一种受控与机会混合式无线充电方法与流程

1.本发明涉及煤矿相关领域，具体为一种受控与机会混合式无线充电方法。


背景技术：

2.实时掌握煤矿井下设备工况、人员状态和环境信息对于提高生产效率和保障生产安全至关重要。在矿井中部署矿山物联网，通过矿山物联网节点感知设备工况参数，可实现设备的远程监控和预知维护；通过矿山物联网节点对矿井环境参数进行动态感知，可实现矿山灾害的预测预警，大幅降低灾害损失。
3.根据是否可在地面充电，可将节点分为两类，一类节点是工作人员随身携带的传感器，比如用于检测矿工生命体征(如脉搏)的传感器，它们能够在工作人员升井后在特定位置(如矿灯充电房)得到电能补充。另外一类是固定安装于矿井中的节点，比如瓦斯浓度传感器，它们采用电池供电。对于电池供电节点而言，尽管可以采用低功耗器件和节能算法提高工作寿命，但是节点能量始终处于不断降低状态并最终趋近于零，必须通过更换电池或充电的方式补充能量。为大量节点更换电池一方面工作量太大，在实践中多有抵触情绪，另一方面为某些位置的节点更换电池的难度较大。


技术实现要素：

4.本发明提出一种受控与机会混合式无线充电方法，以解决上述背景技术中的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种受控与机会混合式无线充电方法，其具体方方法为：
7.在巷道侧壁上安装有n个无线可充电节点，巷道中每隔一定距离部署有一个固定充电站(stationary charger，sc)，其中sc负责为移动充电装置(mobile charger，mc)充电，每个检修工携带有一个便携式充电装置，因此一个检修工就是一个机会mc，假定mc(若无特殊说明，mc泛指受控mc或机会mc，受控mc指携带便携式充电装置的矿工，机会mc指受控充电模式中的mc)的充电半径为r
ch
，通信半径为r
co
，且有r
ch
≤r
co
；其中，机会mc可通过在sc处充电和电池交换的方式补充能量；
8.不失一般性，假定检修工按照区域1-5的顺序进行检修，当检修工到达一个区域(比如区域2)后，检修工对该区域内的待检修设备进行检修，在检修过程中，将有一定数量的矿山物联网(mine internet of things,miot)节点位于机会mc的充电半径r
ch
内，它们可以通过机会充电的方式从机会mc处获得能量，从机会mc的移动路径看，当检修工在检修区域之间移动的时候，其移动路径将会形成一种逻辑环形结构，在检修工对某个检修区域中的待检修设备进行检修的时候，待检修设备与该检修区域形成一种分支结构，检修设备附近的miot节点则作为待检修的分支，最终将形成以检修区域为环、待检修设备与miot节点为分支的环形与树形混合结构；
9.不失一般性，假定第i个检修区域pi,i＝1,
…
,m中有ni个待检修设备和oi个待充电
节点，当检修工检修1#待检修设备时，第1、8、9号节点处于检修工所携带的机会mc的充电半径r
ch
内，然后可为它们提供充电服务。
10.优选的，某个待充电节点(比如nodek,k∈[1,n])从mc接收到的功率pr(k)可表示为：
[0011][0012]
其中，α＝g
mcgr(k)
ηλ2p
mc
/[l
p
(4π)2]，g
mc
和g
r(k)
分别是mc和nodek的天线增益，η是整流效率，p
mc
是mc的发射功率，l
p
是极化损耗，λ为充电信号波长，dk是mc与nodek间的距离，β是用于修正friis自由空间方程在短距传输时的参数；
[0013]
假定mc为nodek充电的时间为那么nodek所充得的电量为：
[0014][0015]
miot节点只要处于mc的充电范围，便可从mc获得能量，因此mc在移动过程中也可为沿途节点充电(简称为移动充电)，假定mc在巷道中线运动，sk即为节点nodek，o为sk在mc所在竖直平面(垂直于巷道中线的平面)的投影，那么|osi|＝w/2，其中w为巷道宽度，假定mc从左向右运动，mc与nodek之间的实时距离为di，点m为mc的充电波束刚能覆盖nodek时mc所在位置，此时di为充电半径，即di＝r
ch
，当运动到m’时，mc的充电波束刚好不能覆盖nodek，此时的di也满足di＝r
ch
，在此过程中，令mc的充电波束始终指向nodek，因此一直能够为nodek充电，显然，di随着mc的运动先减小和增大，当运动到o点时达到极小值|osi|；
[0016]
