本發(fā)明屬于無線傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如森林火災(zāi)檢測、建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和家居自動(dòng)化等等。由于傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)使用的電池能量有限，只能在有限時(shí)間內(nèi)工作，這成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期持續(xù)工作的最關(guān)鍵的阻礙之一。一種方案是為傳感器節(jié)點(diǎn)裝配能量吸收裝置，使其能從環(huán)境中獲取能量，在一定程度上解決了能量供給問題，但是，由于環(huán)境能源的不可預(yù)測性，使得節(jié)點(diǎn)獲取的能量很不穩(wěn)定。

無線能量傳輸和可充電鋰電池技術(shù)的突破性進(jìn)展，為無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量補(bǔ)充提供了可行的技術(shù)基礎(chǔ)。Kurs等人的研究表明，不需要電線和插頭，通過強(qiáng)耦合磁諧振技術(shù)就可以通過無線方式實(shí)現(xiàn)高效率的能量傳輸。在兩米距離范圍內(nèi)，功率60W的發(fā)射器可以達(dá)到40％的無線功率傳輸效率。一個(gè)典型的應(yīng)用場景是，移動(dòng)充電車搭載裝配有大容量電池的移動(dòng)充電器，從移動(dòng)充電服務(wù)站出發(fā)，按照一定的調(diào)度策略為網(wǎng)絡(luò)中需要充電的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)施充電，避免傳感器節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而停止工作。經(jīng)過一輪充電之后，移動(dòng)充電車再回到充電服務(wù)站進(jìn)行能量補(bǔ)給，為下一輪充電做準(zhǔn)備。然而，在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)移動(dòng)充電器難以滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的充電需求。問題在于，當(dāng)有大量需要充電的節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，單個(gè)移動(dòng)充電器攜帶的電量容量難以滿足所有待充電節(jié)點(diǎn)的需求。隨著待充電節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，移動(dòng)充電器的總旅行距離也隨之增大，充電器攜帶的供移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電能有限，使之不一定能滿足對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充。為了使移動(dòng)充電器能一輪接一輪的實(shí)施充電，在一輪充電結(jié)束之后，移動(dòng)充電器需要回到充電補(bǔ)給站。大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布范圍廣，相距距離遠(yuǎn)等因素也增大問題解決的難度。同時(shí)，待充電節(jié)點(diǎn)的剩余電量不盡相同，能量消耗的功率不同，數(shù)據(jù)收集的負(fù)載不同，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)需要充電的緊急程度也有所不同。我們注意到，只使用一個(gè)移動(dòng)充電器為整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能量補(bǔ)充，除非這個(gè)移動(dòng)充電器所攜帶的能量足夠大，否則很難滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的需求以及支撐它往返基站。這就需要對移動(dòng)充電器進(jìn)行合理和高效的調(diào)度，提高移動(dòng)充電器的充電效率，最大限度延長網(wǎng)絡(luò)整體的生存時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)的不足提供了一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法，應(yīng)用多個(gè)移動(dòng)充電器對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線充電，以確保傳感器節(jié)點(diǎn)都能在其能量耗盡之前得到充電。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案

一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法，具體包含如下步驟：

步驟1：將基站作為調(diào)度執(zhí)行主體，設(shè)定一個(gè)閾值α，檢測監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量，若剩余能量低于閾值α·B，則轉(zhuǎn)入步驟2；其中，0＜α＜1，B表示傳感器節(jié)點(diǎn)的總能量；

步驟2：再設(shè)定另一個(gè)閾值β，將監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中剩余能量小于β·B的傳感器節(jié)點(diǎn)作為待充傳感器節(jié)點(diǎn)，并加入集合S，其中，β＝2α；

步驟3：以基站為起點(diǎn)，將集合S中所有傳感器節(jié)點(diǎn)規(guī)劃為一條回路；

步驟4：計(jì)算集合S中的總充電耗能W，設(shè)每個(gè)充電器所能攜帶的能量為P，充電器個(gè)數(shù)k取初始值為

步驟5：按步驟3規(guī)劃好的回路順序?qū)⒓蟂中的傳感器節(jié)點(diǎn)分為k組，除最后一組外每組傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為

步驟6：以基站為起點(diǎn)和終點(diǎn)，重新優(yōu)化每組組內(nèi)路徑；

步驟7：若優(yōu)化后各組內(nèi)總充電耗能均不超過充電器的攜帶能量，即W_i≤P，則轉(zhuǎn)入步驟9，其中，1≤i≤k；

步驟8：將k值增加1，重新規(guī)劃分組，即轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟9：設(shè)移動(dòng)充電器數(shù)目為N_c,將k賦值給N_c，從基站同時(shí)派出N_c個(gè)移動(dòng)充電器為待充集合S補(bǔ)充能量，分別沿著已規(guī)劃的各條分組回路進(jìn)行充電，充電結(jié)束后，所有移動(dòng)充電器均回到基站進(jìn)行能量補(bǔ)給并等待下一輪充電。

