分享一种WRSNs中结合数据路由的充电方法与流程

将乐信息网 http://www.jianglexinxi.cn 2020-09-17 00:01 出处:网络
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本发明涉及无线可充电传感器网络供能领域,具体说来是一种WRSNs中结合数据路由的充电方法。



背景技术:

无线传感器网络(WSNs)的研究源于上个世纪70年代,被认为是21世纪最重要的技术之一。近年来随着无线通信技术、微芯片制造等技术的发展,WSNs受到世界范围内的关注,并广泛应用于城市设施监测、智能电网监测、智能交通、灾难救助及人体健康监测等方面。这些应用对传感器网络提出一个共同的要求,即传感器网络能够持续有效地工作。特别是在偏远地区或自然环境恶劣地区,传感器网络通常很久才会得到维护和更新,甚至自动部署没有人工参与。为了能够完成监测任务,网络还需要保持连通性、覆盖性等要求,这对传感器节点的能量维持提出了巨大的挑战。由于传感器节点通常体积较小,能够携带的电池电量较少,因此,能量问题已成为传感器网络研究的一大瓶颈,是任何无线传感器网络应用都必须面临的挑战。

无线可充电传感器网络(WRSNs)近年来已成为延长网络寿命的一种有效方法,而如何制定一种有效的充电算法成为WRSNs的研究重点。关于WRSNs充电算法的研究已有很多:Dai Haipeng等人在文章“Using minimum mobile chargers to keep large-scale wireless rechargeable sensor networks running forever”中利用多个单对单充电的无线充电器为网络提供能量,并首次提出最少化无线充电器个数的问题,即给定无线可充电传感器网络和单个无线充电器参数,确定最少所需的充电器个数及其充电方案,从而保证所有传感器节点永久运行。He Shibo等人在文章“Energy provisioning in wireless rechargeable sensor networks”中以工业无线感知识别平台与射频读写器为基础,研究了如何部署多个充电器实现网络的全覆盖问题,提出了点供应与路径供应两种算法,得出按等边三角形部署充电节点时覆盖整个网络所需的充电节点个数最少。Han Guangjie等人在文章“Impacts of traveling paths on energy provisioning for industrial wireless rechargeable sensor networks”中同样以无线感知识别平台为基础,比较了将四种移动信标覆盖曲线SCAN、HILBERT、Z-CURVE和S-CURVES作为充电器移动路径时充电性能的差异,并对S-CURVES以直线代替曲线简化后得到S-CURVES(ad),仿真实验证明了S-CURVES(ad)在各项评价指标中均优于其他曲线。

综上可见,现有的充电算法虽然很好地解决了大多数WRSNs的供能问题,但大多计算复杂度高,不适用于大规模的WRSNs。而且大多数研究未考虑节点的数据路由方式对充电算法设计的影响。一种适用于大规模WRSNs的结合数据路由的充电方法的提出迫在眉睫。



技术实现要素:

发明目的:为了解决WRSNs中节点能量供应问题,本发明综合利用了无线充电器特性与路由方法的相互作用,最大程度上实现了网络的能量均衡。

技术方案:一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,包括以下步骤:

(1)利用等边三角形的强覆盖性,将网络划分为多个等边三角形单元,并设置无线充电器的驻留点位置在各等边三角形单元的顶点处;

(2)根据无线充电器的充电特性设计网络中数据路由方法,使得能量接收功率高的节点承担较多的通信任务;

(3)根据数据路由方法带来的网络节点能耗差异设计充电算法,使得能耗速度快的节点获得更多的充电时间。

所述的步骤(1)中的网络具有部署范围广且部署环境恶劣的特点。

所述的步骤(1)中的无线充电器采用磁耦合谐振技术实现无线充电,节点接收功率Pr与无线充电器的发射功率Ps之间满足其中α和β是充电参数,d表示无线充电器与节点之间的距离。

所述的步骤(2)中的充电特性为:离驻留点位置越近的节点,能量接收功率越高。

所述的步骤(2)中的数据路由方法具体包括以下步骤:

1)可与基站直接通信的节点,即与基站距离小于节点通信范围Rc的节点,选择基站作为下一跳节点,并将采集的数据包直接传递给基站;

2)不可与基站直接通信的节点,选择离基站比自身近的邻居节点中能量接收功率最高的作为下一跳节点,并传递采集的数据包;

所述的步骤1)中的基站设置在网络的中心位置;

所述的步骤(3)中的网络节点能耗差异表现为:越靠近基站的节点平均能耗速度越快且能耗速度标准差越大;

所述的步骤(3)中的充电算法具体包括以下步骤:

1)连接无线充电器的驻留点,形成n个六边形路径的充电层,其中驻留点的间隔为d0

2)设置网络总充电时间T;

3)依据各六边形路径充电层内节点的平均能耗速度为各层分配充电时间,使得各层每次驻留的时间Tln与该层节点平均能耗速度γln成正比,即

N1Tl1+N2Tl2+...+NnTln=T

其中n表示充电层个数,Nn表示第n层的驻留点个数;

4)将可以基站直接通信的充电层划分为内层,则内层共包含个充电层,由于内层节点的能耗速度差异大,所以对内层所有节点采取逐个遍历充电的方法,使得每个节点的充电时间Tsm与该节点能耗速度γsm成正比,并保持内层总充电时间不变,即

其中m表示内层节点个数。

附图说明

图1为本发明方法的工作流程图;

图2为本发明方法的充电路径示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1为一种WRSNs中结合数据路由的充电方法的工作流程图;

如图1所示,一种WRSNs中结合数据路由的充电方法的工作流程为:

