[發明專利]一種WSNs中基于分簇和能量中繼的移動充電方法

有效

• 申請號: 201711016916.6
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107835499B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 韓光潔;管浩斐;楊璇;劉立
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W16/18;H02J7/00;H02J50/12;H02J50/50
• 代理公司: 32224 南京縱橫知識產權代理有限公司
• 代理人: 董建林;俞翠華

本發明公開了一種WSNs中基于分簇和能量中繼的移動充電方法，首先將全網的節點進行分簇，根據節點的能耗速度、剩余能量和距離基站節點的距離選取簇頭，計算相應簇半徑；簇頭節點也將作為充電器進行能量傳輸和數據收集的駐留點；其次，基站根據節點發送的充電請求，規劃相應的充電路徑，派出充電器為節點充電；簇內的節點通過能量中繼的方式進行有效的能量傳輸；當節點需要緊急充電時，基站會根據多種因素確定響應節點緊急充電請求的充電器。本發明將充電過程與數據收集過程相結合，將數據分為敏感數據和不敏感數據并采取不同的收集策略。本發明能夠平衡網絡中各簇之間的能量消耗，提高充電有效性和網絡的可擴展性，從而最大化網絡的壽命。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡節點能量補充技術領域，具體涉及一種WSNs中基于分簇和能量中繼的移動充電方法。

背景技術

能量問題是制約無線傳感器網絡應用的主要因素之一。一般情況下，無線傳感器網絡中的節點都由電池進行供電，節點有限的電池容量嚴重影響了網絡的生命周期。

近幾年，相關人員在優化節點電池使用時間，延長網絡壽命方面做了很多的研究、研究工作主要分為兩個方面：降低節點的能耗和對節點進行能量補給。其中，降低節點能耗主要是通過降低節點在日常感知、通信方面的開銷以及對路由，數據收集以及睡眠調度等算法的研究與優化來盡可能的延長節點的存活時間。這種方法只能暫時延長網絡的壽命，無法從根本上解決網絡的能耗問題。另一方面是對節點進行能量補給；節點的能量補給方式也有多種，例如：為節點安裝能量收集裝置，使其從周圍的環境中收集能量(例如：太陽能、風能等)。但這種能量補給的方式不穩定，易受到周圍環境因素變化的影響，因此，通過該方式獲得的能量強度比較低。

無線能量傳輸技術的突破性發展為網絡節點能量補給提供了新的方式。相比于上述的能量收集技術，無線能量傳輸技術具有較高的能量傳輸的有效性。通過在節點處安裝無線能量收集裝置，將能量發射裝置部署在可移動的小車或者無人機上充當移動充電器，通過裝置的移動，實現對全網節點的能量補給。通過在無線傳感器網絡中引入無線能量收集技術，可以從根本上解決無線傳感器網絡的能源有限的問題。同時，通過對移動充電器的控制，可以實現對節點可控的充電，例如：規劃節點的充電順序或者實現多個充電器之間的協同合作。

為了提高無線充電技術的充電效率，國內外研究專家提出了許多不同的充電方法，相關的文獻如下：

2014年，Guo等人在《Joint Mobile Data Gathering and Energy Provisioningin Wireless Rechargeable Sensor Networks》中，首次聯合考慮在大規模無線傳感器網絡中充電路徑規劃和充電補給站的定位問題。本文提出的方法將要解決的問題分為三個階段：充電路徑規劃，候補補給站的定位與數量減少，充電路徑的安排。本文提出的算法為了提高移動充電器工作時的有效性，考慮了移動充電器充電周期和節點工作周期之間的關系。已有方法的局限性在于小容量的充電器會更早的結束充電周期，大容量的充電器會在其將其所擁有的能量全部傳給節點之后回到補給站為其自身進行充電。本文提出的方法很好的克服了該局限性。作者提出的算法減少了充電器的數量和充電器在旅途中消耗的時間。

2015年,Xie等人在《Multi-Node Wireless Energy Charging in SensorNetworks》中采用近幾年在磁諧振耦合方面取得的進步來實現同時為多個節點進行充電。作者采用無線充電裝置周期性的在網絡中進行游走，為節點提供無線方式的充電。基于無線充電裝置的充電范圍，作者提出一種蜂窩結構，即將整個二維平面分解成多個相互連接的六邊形晶胞，隨后，進一步對游走的路徑、數據的路由和充電的時間進行聯合的優化，提出一種優化架構。通過采用離散化和線性化再形成技術，提出一種可證明的近似優化的算法，近似算法的精確度也可以得到控制。文章有效的解決無線充電技術中可擴展性性問題。