CN108448731A - 一种协作式无线传感网能量补充方法及其无线传感网 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种协作式无线传感网能量补充方法，使用了一种层次式结构实现多个移动充电器之间的协作，旨在为大规模无线可充电传感网补充能量。本发明使用了多个移动充电车，并将移动充电车划分为两类，一类为普通的移动充电器，负责为传感器充电，另一类为超级充电器，负责为普通移动充电车充电。本方法通过多个充电器的协同工作，增大了充电容量，也能充分缩短网络整体的充电时间，保证了网络能够长久运行。

Description

一种协作式无线传感网能量补充方法及其无线传感网

技术领域

本发明属于无线传感网技术领域，尤其涉及一种协作式无线传感网能量补充方法。

背景技术

无线传感网络中，传感器节点收集信息和传递数据都需要消耗能量，而节点本身携带的能量有限，虽然可以利用一些节能方式降低传感网络能量的消耗，但是随着时间的推移，节点会因为能量的消耗殆尽而停止工作，影响无线传感网络的正常工作。节点的能量问题成为了部署传感器网络的一个重大的阻碍因素，为了解决这个问题，研究人员尝试从环境当中让节点去收集能量。然而从环境中获取的能量是很难预测的，而且很不稳定。例如，获取的太阳能通常会受到很多因素的影响，包括时间、天气、季节等。这对于传感器的正常运行来说是低效的，所以设计一种高效的稳定的充电方式，保持传感器的运行是一个比较重要的任务。基于强耦合磁共振技术的无线能量传输是一种很有前景的技术，它是将能量从一个存储设备传输到另一个设备，而无需插头或电线，从根本上解决无线传感器网络能源和寿命问题。与其他无线能量传输技术相比，强耦合磁共振技术具有明显的优势，这种方式不仅能量传输效率高，而且基本不会受到环境的影响。由于传感器节点在地理上分布比较广泛，需要使用能够移动的设备移动到节点的附近进行能量的补充，所以使用移动充电设备给节点补充能量的方案应运而生。

在大规模的无线传感器网络中，单个移动充电器难以满足整个网络的充电需求。问题在于，当有大量需要充电的节点存在时，单个移动充电器携带的电量容量难以满足所有待充电节点的需求。随着待充电节点数量的增多，移动充电器的总旅行距离也随之增大，充电器携带的供移动的驱动电能有限，使之不一定能满足所有节点的能量补充需求。为了使移动充电器能一轮接一轮的实施充电，在一轮充电结束之后，移动充电器需要回到充电补给站。大规模网络中传感器节点数量多、分布范围广，相距距离远等因素也增大了问题解决的难度。同时，待充电节点的剩余电量不尽相同，能量消耗的功率不同，数据收集的负载不同，导致节点需要充电的紧急程度也有所不同。因此，在大规模的无线传感网中，通常使用多个移动充电器为传感器进行充电。而最近新发明的一种超级充电器，可以为这些移动充电器充电，使得无线传感网中的有限能量得到了更好的利用。这就需要对移动充电器和超级充电器进行合理和高效的调度，提高移动充电器的充电效率，最大限度延长网络整体的生存时间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种协作式无线传感网能量补充方法，应用多个移动充电器对传感器节点进行无线充电，并通过超级充电器保证移动充电器的能量供应，以确保传感器节点都能在其能量耗尽之前得到充电。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种协作式无线传感网能量补充方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1：无线传感网中分布的N个传感器定时向基站发送信息，汇报自身剩余的能量，若节点能量低于阈值基站则将该节点标号加入待充电集合V_C中，为传感器的初始电量；

步骤2：使用基于距离的聚类算法k-means将V_C划分为M块，其中V_i为第i块，i＝1,2,…,M，且V_C＝V₁∪V₂∪…∪V_M，V_i∩V_j＝φ,i,j＝1,2,…,M，每一块对应一个移动充电器(Mobile Charger，MC)；

步骤3：移动充电器MC_m(m＝1,2,...,M)对于块内V_m的节点，分别计算它们的最短预期寿命 其中，是分块V_m中节点i在时隙t的最短预期寿命，分块V_m中节点i在时隙t的剩余电量， 为分块V_m中节点i在时隙t的能量消耗估计值，ε∈(0,1)。

步骤4：使用绕树两周算法求出V_m中所有节点的TSP优化路径R_m，m＝1,2,…,M，移动充电器按此路径为V_m中节点充电，计算为每个节点补充的电量，使得充电后路径中各节点的最短预期寿命相同，需满足以下条件： 是分块V_m中节点i在时隙t所要补充的电量；从基站派出M个移动充电器为待充集合V_C补充能量，M个充电器同时从基站出发，分别沿着各个已规划的路径进行充电。MC_m(m＝1,2,...,M)为第m组内的节点充电完后，停留在V_m中所充的最后一个节点处等待对应的超级充电器(Super Charger,SC)为它充电；