假定mc的移动速度为v，是mc从点m运动到点o过程中为nodek所充的电量，则为从m运动到o所需的时间，为mc从点o运动到点m’过程中为nodek所充的电量，则是从o运动到m’所需的时间，显然有mc在从m运动到m’能够为nodek所充的电量可表示为：
[0017][0018]
若机会mc为nodek充得的电量无法满足nodek的能量需求，则需继续调度受控mc为其充电，在需要区分的时候，将受控mc和机会mc的改写为和改写为和改写为和
[0019]
若受控mc运动到o点时，为nodek所充的电量仍然无法满足节点需要，受控mc就查看自己的调度路径，判断是否需要继续向前运动。
[0020]
优选的，若还需继续向前运动，则判断运动到m’所充的电量是否能够满足nodek需要；
[0021]
若能够满足，则保持该速度继续向前运动即可；
[0022]
若无法满足，则需要在o点停留下来为nodek充电，简称停留充电，直到离充满还需时开始向前运动，没有充满的电量在运动过程中补齐；
[0023]
如果受控mc不需要继续向前运动，它将在o点为nodek进行停留充电，直到nodek充满为止。
[0024]
优选的，受控充电模式(c&o charging)的目标是使得受控mc为所有节点完成一轮充电的时间最小，其优化目标函数可表达为：
[0025]
minimize：
[0026][0027]
subjet to：
[0028][0029][0030]
在式所示的优化目标函数中，是受控mc在nodek处停留充电的时间，表示受控mc在一轮充电中停留充电的总时间，tm表示受控mc在一轮充电中的总移动时间，由于有机会mc的存在，每一轮需要受控mc充电的节点可能并不完全相同，经过的巷道区域也可能不同，进而使得各轮的tm不同；
[0031]
式给出的约束表示受控mc在nodek处的停留充电量与在移动中的充电量之和必须大于等于nodek的能量需求
[0032]
式给出的约束表示为了nodek能够持续工作，受控mc必须在nodek的能量耗尽之前开始为其充电，其中表示节点的剩余工作时间，表示受控mc从当前位置出发，中途不作停留到达nodek所需的时间，简称移动到达时间；若无法满足式，则节点将被迫进入缺点休眠状态，当得到电量补充后再度苏醒。
[0033]
优选的，利用受控mc与机会mc进行混合充电涉及到miot节点、受控mc和机会mc三方，它们彼此配合共同完成充电任务，在受控mc和机会mc为miot节点进行混合充电的调度过程中，miot节点实时监控剩余电量，若小于充电阈值则以广播的方式发出充电请求，在该请求中将会包含节点id、坐标位置和剩余工作时间
[0034]
为了估计值，需要根据节点能量消耗情况估计其能量消耗速率假定节点nodek以周期δ检查自身剩余电量，在时刻(i+1)δ和时刻iδ的剩余能量分别为和那么nodek的能量消耗速率为：
[0035][0036]
在式中，各变量初值为：i＝0，其中为nodek的电池容量，ε是权重参数，用于调节上次所求得的能量消耗率与最近能量消耗率所占的权重，默认设置为1/2，每充完一次电，将i、和三个变量重置为初值，利用式重新计算能量消耗率。
[0037]
优选的，在得知能量消耗率的情况下，可以求得节点剩余工作时间为：
[0038][0039]
其中，为节点的死亡能量阈值，当剩余能量时，节点将被迫进入缺电休眠
状态；
[0040]
受控mc在巷道内移动过程中，按照所经过的先后顺序为节点按序充电，当某个节点即将能量耗尽时，可以立即向受控mc发出充电请求，打破这种按序充电模式，受控mc一旦接收到某个节点的充电请求，将首先判断是否有机会mc能够完成充电任务，为此，受控mc发出机会mc调度查询消息，查询在充电请求节点的剩余工作时间内是否会有机会mc能够提供充电任务，机会mc工作的起止时间(即检修工的上下班时间)、在各个区域检修所耗费的时间均有很强的规律性，在接下来某段时间内将要前往何处执行任务是事先安排好的，机会mc一旦收到受控mc的调度查询消息，就将自身的后续工作区域和时间安排作为“机会调度查询响应”发给受控mc，受控mc收到查询响应消息后，若判断出机会mc能够满足充电请求节点的电量需求，则将该充电请求清除，直接交由机会mc处理。
[0041]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0042]
