[發(fā)明專利]一種面向智能服裝的能量管理和網(wǎng)絡(luò)性能的聯(lián)合優(yōu)化方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310005587.4
• 申請日: 2023-01-04
• 公開（公告）號: CN116321040A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張磊;高震宇;林潘悅;于靜偉;朱彥錦
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W24/02;H04W28/24;H04W40/08;H04W40/12;H02J7/32;H02N1/04;H02J50/20
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;柏子雵

本發(fā)明公開了一種面向智能服裝的能量管理和網(wǎng)絡(luò)性能的聯(lián)合優(yōu)化方法。本發(fā)明采用節(jié)能方案和能量收集方案相結(jié)合，提高裝置的能源效率，另一方面通過智能服裝中各傳感節(jié)點工作占空比自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，權(quán)衡了智能服裝的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和長時續(xù)航可用性。具體到各種人體姿態(tài)轉(zhuǎn)移狀態(tài)下，考慮了在混合能量收割加持下的系統(tǒng)能量消耗和電池放電折損，同時針對無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，計算了不同姿態(tài)下的路徑損耗和時間延遲。本發(fā)明首次探索了典型人體姿態(tài)下，將路徑損耗、能耗、時延和電池?fù)p耗結(jié)合成一個整體的聯(lián)合優(yōu)化問題，并提供了有效的解決方案。人體姿態(tài)對智能服裝的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)性能具有顯著影響，及本發(fā)明提出的聯(lián)合優(yōu)化策略的有效性及可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種面向基于可穿戴傳感系統(tǒng)的智能服裝的能量管理和網(wǎng)絡(luò)性能的聯(lián)合優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

基于可穿戴傳感系統(tǒng)的智能服裝作為物聯(lián)網(wǎng)和無線體域網(wǎng)的關(guān)鍵應(yīng)用，面臨著人體動態(tài)性、能量有限性和數(shù)據(jù)可靠性等一系列挑戰(zhàn)。人體是一種復(fù)雜的媒介，其中身體組織和運動都影響節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸。人體頻繁運動引起的陰影效應(yīng)和信道衰落，對服務(wù)質(zhì)量有著顯著影響。智能服裝服務(wù)的場景中，往往存在傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁改變、電池能量有限、同時反復(fù)充電不便等問題，因此，網(wǎng)絡(luò)成本和能源效率的問題是智能服裝的開發(fā)和應(yīng)用中必須解決的技術(shù)難題。目前，最有效的技術(shù)手段和解決方案是從周圍環(huán)境中收集能量，以緩解可穿戴電池的續(xù)航問題。一方面，基于能源收割(Energy?Harvesting)技術(shù)產(chǎn)生的能量，可以存儲在電容器或可充電電池中，以保持設(shè)備的正常運行，不僅可以節(jié)省電池更換的維護(hù)成本，而且可以進(jìn)一步提高使用體驗。同時，采用混合的能源收割方案，不僅可以獲取比單一能量收集更多的能量，而且多通道的能量收集也提高了系統(tǒng)供能的可靠性。另一方面，智能服裝本身可以提供相應(yīng)的節(jié)能解決方案，進(jìn)一步提升能源轉(zhuǎn)換效率，增強智能服裝的續(xù)航。例如，對智能服裝內(nèi)嵌的傳感器采用動態(tài)休眠機制，通過調(diào)整傳感節(jié)點的占空比以減少能源消耗。

目前，智能服裝中傳感器節(jié)點的異構(gòu)性以及環(huán)境和個體姿態(tài)差異的影響并沒有被廣泛研究，而這對于節(jié)點之間的通信鏈路質(zhì)量以及節(jié)點采集的能量都有較大影響。少量工作集中于智能可穿戴設(shè)備中的能源消耗、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計和電池的健康度等單一要點的研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：構(gòu)建能量管理策略，通過節(jié)約能耗策略與能源收割技術(shù)相結(jié)合，以有效地解決智能服裝能量受限問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種面向智能服裝的能量管理和網(wǎng)絡(luò)性能的聯(lián)合優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、基于可穿戴傳感系統(tǒng)，構(gòu)建一個通用的智能服裝模型，在該智能服裝模型中，無線傳感節(jié)點分布在人體的關(guān)鍵部位，用于監(jiān)測人體生理特征，同時，在該智能服裝模型中有中央節(jié)點，用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)無線傳感節(jié)點采集的生理數(shù)據(jù)；

步驟2、定義智能服裝在日常應(yīng)用場景中穿戴主體的典型人體姿態(tài)，并建立姿態(tài)狀態(tài)選擇的馬爾可夫模型；

步驟3、設(shè)置中央節(jié)點配置射頻能量收割模塊和服裝關(guān)節(jié)部位的功能面料摩擦納米發(fā)電機，同時進(jìn)行射頻和摩擦發(fā)電機輸出的混合能量收集，對智能服裝中的可充電電池進(jìn)行充電，由可充電電池為各個無線傳感節(jié)點供電；

步驟4、建立能量消耗模型，并充分考慮智能服裝穿戴主體姿態(tài)的變化對摩擦電能的功率采集的相關(guān)性，則無線傳感節(jié)點i總能量消耗E_i由下式計算：

式中，π_m表示人體處于第m姿態(tài)下的概率、E_sleep表示睡眠模式下的能耗、表示第m姿態(tài)下無線傳感節(jié)點i的功耗；

所有無線傳感節(jié)點的能量消耗E_Total描述為下式：

式中，N為無線傳感節(jié)點的數(shù)量；