无线可充电传感器网络的定点充电基站部署方法与流程

本发明属于无线可充电传感器网络技术领域，具体涉及一种无线可充电传感器网络的定点充电基站部署方法。

背景技术：

随着5g时代的到来，万物互联正逐步走进我们的生活，传感器设备是实现物联网信息互通的基础，无线充电技术为传感器网络的能源问题提供了解决思路，于是无线可充电传感器应运而生。在无线可充电传感器网络中，最重要的问题是如何部署最少的充电基站去满足整个传感器网络的能源需求，因为充电基站的造价很高，减少冗余基站可以有效降低整个传感器网络的运行成本。

目前，关于无线可充电传感器网络的充电规划问题，针对充电基站不同的特点进行充电基站的部署问题已有一些研究。徐向华等人在专利《一种无线可充电传感网络的定向充电基站部署方法》(专利号：cn105722091a)中，在满足所有传感器节点供能的前提下，提出了一种定向基站的规划方法。该方法先对所有的传感器都求一次候选基站，再根据传感器节点出现的频次，优化充电基站的个数。其充电基站的辐射范围是一个扇形，即使有多个传感器同时被充电基站覆盖，但是在同一时刻一个基站只为一个传感器充电，不符合实际情况。在实际应用中，在辐射范围内的可充电传感器都是可以接收到能量的，所以该专利提出的充电方式效率不高。吴以凡等人在专利《一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法》(专利号：cn201310276000.x)中，提出了一种无线充电基站的位置规划方法。该方法先将所有传感器组成的充电区域网格化，然后将无线充电基站的位置部署在网格的格点之上，这种方法限制了充电基站的位置，使基站的部署缺少灵活性，实际应用中存在一定的缺陷。此外，上述两个专利中的充电基站辐射范围很广，基站的充电距离受到了极大的限制；他们还假设了充电基站有一个充电半径，充电半径的取值会对充电基站的部署个数造成一定数量的误差。因此，提出一种充电基站位置可以灵活规划，且充电距离较远的无线充电基站部署方法十分重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无线可充电传感器网络的定点充电基站部署方法。

本发明的具体方法如下：

步骤1、建立平面直角坐标系，将与n个无线可充电传感器分别位置对应的n个普通节点放入平面直角坐标系。n个普通节点组成的集合为普通节点集合u＝{u1,u2,u3,…,un}。将1赋值给f。

步骤2、求出普通节点集合u中每个普通节点对应的候选基站位置，并确定各候选基站覆盖节点集合。

2-1、将1赋值给i；将2赋值给k。

2-2、将普通节点集合u中第i个普通节点ui的位置作为第i个候选基站ci的位置，得到第i个候选基站ci的坐标(ai1,bi1)。将第i个节点ui作为第i个候选基站ci的第1个覆盖节点pi1加入第i个候选基站的覆盖节点集合qi，得到第i个候选基站ci的第1个覆盖节点pi1的坐标为(xi1,yi1)。

2-3、取第i个候选基站的覆盖节点集合qi在普通节点集合u中的绝对补集内，与第i个候选基站ci距离最近的普通节点，作为第i个候选基站ci的第k个覆盖节点pik，加入第i个候选基站的覆盖节点集合qi，得到第i个候选基站ci的第k个覆盖节点pik的坐标为(xik,yik)。

2-4、第k-1次更新第i个候选基站ci的坐标为(aik,bik)。aik的表达式如式(1)所示，bik的表达式如式(2)所示，

式(1)和(2)中，ai(k-1)为第i个候选基站ci进行第k-1次更新前的横坐标；bi(k-1)为第i个候选基站ci进行第k-1次更新前的纵坐标；wij表示第i个候选基站ci的第j个覆盖节点pij对应的无线可充电传感器的功率；β的取值为η为充电基站与无线可充电传感器紧挨在一起时的传输效率；α的取值为gt为充电基站的发射天线的增益；gt为无线可充电传感器的接收天线的增益；λ为充电基站与无线可充电传感器进行无线传输时所用电磁波的波长。