1、减轻了受控mc的充电任务；部分分支巷道所部署的miot节点很少，若为了少数几个“偏远”节点而调度受控mc移动很长的路径前去充电，将会大幅增大mc的移动时间，进而加大整个网络的充电时延，同时增加了受控mc的移动能耗。若该区域有瓦检员、检修工等人员定期前往，则可为该区域内的节点进行机会充电，而无需单独调度受控mc前往。
[0043]
2、提高了受控mc的充电性能；某些节点的电池容量较小或工作任务繁重，其电池电量更易耗尽，这些节点称为瓶颈节点。若只采用受控mc，受控mc必须频繁前往为其充电。如果有机会mc协助，瓶颈节点的电量需求可从机会mc得到部分甚至全部满足，从而降低对受控mc的充电需求，提高受控mc的整体充电性能。
附图说明
[0044]
图1为本发明中的受控与机会混合充电模型；
[0045]
图2为本发明中的机会mc形成的环形与树形混合移动路径；
[0046]
图3为本发明中的检修区域和待充电节点；
[0047]
图4为本发明中的物联网节点进行移动定向充电；
[0048]
图5为本发明中的受控与机会混合充电调度策略。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
具体实施例
[0051]
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
[0052]
一种受控与机会混合式无线充电方法，其具体方方法为：
[0053]
在巷道侧壁上安装有n个无线可充电节点，巷道中每隔一定距离部署有一个固定充电站(stationary charger，sc)，其中sc负责为移动充电装置(mobile charger，mc)充电，见图1，每个检修工携带有一个便携式充电装置，因此一个检修工就是一个机会mc，假定mc(若无特殊说明，mc泛指受控mc或机会mc，受控mc指携带便携式充电装置的矿工，机会mc
指受控充电模式中的mc)的充电半径为r
ch
，通信半径为r
co
，且有r
ch
≤r
co
；其中，机会mc可通过在sc处充电和电池交换的方式补充能量；
[0054]
不失一般性，假定检修工按照区域1-5的顺序进行检修，当检修工到达一个区域(比如区域2)后，检修工对该区域内的待检修设备进行检修，在检修过程中，将有一定数量的矿山物联网(mine internet of things,miot)节点位于机会mc的充电半径r
ch
内，它们可以通过机会充电的方式从机会mc处获得能量，从机会mc的移动路径看，当检修工在检修区域之间移动的时候，其移动路径将会形成一种逻辑环形结构，在检修工对某个检修区域中的待检修设备进行检修的时候，待检修设备与该检修区域形成一种分支结构，检修设备附近的miot节点则作为待检修的分支，最终将形成以检修区域为环、待检修设备与miot节点为分支的环形与树形混合结构，见图1；
[0055]
不失一般性，假定第i个检修区域pi,i＝1,
…
,m中有ni个待检修设备和oi个待充电节点，见图3，当检修工检修1#待检修设备时，第1、8、9号节点处于检修工所携带的机会mc的充电半径r
ch
内，然后可为它们提供充电服务。
[0056]
某个待充电节点(比如nodek,k∈[1,n])从mc接收到的功率pr(k)可表示为：
[0057][0058]
其中，α＝g
mcgr(k)
ηλ2p
mc
/[l
p
(4π)2]，g
mc
和g
r(k)
分别是mc和nodek的天线增益，η是整流效率，p
mc
是mc的发射功率，l
p
是极化损耗，λ为充电信号波长，dk是mc与nodek间的距离，β是用于修正friis自由空间方程在短距传输时的参数；
[0059]
假定mc为nodek充电的时间为那么nodek所充得的电量为：
[0060][0061]
miot节点只要处于mc的充电范围，便可从mc获得能量，因此mc在移动过程中也可为沿途节点充电(简称为移动充电)，假定mc在巷道中线运动，sk即为节点nodek，o为sk在mc所在竖直平面(垂直于巷道中线的平面)的投影，那么|osi|＝w/2，其中w为巷道宽度，假定mc从左向右运动，mc与nodek之间的实时距离为di，点m为mc的充电波束刚能覆盖nodek时mc所在位置，此时di为充电半径，即di＝r
ch
，当运动到m’时，mc的充电波束刚好不能覆盖nodek，此时的di也满足di＝r
ch
，在此过程中，令mc的充电波束始终指向nodek，因此一直能够为nodek充电，显然，di随着mc的运动先减小和增大，当运动到o点时达到极小值|osi|，见图4；
