基于能量采集无线传感器网络的能量管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于能量采集无线传感器网络的能量管理方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN)是一种新兴的信息获取平 台，由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成，这些传感器节点通过无线通信的方 式形成多跳自组织网络系统，能够相互协调地进行实时监测以及采集各种所监控环境或对 象的感兴趣信息，其信息通过嵌入式系统进行一定处理后，通过自组织的无线通信网络将 信息以多跳中继方式发送到基站，以供用户终端使用，从而使目标检测与跟踪功能得以在 复杂的指定范围内实现。无线传感器网络具有低成本、低功耗、快速展开、抗毁性强、有自组 织能力、分布式协助工作、不需要有线网络支持等特点，可被广泛应用于环境监测、医疗健 康、现代化工农业、军事与安全救援、智能交通、智能家居等多个领域，是当前国内外备受关 注的新兴研究热点领域，是信息感知和采集领域的一场重大变革，并于2003年被美国《商 业周刊》列为未来四大新技术之一，无线传感器网络将会极大地影响人类未来的生活和生 产。
[0003] 然而，传统的传感器节点一般采用锂电池供电，其生命周期主要决定于电池电能 容量，同时，受无线传感器网络工作环境的限制，若要为网络中的传感器节点更换电池需要 花费大量的人力物力，这显然是不可能而且是得不偿失的。因此传统的无线传感器网络研 究的主要问题就是通过各种节能手段来延长整个网络的生命周期，WSN的其他性能指标通 常都需要以节能和能量高效利用作为基础来考虑。为了达到延长WSN生命周期的目的，网 络中的传感器节点采取低占空比的周期性工作模式（工作/休眠）。占空比越低，节能效果 越明显，但是这样的节能工作模式就会与WSN的必要性能产生尖锐的矛盾，例如传感器节 点不能及时地采集和发送数据，这与无线传感器网络作为一个信息采集网络的要求是明显 不相符的。
[0004] 无线传感器网络的相关性能随着微电子和微机技术的发展而得到提高，但是仅仅 依靠传感器节点固定的电池电能容量来维持WSN的能量损耗是远远不够的，这些能量问题 极大地制约了无线传感器网络的性能以及限制了其发展和应用范围。
[0005] 随着目前环境能量采集技术的迅速发展，越来越多的研究人员开始专注研究无线 传感器网络中的环境能量采集技术，如果无线传感器网络能在工作环境中为自身补给能 量，就可以缓解WSN在节能和保证性能之间的尖锐矛盾，更有利于满足WSN的应用需求。因 此，传感器节点通过自主采集环境能量实现自身的能量补给成为了延长WSN的生命周期和 提高WSN的性能的一个有效方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于能量采集无线传感器网络的能量管理方法，包括 传感器节点的剩余能量和环境能量采集情况的实时感知，在不违背无线传感器网络低功耗 特性的前提下，结合网络流优化的相关知识和原则，充分有效利用了传感器节点在工作环 境中采集的能量，一方面保证了 WSN的寿命要求，另一方面可大限度改善WSN的性能。
[0007] 为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：
[0008] -种基于能量采集无线传感器网络的能量管理方法：
[0009] 结合容差修正网络最大流FF算法，对数据传输量进行网络流链路增广，同时簇首 的选举机制引入容差因素，保证增广链路有足够的容量即保证信道带宽可供数据流传输。 [0010] 可选的，根据无线传感器网络所工作于三个不同时期的传感器节点能量特点，综 合考虑传感器节点的剩余能量、能量采集速率、能耗速率以及路由信息，节能模式引入传感 器节点的剩余能量作为簇首选举的主要因素，在能量充裕期工作时，多余的能量会被用于 进行增广网络的数据流，并根据信道带宽计算最佳数据流量，增加无线传感器网络的能耗， 使能耗速率与能量采集速率保持相对稳定，充分利用环境补给的能量，提高网络性能。