作為本發(fā)明一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述步驟3構(gòu)成回路的方法具體如下：

步驟3.1，找到距離基站最近的傳感器節(jié)點(diǎn)插入回路，編號為1號傳感器節(jié)點(diǎn)；

步驟3.2，再從剩余傳感器節(jié)點(diǎn)中尋找距離1號傳感器節(jié)點(diǎn)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)插入回路，編號為2號傳感器節(jié)點(diǎn)；直到集合S中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)都加入回路中。

作為本發(fā)明一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟4中，集合S中的總充電耗能W包括集合S中所有傳感器節(jié)點(diǎn)所需補(bǔ)充的能量和充電器在路上所消耗的能量。

作為本發(fā)明一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟6中，以基站為起點(diǎn)和終點(diǎn)，重新優(yōu)化每組組內(nèi)路徑的具體步驟如下：

步驟6.1，設(shè)置系統(tǒng)溫度T，溫度下限T_min，降溫指數(shù)delta；

步驟6.2，將每組內(nèi)的首尾節(jié)點(diǎn)與基站相連，構(gòu)成回路，作為初始路線并計(jì)算該路線長度W_i；

步驟6.3，隨機(jī)交換兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的順序，重新計(jì)算路線長度W_i′，若W_i′＜W_i，則保留新路線；

步驟6.4，逐步降低溫度，T＝T*delta。若T＞T_min，則重復(fù)步驟6.3，否則，優(yōu)化結(jié)束。

作為本發(fā)明一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟6.1中，采用模擬退火算法，設(shè)置系統(tǒng)溫度T，溫度下限T_min，降溫指數(shù)delta。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明提出了一種基于多移動(dòng)充電器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量補(bǔ)充方法，傳統(tǒng)的只有一個(gè)移動(dòng)充電器，攜帶有限的能量加上行程所需要耗費(fèi)的時(shí)間，很難保證所有傳感器都能在能量耗盡之前被充電，本發(fā)明與傳統(tǒng)一個(gè)充電器相比，使用了多個(gè)移動(dòng)充電器，多個(gè)充電器的協(xié)同工作，增大了充電容量，也能充分縮短網(wǎng)絡(luò)整體的充電時(shí)間，保證了網(wǎng)絡(luò)能夠長久運(yùn)行。

附圖說明

圖1是體系結(jié)構(gòu)及規(guī)劃的充電調(diào)度線路圖示例；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法重新規(guī)劃給個(gè)充電器的條調(diào)度線路圖示例；

圖3是本發(fā)明提出的充電調(diào)度方法步驟的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。具體實(shí)施方式描述如下：下面所述節(jié)點(diǎn)即指傳感器節(jié)點(diǎn)。

基于本發(fā)明的體系結(jié)構(gòu)為一個(gè)部署在二維空間的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中包括基站、傳感器節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)充電器以及調(diào)度路線。以下對各部分進(jìn)行具體說明。

(1)基站：基站為一個(gè)處于網(wǎng)絡(luò)中心的固定的點(diǎn)，能通過多跳路由傳輸?shù)姆椒ㄊ占麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)傳感器的數(shù)據(jù)，包括收集到的數(shù)據(jù)以及其自身電量信息。同時(shí)可以為移動(dòng)充電器補(bǔ)充能量，做出調(diào)度路線規(guī)劃。

(2)傳感器節(jié)點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)為隨機(jī)部署在這個(gè)二維空間位置上的一些節(jié)點(diǎn)，作用是可以對周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，節(jié)點(diǎn)間可以通過路由傳輸數(shù)據(jù)，這也導(dǎo)致了不同的節(jié)點(diǎn)會(huì)有不同的能量消耗率。此處所有的傳感器節(jié)點(diǎn)電池總能量是相同的。

(3)移動(dòng)充電器：為可移動(dòng)的、攜帶大容量充電電池、并且能與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備。所有的移動(dòng)充電器所能攜帶的能量總量相同，都從基站獲得，同時(shí)用于為傳感器充電以及機(jī)械移動(dòng)所需的能量，移動(dòng)充電器沿著基站制定好的調(diào)度路線工作。

(4)調(diào)度路線：由基站根據(jù)某一時(shí)刻所需補(bǔ)充能量的傳感器節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行規(guī)劃，不同的移動(dòng)充電器有不同的路線，且所有路線最終都會(huì)回到基站，以保證系統(tǒng)能一直這樣運(yùn)行下去。