(1)利用等边三角形的强覆盖性,将网络划分为多个等边三角形单元,并设置无线充电器的驻留点位置在各等边三角形单元的顶点处;

(2)根据无线充电器的充电特性设计网络中数据路由方法,使得能量接收功率高的节点承担较多的通信任务:

1)可与基站直接通信的节点,即与基站距离小于节点通信范围Rc的节点,选择基站作为下一跳节点,并将采集的数据包直接传递给基站;

2)不可与基站直接通信的节点,选择离基站比自身近的邻居节点中能量接收功率最高的作为下一跳节点,并传递采集的数据包;

(3)根据数据路由方法带来的网络节点能耗差异设计充电算法,使得能耗速度快的节点获得更多的充电时间:

1)连接无线充电器的驻留点,形成n个六边形路径的充电层,其中驻留点的间隔为d0

2)设置网络总充电时间T;

3)依据各六边形路径充电层内节点的平均能耗速度为各层分配充电时间,使得各层每次驻留的时间Tln与该层节点平均能耗速度γln成正比,即

N1Tl1+N2Tl2+...+NnTln=T

其中n表示充电层个数,Nn表示第n层的驻留点个数;

4)将可以基站直接通信的充电层划分为内层,则内层共包含个充电层,由于内层节点的能耗速度差异大,所以对内层所有节点采取逐个遍历充电的方法,使得每个节点的充电时间Tsm与该节点能耗速度γsm成正比,并保持内层总充电时间不变,即

其中m表示内层节点个数;

图2为一种WRSNs中结合数据路由的充电方法的充电路径示意图;

当网络中存在三个充电层,且内层包含一个充电层时,充电路径如图2所示。图中,黑色箭头表示充电器的移动路径。充电器对靠近基站的节点采取逐个遍历的方式进行充电,而对远离基站、能耗小且能耗差异小的节点采用六边形路径进行充电。由于在大范围WRSNs中,远离基站的同一充电层内,节点与基站的距离相近,能耗速度也相近,所以设置同一层内每次驻留时间相同,从一定程度上减少了充电时间分配计算的复杂度,而对于靠近基站的充电层,由于节点能耗差异大,对各节点采取逐个遍历充电的方法能有效削弱基站附近节点能量不均的问题。这种分层充电的做法,不仅保证了靠近基站的节点的能量均衡,也保证了网络充电时间分配计算的复杂度较小。


技术特征:

1.一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)利用等边三角形的强覆盖性,将网络划分为多个等边三角形单元,并设置无线充电器的驻留点位置在各等边三角形单元的顶点处;

(2)根据无线充电器的充电特性设计网络中数据路由方法,使得能量接收功率高的节点承担较多的通信任务;

(3)根据数据路由方法带来的网络节点能耗差异设计充电算法,使得能耗速度快的节点获得更多的充电时间。

2.根据权利要求1所述的一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,其特征在于,所述的步骤(1)中的无线充电器采用磁耦合谐振技术实现无线充电,节点接收功率Pr与无线充电器的发射功率Ps之间满足其中α和β是充电参数,d表示无线充电器与节点之间的距离。

3.根据权利要求1所述的一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,其特征在于,所述的步骤(2)中的充电特性为:离驻留点位置越近的节点,能量接收功率越高。

4.根据权利要求1所述的一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,其特征在于,所述的步骤(2)中的数据路由方法具体包括以下步骤:

1)可与基站直接通信的节点,即与基站距离小于节点通信范围Rc的节点,选择基站作为下一跳节点,并将采集的数据包直接传递给基站;

2)不可与基站直接通信的节点,选择离基站比自身近的邻居节点中能量接收功率最高的作为下一跳节点,并传递采集的数据包。

5.根据权利要求4所述的一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,其特征在于所述的步骤1)中的基站设置在网络的中心位置。

6.根据权利要求1所述的一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,其特征在于所述的步骤(3)中的网络节点能耗差异表现为:越靠近基站的节点平均能耗速度越快且能耗速度标准差越大。

7.根据权利要求1所述的一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,其特征在于所述的步骤(3)中的充电算法具体包括以下步骤:

1)连接无线充电器的驻留点,形成n个六边形路径的充电层,其中驻留点的间隔为d0

2)设置网络总充电时间T;

3)依据各六边形路径充电层内节点的平均能耗速度为各层分配充电时间,使得各层每次驻留的时间Tln与该层节点平均能耗速度γln成正比,即

其中n表示充电层个数,Nn表示第n层的驻留点个数;

4)将可以基站直接通信的充电层划分为内层,则内层共包含个充电层,由于内层节点的能耗速度差异大,所以对内层所有节点采取逐个遍历充电的方法,使得每个节点的充电时间Tsm与该节点能耗速度γsm成正比,并保持内层总充电时间不变,即

其中m表示内层节点个数。

技术总结
本发明公开了一种WRSNs中结合数据路由的充电方法,首先利用无线充电器的充电特性设计网络路由方法,使得能量接收功率高的节点承担较多的通信任务,接着依据该路由下节点能耗速度差异设计充电算法,使得能耗速度快的节点分配更多的充电时间。综合利用了无线充电器特性与路由方法的相互作用,最大程度上实现了网络的能量均衡。此外,充电算法的路径利用了等边三角形的强覆盖性,将无线充电器的驻留点设置在等边三角形的顶点处,并设置六边形路径连接所有驻留点,从而形成无线充电器的移动路径,最大程度上缩小了充电代价,延长了网络寿命,实现了网络能量的均衡。

技术研发人员:秦晨;孙永辉;王加强;艾蔓桐
受保护的技术使用者:河海大学
文档号码:201710247559
技术研发日:2017.04.17
技术公布日:2017.09.15

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