[0011] 可选的，把无线传感器网络看作是一个有向容量网络，把无线传感器网络的数据 传输量问题转化为网络流优化问题，在分簇的无线传感器网络中，簇成员作为源点，簇首作 为中间顶点，基站作为汇点，应用容差修正网络最大流FF算法进行网络流优化，选取中间 顶点容差大的链路进行增广，选择容差大的节点作为簇首，保证数据流增广后链路有足够 的带宽来进行数据传输。
[0012] 可选的，在耗能期和储能期，无线传感器网络工作于节能模式，簇首选择机制引入 传感器节点的能量信息来作为主要考虑因素，同一个簇的传感器节点以均匀概率在簇内循 环轮流担任簇首，节点剩余能量和能量采集值较大的节点担任簇首的概率比较大，并且设 定剩余能量低于阈值的节点不能担任簇首。
[0013] 可选的，在能量充裕期，无线传感器网络进行网络流优化阶段，需要对数据流进行 增广，引用容差修正网络最大流FF算法，选择容差较大的传感器节点作为簇首。
[0014] 可选的，分簇阶段，若基站发布按网络流优化分簇命令，传感器节点计算自己的容 差并在簇内广播自己的容差信息，簇内的所有传感器节点都知道邻节点的容差信息并各自 建立成表，在此表中容差最大的节点自动担任本轮的簇首，并按基站提供的最优数据流量 信息制定本簇的TDM调度表。
[0015] 可选的，基于能量采集无线传感器网络的能量管理方法，包括以下步骤：
[0016] ⑴每轮开始，基站根据上一轮WSN传感器节点的能量信息计算网络的平均剩余 能量值U、平均能耗值U、平均能量采集值·
[0017] (2)基站判断WSN处于耗能期、储能期还是能量充裕期并广播信息，
[0018] 3',
，则WSN进入网络流优化阶段，转⑷；
[0019] 否则，WSN进入网络能耗均衡优化阶段，转（3);
[0020] (3)节点接收基站网络能耗均衡优化分簇命令，计算阈值T(i)，产生0~1的随机 数α，若a < T(i)，则担任簇首；否则，则为簇成员；
[0021] (4)节点接收基站网络流优化分簇命令和基站计算的最优数据流量Itest，节点在 簇内广播自己的能量信息并根据邻节点的能量信息计算容量和容差，广播各自容差信息并 建立成表，选举容差最大节点担任簇首，其余成为簇成员；
[0022] (5)簇首建立TDM调度表并在簇内广播，簇成员按TDM调度表安排时隙进行工 作；
[0023] (6)开始数据传输阶段。节点采集环境信息数据，并将数据发送到簇首，数据包内 容包含节点ID、剩余能量E rast、能耗值E_、能量采集值Eup、环境信息数据；
[0024] (7)簇首进行数据融合并采用簇首间多跳的方式转发给基站，第η层簇首i将数据 包转发给第（n-1)层簇首」，按<
中的簇首j作 为下一跳节点；
[0025] (8)基站接收全网数据，本轮循环结束，并准备下一轮循环。
[0026] 无线传感器网络的主要能耗在于网络通信和拓扑结构控制方面，其能量管理的核 心技术之一就是"路由算法"，因此本发明提供的基于能量采集无线传感器网络的能量管理 方法的创新点在于结合了网络流优化的相关理论知识和原则，根据所设定的具体太阳能采 集模型，设计传感器节点相应的工作模式，在整个无线传感器网络能量充裕时期在数据流 方面对网络性能进行优化。本发明可兼顾维持网络能耗均衡，保证网络的生命周期，同时可 以尚效地利用环境能量，提尚网络性能。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明实施例无线传感器网络的网络模型示意图；
[0028] 图2是本发明实施例容量网络G模型示意图；
[0029] 图3是本发明实施例流程不意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步的说明：
[0031] 网络模型
[0032] 由于可供研究的资源受限，为了本发明所提出的网络流优化分簇路由协议在 Matlab仿真中较容易实现，本发明假设无线传感器网络的工作区域是一个边长为a的正方 形区域，在此区域内随机散布N个传感器节点，每个簇的工作区域是一个边长为b的正方