本發(fā)明提出了一種使用多個(gè)移動(dòng)充電器為傳感器網(wǎng)絡(luò)充電的方法。傳統(tǒng)的只有一個(gè)移動(dòng)充電器，攜帶有限的能量加上行程所需要耗費(fèi)的時(shí)間，很難保證所有傳感器都能在能量耗盡之前被充電。本發(fā)明與傳統(tǒng)一個(gè)充電器相比，使用了多個(gè)移動(dòng)充電器，多個(gè)充電器的協(xié)同工作，增大了充電容量，也能充分縮短網(wǎng)絡(luò)整體的充電時(shí)間，保證了網(wǎng)絡(luò)能夠長久運(yùn)行。

以圖1的分布為例，假設(shè)圖1中的傳感器節(jié)點(diǎn)為當(dāng)前輪次的待充電節(jié)點(diǎn)集，共16個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖中同時(shí)給出了構(gòu)造出的只有一個(gè)移動(dòng)充電器情況下的調(diào)度路線。其中節(jié)點(diǎn)即為傳感器節(jié)點(diǎn)。

假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要被補(bǔ)充的電量為5J，移動(dòng)充電器在路徑上移動(dòng)需要的能耗1J/m。而每個(gè)移動(dòng)充電器所能攜帶的最大能量為80J，按本發(fā)明的方法構(gòu)造出圖2所示的調(diào)度路線。

由圖可知，最少需使用3個(gè)移動(dòng)充電器同時(shí)工作，攜帶的能量則為使用一個(gè)充電器的3倍，而同時(shí)工作使得總體時(shí)間有所縮短，并且保證了此輪次內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)均能補(bǔ)充上能量。

為了便于描述，我們以圖2中場景為實(shí)例，

當(dāng)一個(gè)可充電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入運(yùn)行后，如圖3所示，以如下步驟執(zhí)行：

步驟1：基站作為調(diào)度執(zhí)行主體，設(shè)定一個(gè)閾值α＝10％，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中一旦有傳感器的剩余能量低于α，則轉(zhuǎn)入步驟2，否則將繼續(xù)等待。

步驟2：再設(shè)定另一個(gè)閾值β＝20％，將網(wǎng)絡(luò)中剩余能量小于β值的傳感器作為待充傳感器，加入集合S。例子中集合S里有16個(gè)節(jié)點(diǎn)。

步驟3：以基站為起點(diǎn)，將S中所有傳感器節(jié)點(diǎn)規(guī)劃為一條回路。構(gòu)成回路的方法是，首先找到距離基站最近的傳感器節(jié)點(diǎn)插入回路，編號為1號節(jié)點(diǎn)；在從剩余傳感器節(jié)點(diǎn)中尋找距離1號傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)最近的傳感器節(jié)點(diǎn)插入回路，編號為2號傳感器節(jié)點(diǎn)；依次如此，直到集合S中的所有節(jié)點(diǎn)都加入回路中。規(guī)劃好的路線見圖1，按路徑順序給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)上了編號。

步驟4：計(jì)算集合S中的總充電耗能W為200J，包括集合S中所有節(jié)點(diǎn)所需補(bǔ)充的能量和充電器在路上所消耗的能量。設(shè)每個(gè)充電器所能攜帶的能量P為80J，取充電器個(gè)數(shù)N_c為組數(shù)k，取初始值為3。

步驟5：將集合S中的節(jié)點(diǎn)分為3組，每組中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為6、6、4。沿步驟3規(guī)劃好的順序。

步驟6：將分組1中的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)和第6個(gè)節(jié)點(diǎn)都連上基站，構(gòu)成一條組內(nèi)回路。同樣分組2中的第7個(gè)和第12個(gè)節(jié)點(diǎn)、分組3中的第13和第16個(gè)節(jié)點(diǎn)也連上基站。三組組內(nèi)回路需要重新優(yōu)化。采用模擬退火算法，首先將每組內(nèi)的首尾節(jié)點(diǎn)與基站相連，作為初始路線并計(jì)算該路線長度。隨機(jī)交換兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的順序，重新計(jì)算路線長度，若優(yōu)于交換前，則新路線保留。

步驟7：優(yōu)化后各組內(nèi)總充電耗能分別為60J、78J、70J，均不超過充電器攜帶能量，轉(zhuǎn)入步驟9。

步驟8：將組數(shù)k值增加1，轉(zhuǎn)入步驟5。

步驟9：從基站派出3個(gè)移動(dòng)充電器，分別沿著各個(gè)已規(guī)劃的分組路線進(jìn)行充電。所有移動(dòng)充電器在充電結(jié)束后均回到基站進(jìn)行能量補(bǔ)給并等待下一輪充電。