步骤5：将M个移动充电器分为S组，每一组都分配一个可移动的SC。

计算其中为第k个SC在t时刻的剩余电量，令|C_k|＝M*ε_k，C_k即为分配给第k个SC的MC的集合。SC_i负责为第i组中的所有MC充电，其中i＝1,2,…,S；

步骤6：SC_i与对应MC通信，得到MC以及MC所对应块中节点的剩余电量的信息，SC_i优先为组内电量较低的MC充电，

其中i＝1,2,…,S。SC_K对组内MC_m的充电量为

其中E_i节点i的剩余电量，为充电车m的剩余电量。各SC完成充电后返回基站补充能量，各MC继续下一轮充电。

一种无线传感器网络，其中包括基站、传感器节点、移动充电器、超级充电器以及调度路线，其中：

基站：基站为一个处于网络中心的固定的点，能通过多跳路由传输的方法收集整个网络传感器的数据，包括收集到的数据以及其自身电量信息；同时可以为移动充电器补充能量，做出调度路线规划；

传感器节点：传感器节点为随机部署在这个二维空间位置上的一些节点，作用是可以对周围环境进行监测，节点间可以通过路由传输数据，这也导致了不同的节点会有不同的能量消耗率；此处所有的传感器节点电池总能量是相同的；

移动充电器：为可移动的、携带大容量充电电池、并且能与传感器节点进行能量转换的设备；所有的移动充电器所能携带的能量总量相同，可以通过超级充电器进行补充，同时用于为传感器充电以及机械移动所需的能量，移动充电器沿着基站制定好的调度路线工作；

超级充电器：为可移动的、携带大容量充电电池，负责为移动充电器补充能量的设备；所有的超级充电器的电池容量相容，并且可以在基站补充电量，超级充电器的电量用于为移动充电器充电以及自身的移动；

调度路线：由基站根据某一时刻待充电传感器节点的位置进行规划，不同的移动充电器有不同的路线，且所有路线最终都会返回起点，保证形成回路。

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：本发明提出了一种协作式无线传感网能量补充方法，使用了一种层次式结构实现多个移动充电器之间的协作，提供了一种更加有效的能量管理方案，。本发明与传统一个充电器相比，使用了多个移动充电器，并将充电器划分为两类，低层的移动充电器负责为节点充电，高层的超级充电器负责为低层的移动充电器充电。通过多个充电器的协同工作，增大了充电容量，也能充分缩短网络整体的充电时间，保证了网络能够长久运行。

附图说明

图1本发明提出的层次式协作充电模型；

图2是根据本发明的方法重新规划给各充电器的调度线路图示例；

图3是本发明的算法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。具体实施方式描述如下：下面所述节点即指传感器节点。

基于本发明的体系结构为一个部署在二维空间的无线传感器网络，其中包括基站、传感器节点、移动充电器、超级充电器以及调度路线。以下对各部分进行具体说明。

(1)基站：基站为一个处于网络中心的固定的点，能通过多跳路由传输的方法收集整个网络传感器的数据，包括收集到的数据以及其自身电量信息。同时可以为移动充电器补充能量，做出调度路线规划。

(2)传感器节点：传感器节点为随机部署在这个二维空间位置上的一些节点，作用是可以对周围环境进行监测，节点间可以通过路由传输数据，这也导致了不同的节点会有不同的能量消耗率。此处所有的传感器节点电池总能量是相同的。

(3)移动充电器：为可移动的、携带大容量充电电池、并且能与传感器节点进行能量转换的设备。所有的移动充电器所能携带的能量总量相同，可以通过超级充电器进行补充，同时用于为传感器充电以及机械移动所需的能量，移动充电器沿着基站制定好的调度路线工作。

(4)超级充电器:为可移动的、携带大容量充电电池，负责为移动充电器补充能量的设备。所有的超级充电器的电池容量相容，并且可以在基站补充电量，超级充电器的电量用于为移动充电器充电以及自身的移动。

(5)调度路线：由基站根据某一时刻待充电传感器节点的位置进行规划，不同的移动充电器有不同的路线，且所有路线最终都会返回起点，保证形成回路。

本发明提出了一种协作式无线传感网能量补充方法。本发明与传统一个充电器相比，使用了多个移动充电器，并将充电器划分为两类，低层的移动充电器负责为节点供电，高层的超级充电器负责为低层的移动充电器供电。通过多个充电器的协同工作，增大了充电容量，也能充分缩短网络整体的充电时间，保证了网络能够长久运行。

以图1的协作式充电模型为例，多个移动充电器(MC)负责为无线传感网中的传感器充电，而所有的移动充电器又被分为若干组，由超级充电器为它们充电，超级充电器并不负责为传感器充电。

假设每个传感器节点需要被补充的电量为5J，移动充电器在路径上移动需要的能耗1J/m。而每个移动充电器所能携带的最大能量为80J，超级充电器能够携带的最大能量为200J，移动单位距离的能耗为1J。按本发明的方法构造出图2所示的调度路线。