2-5、计算第i个候选基站ci的下限功率p′的表达式如式(3)所示，之后进入步骤2-6。

式(3)中，dij为第i个候选基站ci的第j个覆盖节点pij与第i个候选基站ci的距离。

2-6、若p′≤pt，且普通节点集合u中还存在不属于第i个候选基站ci的覆盖节点集合qi的元素，则将k增大1，并重复执行步骤2-3至2-5。pt为充电基站的额定功率。

若p′≤pt，且普通节点集合u中的所有元素均属于第i个候选基站ci的覆盖节点集合qi，则直接进入步骤2-7。

若p′＞pt，则将第i个候选基站ci的第k个覆盖节点pk从第i个候选基站的覆盖节点集合qi中删除，以(ai(k-1),bi(k-1))作为第i个候选基站ci的坐标，并进入步骤2-7。

2-7、若i<m，则将i增大1，将2赋值给k，并执行步骤2-2至步骤2-6；否则，进入步骤3。m为普通节点集合u中的元素个数。

步骤3、若k个候选基站中存在一个候选基站的覆盖节点集合中的元素个数等于普通节点集合u的元素个数，则该候选基站作为第f个最终基站，并进入步骤7；否则，执行步骤4、5和6。

步骤4、在普通节点集合u中选取出只对应唯一一个候选基站的普通节点作为关键节点。若存在关键节点，则任取其中一个关键节点作为核心节点，若不存在关键节点，则任取一个普通节点作为核心节点。

步骤5、将与核心节点对应的候选基站作为第f个最终基站。将第f个最终基站对应的覆盖节点集合中的所有元素从普通节点集合u中删除。进入步骤6。

步骤6、将f增大1，重复执行步骤2至5。

步骤7、将f个最终基站布置到无线传感器网络中。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明摆脱了现有方法中需要事先假设基站在某些固定区域的束缚，根据无线传感器网络中无线可充电传感器的位置信息，在保证无线传感器网络的能源需求的前提下，规划出尽可能少的基站个数，并给出基站的具体位置，减少了整个无线传感器网络的充电成本，更加符合实际应用场景。

2、本发明在布置充电基站时，不设定固定的充电半径，而是引入不同无线可充电传感器的功率作为变量。在现有很多的充电基站部署的研究中，均假设充电基站有一个充电半径，若传感器与基站的距离超过此半径的范围，则充电基站无法为此传感器充电。但是在实际中，由于每个传感器节点所执行的功能不同，它们的能耗也不一样，故同一充电基站针对不同功耗的无线可充电传感器的充电半径不同。简单地设定一个充电半径的方法，不能合理地让充电基站包含所有可接收到能量的传感器节点，导致部署冗余的充电基站。因此，本发明相对于现有技术能够进一步节约充电成本。

2、本发明采用的是“汇聚式”无线充电基站，这种基站辐射的面积小，但是辐射的距离长，因此可以适应覆盖面积更大、分布面积更广的传感器网络。

附图说明

图1为本发明中充电基站与无线可充电传感器的部署示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明针对无线传感器网络内所有的无线可充电传感器均设置在同一平面上的充电基站部署场景。本发明设置的充电基站为规格相同的“汇聚式”充电基站。“汇聚式”充电基站的辐射面积很小(类似于激光充电)，在同一时刻只能覆盖到一个传感器并为其充电，这种“汇聚式”的能量发射模式可以极大地增加能量的辐射距离，即本发明使用的无线充电基站比其它充电基站的距离更远。在保证传感器网络中所有传感器的能量需求之下，部署最少的基站个数，以减少整个传感器网络的充电成本。充电基站能够逐个为无线可充电传感器充电。在无线传感器网络的部署平面上设置有位置随机且已知的n个无线可充电传感器。充电基站与无线可充电传感网络的关系如图1所示。图1中，星形为无线可充电传感器，圆点为无线可充电传感器。

步骤1、建立平面直角坐标系，将与n个无线可充电传感器分别位置对应的n个普通节点放入平面直角坐标系。n个普通节点组成的集合为普通节点集合u＝{u1,u2,u3,…,un}。建立最终基站集合s，初始状态下，最终基站集合s为空集。将1赋值给f。

