一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法与流程

本发明属于无线传感技术领域，尤其涉及一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法。

背景技术：

无线传感器网络已广泛应用于许多领域，如森林火灾检测、建筑物结构健康监测和家居自动化等等。由于传统传感器节点使用的电池能量有限，只能在有限时间内工作，这成为无线传感器网络长期持续工作的最关键的阻碍之一。一种方案是为传感器节点装配能量吸收装置，使其能从环境中获取能量，在一定程度上解决了能量供给问题，但是，由于环境能源的不可预测性，使得节点获取的能量很不稳定。

无线能量传输和可充电锂电池技术的突破性进展，为无线可充电传感器网络的能量补充提供了可行的技术基础。Kurs等人的研究表明，不需要电线和插头，通过强耦合磁谐振技术就可以通过无线方式实现高效率的能量传输。在两米距离范围内，功率60W的发射器可以达到40％的无线功率传输效率。一个典型的应用场景是，移动充电车搭载装配有大容量电池的移动充电器，从移动充电服务站出发，按照一定的调度策略为网络中需要充电的多个传感器节点实施充电，避免传感器节点因能量耗尽而停止工作。经过一轮充电之后，移动充电车再回到充电服务站进行能量补给，为下一轮充电做准备。然而，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，使之不一定能满足对所有节点进行能量补充。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。我们注意到，只使用一个移动充电器为整个无线传感器网络进行能量补充，除非这个移动充电器所携带的能量足够大，否则很难满足整个网络的需求以及支撑它往返基站。这就需要对移动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。

技术实现要素：

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基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法，应用多个移动充电器对传感器节点进行无线充电，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

一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法，具体包含如下步骤：

步骤1：将基站作为调度执行主体，设定一个阈值α，检测监测网络中传感器节点的剩余能量，若剩余能量低于阈值α·B，则转入步骤2；其中，0＜α＜1，B表示传感器节点的总能量；

步骤2：再设定另一个阈值β，将监测网络中剩余能量小于β·B的传感器节点作为待充传感器节点，并加入集合S，其中，β＝2α；

步骤3：以基站为起点，将集合S中所有传感器节点规划为一条回路；

步骤4：计算集合S中的总充电耗能W，设每个充电器所能携带的能量为P，充电器个数k取初始值为

步骤5：按步骤3规划好的回路顺序将集合S中的传感器节点分为k组，除最后一组外每组传感器节点个数为

步骤6：以基站为起点和终点，重新优化每组组内路径；

步骤7：若优化后各组内总充电耗能均不超过充电器的携带能量，即W_i≤P，则转入步骤9，其中，1≤i≤k；

步骤8：将k值增加1，重新规划分组，即转入步骤5；

步骤9：设移动充电器数目为N_c,将k赋值给N_c，从基站同时派出N_c个移动充电器为待充集合S补充能量，分别沿着已规划的各条分组回路进行充电，充电结束后，所有移动充电器均回到基站进行能量补给并等待下一轮充电。

作为本发明一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法的进一步优选方案，所述步骤3构成回路的方法具体如下：

步骤3.1，找到距离基站最近的传感器节点插入回路，编号为1号传感器节点；

步骤3.2，再从剩余传感器节点中寻找距离1号传感器节点最近的传感器节点插入回路，编号为2号传感器节点；直到集合S中的所有传感器节点都加入回路中。

作为本发明一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法的进一步优选方案，在步骤4中，集合S中的总充电耗能W包括集合S中所有传感器节点所需补充的能量和充电器在路上所消耗的能量。

作为本发明一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法的进一步优选方案，在步骤6中，以基站为起点和终点，重新优化每组组内路径的具体步骤如下：

步骤6.1，设置系统温度T，温度下限T_min，降温指数delta；

步骤6.2，将每组内的首尾节点与基站相连，构成回路，作为初始路线并计算该路线长度W_i；

步骤6.3，随机交换两个传感器节点的顺序，重新计算路线长度W_i′，若W_i′＜W_i，则保留新路线；

步骤6.4，逐步降低温度，T＝T*delta。若T＞T_min，则重复步骤6.3，否则，优化结束。

作为本发明一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法的进一步优选方案，在步骤6.1中，采用模拟退火算法，设置系统温度T，温度下限T_min，降温指数delta。

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：

本发明提出了一种基于多移动充电器的无线传感器网络能量补充方法，传统的只有一个移动充电器，携带有限的能量加上行程所需要耗费的时间，很难保证所有传感器都能在能量耗尽之前被充电，本发明与传统一个充电器相比，使用了多个移动充电器，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是体系结构及规划的充电调度线路图示例；

图2是根据本发明的方法重新规划给个充电器的条调度线路图示例；

图3是本发明提出的充电调度方法步骤的流程图。

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，都从基站获得，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)调度路线：由基站根据某一时刻所需补充能量的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回到基站，以保证系统能一直这样运行下去。

本发明提出了一种使用多个移动充电器为传感器网络充电的方法。传统的只有一个移动充电器，携带有限的能量加上行程所需要耗费的时间，很难保证所有传感器都能在能量耗尽之前被充电。本发明与传统一个充电器相比，使用了多个移动充电器，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的分布为例，假设图1中的传感器节点为当前轮次的待充电节点集，共16个节点，图中同时给出了构造出的只有一个移动充电器情况下的调度路线。其中节点即为传感器节点。

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，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，

当一个可充电的无线传感器网络投入运行后，如图3所示，以如下步骤执行：

步骤1：基站作为调度执行主体，设定一个阈值α＝10％，监测网络中一旦有传感器的剩余能量低于α，则转入步骤2，否则将继续等待。

步骤2：再设定另一个阈值β＝20％，将网络中剩余能量小于β值的传感器作为待充传感器，加入集合S。例子中集合S里有16个节点。

步骤3：以基站为起点，将S中所有传感器节点规划为一条回路。构成回路的方法是，首先找到距离基站最近的传感器节点插入回路，编号为1号节点；在从剩余传感器节点中寻找距离1号传感器节点结点最近的传感器节点插入回路，编号为2号传感器节点；依次如此，直到集合S中的所有节点都加入回路中。规划好的路线见图1，按路径顺序给每个传感器节点标上了编号。

步骤4：计算集合S中的总充电耗能W为200J，包括集合S中所有节点所需补充的能量和充电器在路上所消耗的能量。设每个充电器所能携带的能量P为80J，取充电器个数N_c为组数k，取初始值为3。

步骤5：将集合S中的节点分为3组，每组中的节点个数为6、6、4。沿步骤3规划好的顺序。

步骤6：将分组1中的第1个节点和第6个节点都连上基站，构成一条组内回路。同样分组2中的第7个和第12个节点、分组3中的第13和第16个节点也连上基站。三组组内回路需要重新优化。采用模拟退火算法，首先将每组内的首尾节点与基站相连，作为初始路线并计算该路线长度。随机交换两个节点的顺序，重新计算路线长度，若优于交换前，则新路线保留。

步骤7：优化后各组内总充电耗能分别为60J、78J、70J，均不超过充电器携带能量，转入步骤9。

步骤8：将组数k值增加1，转入步骤5。

步骤9：从基站派出3个移动充电器，分别沿着各个已规划的分组路线进行充电。所有移动充电器在充电结束后均回到基站进行能量补给并等待下一轮充电。