由图可知，最少需使用3个移动充电器同时工作，携带的能量则为使用一个移动充电器的3倍，而同时工作使得总体时间有所缩短，并且保证了此轮次内所有传感器节点均能补充上能量。为了便于描述，我们以图2中场景为实例，

如图3所示，当一个可充电的无线传感器网络投入运行后，以如下步骤执行：

步骤1：无线传感网中分布的传感器定时向基站发送信息，汇报自身剩余的能量，如果节点能量低于10％，则将该节点加入待充电集合。

步骤2：使用聚类算法将待充电集合中的节点划分为3块，每一块中包含节点的数量大致相同。

步骤3：对于无线传感网中的3块节点，分别计算块内节点的最短预期寿命，并将结果存入3个队列中。

步骤4：对步骤3得到的队列构造路径，得到3条回路，并且使得每条回路的距离为最短。同时计算每一个节点需要补充的能量。从基站派出3个移动充电器(MC)为待充电节点充电，3个移动充电器消耗的能量分别为60J、78J、70J。移动充电器在充电完成后停留在原地等待超级充电器为它补充能量。

步骤5：由于一个超级充电器即可为步骤6中的3个移动充电器补充能量，因此只使用了一个超级充电器，为组内的3个移动充电器补充能量。

步骤6：超级充电器优先为剩余能量较少的移动充电器补充能量，3个移动充电器补充的能量分别为56J，73J，67J，超级充电器为移动充电器补充完能量后返回基站维护，而移动充电器继续进行下一轮充电。

Claims (2)

1.一种协作式无线传感网能量补充方法，其特征在于：具体包含如下步骤：

步骤1：无线传感网中分布的N个传感器定时向基站发送信息，汇报自身剩余的能量，若节点能量低于阈值基站则将该节点标号加入待充电集合V_C中，为传感器的初始电量；

步骤2：使用基于距离的聚类算法k-means将V_C划分为M块，其中V_i为第i块，i＝1,2,…,M，且V_C＝V₁∪V₂∪…∪V_M，V_i∩V_j＝φ,i,j＝1,2,…,M，每一块对应一个移动充电器Mobile Charger，MC；

步骤3：移动充电器MC_m(m＝1,2,...,M)对于块内V_m的节点，分别计算它们的最短预期寿命其中，是分块V_m中节点i在时隙t的最短预期寿命，分块V_m中节点i在时隙t的剩余电量，

为分块V_m中节点i在时隙t的能量消耗估计值，ε∈(0,1)；

步骤4：使用绕树两周算法求出V_m中所有节点的TSP优化路径R_m，m＝1,2,…,M，移动充电器按此路径为V_m中节点充电，计算为每个节点补充的电量，使得充电后路径中各节点的最短预期寿命相同，需满足以下条件：

是分块V_m中节点i在时隙t所要补充的电量；从基站派出M个移动充电器为待充集合V_C补充能量，M个充电器同时从基站出发，分别沿着各个已规划的路径进行充电；MC_m(m＝1,2,...,M)为第m组内的节点充电完后，停留在V_m中所充的最后一个节点处等待对应的超级充电器Super Charger,SC为它充电；

步骤5：将M个移动充电器分为S组，每一组都分配一个可移动的SC；计算其中为第k个SC在t时刻的剩余电量，令|C_k|＝M*ε_k，C_k即为分配给第k个SC的MC的集合；SC_i负责为第i组中的所有MC充电，其中i＝1,2,…,S；

步骤6：SC_i与对应MC通信，得到MC以及MC所对应块中节点的剩余电量的信息，SC_i优先为组内电量较低的MC充电，其中i＝1,2,…,S；SC_K对组内MC_m的充电量为其中E_i节点i的剩余电量，E_MCm为充电车m的剩余电量；各SC完成充电后返回基站补充能量，各MC继续下一轮充电。

2.一种无线传感器网络，其中包括基站、传感器节点、移动充电器、超级充电器以及调度路线，其中：

基站：基站为一个处于网络中心的固定的点，能通过多跳路由传输的方法收集整个网络传感器的数据，包括收集到的数据以及其自身电量信息；同时可以为移动充电器补充能量，做出调度路线规划；

传感器节点：传感器节点为随机部署在这个二维空间位置上的一些节点，作用是可以对周围环境进行监测，节点间可以通过路由传输数据，这也导致了不同的节点会有不同的能量消耗率；此处所有的传感器节点电池总能量是相同的；

移动充电器：为可移动的、携带大容量充电电池、并且能与传感器节点进行能量转换的设备；所有的移动充电器所能携带的能量总量相同，可以通过超级充电器进行补充，同时用于为传感器充电以及机械移动所需的能量，移动充电器沿着基站制定好的调度路线工作；

超级充电器：为可移动的、携带大容量充电电池，负责为移动充电器补充能量的设备；所有的超级充电器的电池容量相容，并且可以在基站补充电量，超级充电器的电量用于为移动充电器充电以及自身的移动；

调度路线：由基站根据某一时刻待充电传感器节点的位置进行规划，不同的移动充电器有不同的路线，且所有路线最终都会返回起点，保证形成回路。