA0003587727350000021
2≤i≤n，di-1,i为传感器si-1与传感器si之间的距离；
Figure FDA0003587727350000022
1≤i≤n，η为充电效率，qc为MC的充电功率为；
MC在第k个充电周期总的活动时长
Figure FDA0003587727350000023
n表示第k个充电周期的充电节点数；
(1-4)MC对每个传感器执行部分充电，即MC传递给传感器si的能量范围是0到
Figure FDA0003587727350000024
MC每次对传感器至少要充电量Δ的最佳取值
Figure FDA0003587727350000025
Ntask表示完成的充电任务数，Dk表示第k个充电周期中死亡的节点个数；
Figure FDA0003587727350000026
p和q为正整数；最大能量需求
Figure FDA0003587727350000027
Q为全局等待队列；
步骤(2)删除充电路径中的无效节点INs，保证充电队列
Figure FDA0003587727350000028
能够顺利执行部分充电；无效节点INs通过以下方式确定：
假设MC对充电队列
Figure FDA0003587727350000029
中所有节点均以最低充电边界进行充电，即MC至少需要为充电队列中每个节点充Δ电量；队列中存在传感器sj按照目前的充电顺序无法及时被充电，即
Figure FDA00035877273500000210
Figure FDA00035877273500000211
表示在第k个充电周期MC到达sj的时间，
Figure FDA00035877273500000212
表示sj在第k个充电周期的剩余寿命；如果将sj插入到该节点之前的序列{s1,s2...sj-1}中，仍然无法及时被充，则节点sj被认定为无效节点；
步骤(3)当删除无效节点导致充电队列长度不足指定长度时，向充电队列
Figure FDA00035877273500000213
中插入有效插入节点EIN，补齐充电队列长度；具体方法是：
首先反向遍历Πk，对于边Ei,i+1计算其对应的Ωi,i+1中每个节点的插入优先级Pi，选取Ωi,i+1中优先级最高的节点，并尝试插入到
Figure FDA00035877273500000214
中si、si+1的中间；Πk＝{E1,2,E2,3,...En,0}表示MC在第k个充电周期的移动路径，Ei,i+1表示
Figure FDA00035877273500000215
中si与si+1的连线，Ωi,i+1表示Ci,i+1能够覆盖的节点集合，Ci,i+1表示以Ei,i+1为直径的圆；
MC在第k个充电周期路过si的插入优先级
Figure FDA0003587727350000031
di′表示MC将si作为插入节点充电时会额外行走的路程，δ和β是设定系数；
然后判断
Figure FDA0003587727350000032
中的所有节点是否能够以最低充电边界充电，并且判断MC的电量是否能够回到基站，若不满足则说明该点不适合插入，继续尝试Ωi,i+1中的次优节点，直到找到有效的节点或者Ωi,i+1遍历完毕；继续为Ei-1,i选取合适的节点插入；当插入的节点个数多于
Figure FDA0003587727350000033
或者Πk遍历完毕则停止；
步骤(4)执行部分充电策略，并为移动充电器规划到达时间、停留时间、充电顺序；
执行部分充电策略具体是：
遍历充电队列
Figure FDA0003587727350000034
如果
Figure FDA0003587727350000035
中存在传感器si无法及时被充电，则找到si之前最佳削减节点
Figure FDA0003587727350000036
Figure FDA0003587727350000037
表示MC对传感器sj充电量削减的部分；然后MC对sopt的充电量削减△；
判断si是否能及时充电：如果可以，则停止削减
Figure FDA0003587727350000038
中节点的充电时间；否则继续寻找最佳削减节点直到si能够及时被充电；重复操作直至
Figure FDA0003587727350000039
中的所有节点能够及时充电；
通过削减
Figure FDA00035877273500000310
中节点的电量来达到
Figure FDA00035877273500000311
Tk和
Figure FDA00035877273500000312
为第k个充电周期MC回到仓库的时间和最晚结束时间；
Figure FDA00035877273500000313
ξ+1为该周期中寿命最小的节点标号；
Figure FDA00035877273500000315
中的所有节点都以最低充电边界充电时，如果仍无法满足
Figure FDA00035877273500000314
则放弃削减并以最低充电边界的充电量去给所有的传感器充电，最后为MC生成充电计划Ck。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2020100816A4 (en) * 2019-10-23 2020-07-02 Jilin University Online rechargeable sensor network charging scheduling system
CN112235744A (zh) * 2020-10-15 2021-01-15 广西师范大学 Wrsn中联合在线和离线调度的能量补给方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108448731B (zh) * 2018-03-07 2021-11-16 南京邮电大学 一种协作式无线传感网能量补充方法及其无线传感网
CN110300418B (zh) * 2019-06-05 2022-04-01 云南电网有限责任公司丽江供电局 一种无线可充电传感器网络中按需充电的时空调度算法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2020100816A4 (en) * 2019-10-23 2020-07-02 Jilin University Online rechargeable sensor network charging scheduling system
CN112235744A (zh) * 2020-10-15 2021-01-15 广西师范大学 Wrsn中联合在线和离线调度的能量补给方法

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