[發(fā)明專利]一種射頻能量捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集及移動能量源均衡化充電方法

在審

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• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107612078A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田賢忠;祝驛楠;何佳存;郭敏;劉高
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H02J50/20;H02J50/90;H04W4/38
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司33241
• 代理人: 王利強

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于可充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種移動射頻能量源均衡化充電方法。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)作為傳感器技術(shù)、微機電技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)交叉集成的熱點研究領(lǐng)域，被認(rèn)為是改變未來世界的十大新興技術(shù)之一，具有成本低、功耗小、抗干擾性強等特點。通過對網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍內(nèi)的環(huán)境屬性和監(jiān)測對象信息的感知、采集和傳輸以及處理，從而獲得詳盡且精確的信息，WSN已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、軍事國防、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點由電池供電，能量容易耗盡，網(wǎng)絡(luò)生存周期較短，限制了其實際應(yīng)用場景。無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)作為目前的研究熱點，通過捕獲外界能量為傳感器供電，以解決上述問題。射頻能量作為最具研究前景的能量之一，節(jié)點可捕獲專用的射頻能量或環(huán)境的射頻能量轉(zhuǎn)化為電能給傳感器的收發(fā)數(shù)據(jù)等正常工作供能。

因為射頻能量源不能無休止地滯留于網(wǎng)絡(luò)中充電，其時延過大將阻礙網(wǎng)絡(luò)通信，所以充電后各節(jié)點的剩余能量將可能直接決定此后網(wǎng)絡(luò)的存活時間。傳統(tǒng)的充電方法中節(jié)點的能量只是達(dá)到最低的工作閾值，但越靠近基站的節(jié)點工作負(fù)荷越大，消耗能量越多，越不容易存活，這很大程度上導(dǎo)致了能量空洞、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存活率低等問題。因此，實現(xiàn)節(jié)點能量的均衡化，將有助于規(guī)避部分節(jié)點能量提前耗盡的情況。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有的射頻能量源充電方式的節(jié)點剩余能量間不均衡、節(jié)點存活率較低、網(wǎng)絡(luò)生命周期較短的不足，本發(fā)明提出一種新的射頻能量捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集與移動射頻能量源均衡化充電方法，以促進(jìn)節(jié)點剩余能量間的平衡，提高節(jié)點存活率，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

本發(fā)明適用于如圖1所示的場景。這里以基站為中心用蜂窩六邊形結(jié)構(gòu)劃分了傳感器監(jiān)測的二維區(qū)域。其中有一個基站、一個無線移動充電小車和若干個傳感器節(jié)點。能量源小車修整結(jié)束后周期性地從基站出發(fā)，由內(nèi)向外按層為傳感器節(jié)點進(jìn)行移動充電，其移動過程中的停留位置在各六邊形網(wǎng)格的中心點，最后回到服務(wù)站。

為了實現(xiàn)上述過程，本發(fā)明提供以下的技術(shù)方案：

一種射頻能量捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集及移動能量源均衡化充電方法，包括如下步驟：

步驟1：用蜂窩正六邊形網(wǎng)格以基站為中心劃分傳感器監(jiān)測區(qū)域，從內(nèi)到外對網(wǎng)格依次分層，將正六邊形的中心位置作為無線充電小車的充電停留點；

步驟2：根據(jù)節(jié)點分布的位置，結(jié)合網(wǎng)格的分層情況，對節(jié)點進(jìn)行分層，然后采取數(shù)據(jù)多跳中繼傳輸?shù)姆绞剑瑥耐鈱拥絻?nèi)層參考均衡式指標(biāo)來選取下一跳節(jié)點；

步驟3：小車從基站出發(fā)，由內(nèi)層向外層運動，根據(jù)節(jié)點工作消耗的能量及分層情況，協(xié)調(diào)分配各層充電停留時間，使得節(jié)點最終剩余的能量盡可能均衡。

進(jìn)一步，所述步驟1的處理過程為：

對于傳感器節(jié)點所處的二維區(qū)域，以基站為中心，采用蜂窩六邊形結(jié)構(gòu)為單位網(wǎng)格劃分，將小車的充電半徑作為六邊形網(wǎng)格的邊長，視基站為第0層，根據(jù)各網(wǎng)格中心點的坐標(biāo)位置可計算出其所屬的層數(shù)。

再進(jìn)一步，所述步驟2的處理過程包括以下分步驟：

步驟21：連接相鄰六邊形的中心點構(gòu)成正三角形，根據(jù)節(jié)點在正三角形內(nèi)的位置信息，參考已分層的網(wǎng)格，對節(jié)點進(jìn)行歸屬分配；

步驟22：各層節(jié)點盡可能選擇向內(nèi)一層節(jié)點中捕獲能量能力強、與當(dāng)前節(jié)點距離近的節(jié)點作為下一跳節(jié)點，以多跳傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)包發(fā)送至基站；

步驟23：計算各節(jié)點發(fā)送和中繼數(shù)據(jù)包消耗的能量。

更進(jìn)一步，所述步驟3的處理過程為：

能量源就緒后，無線充電小車從基站(第0層)出發(fā)，根據(jù)網(wǎng)格的分層情況，沿六邊形路徑由內(nèi)層向外層移動，在各網(wǎng)格的中心點停留充電，同層中各停留點停留充電時間相同。停留充電時間的計算具體包括以下分步驟：

步驟31：將各節(jié)點剩余能量均衡化的問題轉(zhuǎn)化為每相鄰兩層節(jié)點能量均衡化的問題，從最里層開始由內(nèi)向外，得到相鄰兩層節(jié)點充電時間的函數(shù)關(guān)系；

步驟32：計算各層停留點的最優(yōu)時間，并根據(jù)節(jié)點剩余能量最低要求，將最優(yōu)時間與最少所需時間進(jìn)行比較，最終確定合適的停留時間。

本發(fā)明的有益效果為：促進(jìn)節(jié)點剩余能量間的平衡，提高節(jié)點存活率，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

附圖說明

圖1為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型；

圖2為某相鄰兩層網(wǎng)格間節(jié)點的歸屬分層情況示意圖；

圖3為無線充電小車從基站出發(fā)后的移動路徑規(guī)劃示意圖。

具體實施方式