[0062]
假定mc的移动速度为v，是mc从点m运动到点o过程中为nodek所充的电量，则为从m运动到o所需的时间，为mc从点o运动到点m’过程中为nodek所充的电量，则是从o运动到m’所需的时间，显然有mc在从m运动到m’能够为nodek所充的电量可表示为：
[0063][0064]
若机会mc为nodek充得的电量无法满足nodek的能量需求，则需继续调度受控mc
为其充电，在需要区分的时候，将受控mc和机会mc的改写为和改写为和改写为和
[0065]
若受控mc运动到o点时，为nodek所充的电量仍然无法满足节点需要，受控mc就查看自己的调度路径，判断是否需要继续向前运动。
[0066]
若还需继续向前运动，则判断运动到m’所充的电量是否能够满足nodek需要；
[0067]
若能够满足，则保持该速度继续向前运动即可；
[0068]
若无法满足，则需要在o点停留下来为nodek充电，简称停留充电，直到离充满还需时开始向前运动，没有充满的电量在运动过程中补齐；
[0069]
如果受控mc不需要继续向前运动，它将在o点为nodek进行停留充电，直到nodek充满为止。
[0070]
受控充电模式(c&o charging)的目标是使得受控mc为所有节点完成一轮充电的时间最小，其优化目标函数可表达为：
[0071]
minimize：
[0072][0073]
subjet to：
[0074][0075][0076]
在式所示的优化目标函数中，是受控mc在nodek处停留充电的时间，表示受控mc在一轮充电中停留充电的总时间，tm表示受控mc在一轮充电中的总移动时间，由于有机会mc的存在，每一轮需要受控mc充电的节点可能并不完全相同，经过的巷道区域也可能不同，进而使得各轮的tm不同；
[0077]
式给出的约束表示受控mc在nodek处的停留充电量与在移动中的充电量之和必须大于等于nodek的能量需求
[0078]
式给出的约束表示为了nodek能够持续工作，受控mc必须在nodek的能量耗尽之前开始为其充电，其中表示节点的剩余工作时间，表示受控mc从当前位置出发，中途不作停留到达nodek所需的时间，简称移动到达时间；若无法满足式，则节点将被迫进入缺点休眠状态，当得到电量补充后再度苏醒。
[0079]
利用受控mc与机会mc进行混合充电涉及到miot节点、受控mc和机会mc三方，它们彼此配合共同完成充电任务，在受控mc和机会mc为miot节点进行混合充电的调度过程中，见图5，miot节点实时监控剩余电量，若小于充电阈值则以广播的方式发出充电请求，在该请求中将会包含节点id、坐标位置和剩余工作时间
[0080]
为了估计值，需要根据节点能量消耗情况估计其能量消耗速率假定节点nodek以周期δ检查自身剩余电量，在时刻(i+1)δ和时刻iδ的剩余能量分别为和那么nodek的能量消耗速率为：
[0081][0082]
在式中，各变量初值为：i＝0，其中为nodek的电池容量，ε是权重参数，用于调节上次所求得的能量消耗率与最近能量消耗率所占的权重，默认设置为1/2，每充完一次电，将i、和三个变量重置为初值，利用式重新计算能量消耗率。
[0083]
在得知能量消耗率的情况下，可以求得节点剩余工作时间为：
[0084][0085]
其中，为节点的死亡能量阈值，当剩余能量时，节点将被迫进入缺电休眠状态；
[0086]
受控mc在巷道内移动过程中，按照所经过的先后顺序为节点按序充电，当某个节点即将能量耗尽时，可以立即向受控mc发出充电请求，打破这种按序充电模式，受控mc一旦接收到某个节点的充电请求，将首先判断是否有机会mc能够完成充电任务，为此，受控mc发出机会mc调度查询消息，查询在充电请求节点的剩余工作时间内是否会有机会mc能够提供充电任务，机会mc工作的起止时间(即检修工的上下班时间)、在各个区域检修所耗费的时间均有很强的规律性，在接下来某段时间内将要前往何处执行任务是事先安排好的，机会mc一旦收到受控mc的调度查询消息，就将自身的后续工作区域和时间安排作为“机会调度查询响应”发给受控mc，受控mc收到查询响应消息后，若判断出机会mc能够满足充电请求节点的电量需求，则将该充电请求清除，直接交由机会mc处理。
[0087]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。