步骤2、求出普通节点集合u中每个普通节点对应的候选基站位置，并确定各候选基站覆盖节点集合。

2-1、将1赋值给i；将2赋值给k。

2-2、将普通节点集合u中第i个普通节点ui的位置作为第i个候选基站ci的位置，得到第i个候选基站ci的坐标(ai1,bi1)。将第i个节点ui作为第i个候选基站ci的第1个覆盖节点pi1加入第i个候选基站的覆盖节点集合qi，得到第i个候选基站ci的第1个覆盖节点pi1的坐标为(xi1,yi1)。

2-3、取第i个候选基站的覆盖节点集合qi在普通节点集合u中的绝对补集内，与第i个候选基站ci距离最近的普通节点，作为第i个候选基站ci的第k个覆盖节点pik，加入第i个候选基站的覆盖节点集合qi，得到第i个候选基站ci的第k个覆盖节点pik的坐标为(xik,yik)。

第i个候选基站ci的第k个覆盖节点pik的选取原则为：不在第i个候选基站的覆盖节点集合qi内，且与第i个候选基站ci尽可能接近。

2-4、第k-1次更新第i个候选基站ci的坐标为(aik,bik)。aik的表达式如式(1)所示，bik的表达式如式(2)所示，

式(1)和(2)中，ai(k-1)为第i个候选基站ci进行第k-1次更新前的横坐标；bi(k-1)为第i个候选基站ci进行第k-1次更新前的纵坐标；wij表示第i个候选基站ci的第j个覆盖节点pij对应的无线可充电传感器的功率；β的取值为η为充电基站与无线可充电传感器紧挨在一起时的传输效率，若未进行充电基站与无线可充电传感器紧挨在一起时检测传输效率，则η用1替代；α的取值为gt为充电基站的发射天线的增益大小；gt为无线可充电传感器的接收天线的增益大小；λ为充电基站与无线可充电传感器进行无线传输时所用电磁波的波长。

2-5、计算第i个候选基站ci的下限功率p′的表达式如式(3)所示，之后进入步骤2-6。

式(3)中，p(dij)为间距等于dij的充电基站与无线可充电传感器之间的充电效率，dij为第i个候选基站ci的第j个覆盖节点pij与第i个候选基站ci的距离。

进而根据第i个候选基站ci的下限功率p′，能够计算出第i个候选基站ci的充电休眠时长t为充电基站的充电周期，其值小于或等于n个无线可充电传感器的续航时长的最小值。

2-6、若p′≤pt，且普通节点集合u中还存在不属于第i个候选基站ci的覆盖节点集合qi的元素，则将k增大1，并重复执行步骤2-3至2-5。pt为充电基站的额定功率(其值根据选用的充电基站确定)。

若p′≤pt，且普通节点集合u中的所有元素均属于第i个候选基站ci的覆盖节点集合qi(即不再由新的普通节点加入qi)，则直接进入步骤2-7。

若p′＞pt，则将第i个候选基站ci的第k个覆盖节点pk从第i个候选基站的覆盖节点集合qi中删除，以(ai(k-1),bi(k-1))作为第i个候选基站ci的最终坐标，并进入步骤2-7。

2-7、若i<m，则将i增大1，将2赋值给k，并执行步骤2-2至步骤2-6；否则，进入步骤3。m为普通节点集合u中的元素个数(初始状态下，m的值为n，经过步骤5中，删去普通节点集合u内部分元素的操作后，m的值减小)。

步骤3、若k个候选基站中存在一个候选基站的覆盖节点集合中的元素个数等于普通节点集合u的元素个数，则该候选基站作为第f个最终基站加入充电基站集合s(若有多个候选基站满足条件则任取一个)，并进入步骤7；否则，执行步骤4、5和6。

步骤4、在普通节点集合u中选取出只对应唯一一个候选基站的普通节点作为关键节点。若存在关键节点，则任取其中一个关键节点作为核心节点，若不存在关键节点，则任取一个普通节点作为核心节点。

步骤5、将与核心节点对应的候选基站作为第f个最终基站加入充电基站集合s。将第f个最终基站对应的覆盖节点集合中的所有元素从普通节点集合u中删除。进入步骤6。

步骤6、将f增大1，重复执行步骤2至5。

步骤7、将充电基站集合s中的f个最终基站按照对应的坐标布置到无线传感器网络中即可完成对n个无线可充电传感器的充电工作。充电基站布置结束。