本發(fā)明涉及無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)供能領(lǐng)域，具體說來是一種wrsns中結(jié)合數(shù)據(jù)路由的充電方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wsns)的研究源于上個世紀(jì)70年代，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。近年來隨著無線通信技術(shù)、微芯片制造等技術(shù)的發(fā)展，wsns受到世界范圍內(nèi)的關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于城市設(shè)施監(jiān)測、智能電網(wǎng)監(jiān)測、智能交通、災(zāi)難救助及人體健康監(jiān)測等方面。這些應(yīng)用對傳感器網(wǎng)絡(luò)提出一個共同的要求，即傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠持續(xù)有效地工作。特別是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或自然環(huán)境惡劣地區(qū)，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常很久才會得到維護(hù)和更新，甚至自動部署沒有人工參與。為了能夠完成監(jiān)測任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)還需要保持連通性、覆蓋性等要求，這對傳感器節(jié)點的能量維持提出了巨大的挑戰(zhàn)。由于傳感器節(jié)點通常體積較小，能夠攜帶的電池電量較少，因此，能量問題已成為傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一大瓶頸，是任何無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都必須面臨的挑戰(zhàn)。

無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)(wrsns)近年來已成為延長網(wǎng)絡(luò)壽命的一種有效方法，而如何制定一種有效的充電算法成為wrsns的研究重點。關(guān)于wrsns充電算法的研究已有很多：daihaipeng等人在文章“usingminimummobilechargerstokeeplarge-scalewirelessrechargeablesensornetworksrunningforever”中利用多個單對單充電的無線充電器為網(wǎng)絡(luò)提供能量，并首次提出最少化無線充電器個數(shù)的問題，即給定無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)和單個無線充電器參數(shù)，確定最少所需的充電器個數(shù)及其充電方案，從而保證所有傳感器節(jié)點永久運(yùn)行。heshibo等人在文章“energyprovisioninginwirelessrechargeablesensornetworks”中以工業(yè)無線感知識別平臺與射頻讀寫器為基礎(chǔ)，研究了如何部署多個充電器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋問題，提出了點供應(yīng)與路徑供應(yīng)兩種算法，得出按等邊三角形部署充電節(jié)點時覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)所需的充電節(jié)點個數(shù)最少。hanguangjie等人在文章“impactsoftravelingpathsonenergyprovisioningforindustrialwirelessrechargeablesensornetworks”中同樣以無線感知識別平臺為基礎(chǔ)，比較了將四種移動信標(biāo)覆蓋曲線scan、hilbert、z-curve和s-curves作為充電器移動路徑時充電性能的差異，并對s-curves以直線代替曲線簡化后得到s-curves(ad)，仿真實驗證明了s-curves(ad)在各項評價指標(biāo)中均優(yōu)于其他曲線。

綜上可見，現(xiàn)有的充電算法雖然很好地解決了大多數(shù)wrsns的供能問題，但大多計算復(fù)雜度高，不適用于大規(guī)模的wrsns。而且大多數(shù)研究未考慮節(jié)點的數(shù)據(jù)路由方式對充電算法設(shè)計的影響。一種適用于大規(guī)模wrsns的結(jié)合數(shù)據(jù)路由的充電方法的提出迫在眉睫。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了解決wrsns中節(jié)點能量供應(yīng)問題，本發(fā)明綜合利用了無線充電器特性與路由方法的相互作用，最大程度上實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的能量均衡。

技術(shù)方案：一種wrsns中結(jié)合數(shù)據(jù)路由的充電方法，包括以下步驟：

(1)利用等邊三角形的強(qiáng)覆蓋性，將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個等邊三角形單元，并設(shè)置無線充電器的駐留點位置在各等邊三角形單元的頂點處；

(2)根據(jù)無線充電器的充電特性設(shè)計網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)路由方法，使得能量接收功率高的節(jié)點承擔(dān)較多的通信任務(wù)；

(3)根據(jù)數(shù)據(jù)路由方法帶來的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗差異設(shè)計充電算法，使得能耗速度快的節(jié)點獲得更多的充電時間。

所述的步驟(1)中的網(wǎng)絡(luò)具有部署范圍廣且部署環(huán)境惡劣的特點。

所述的步驟(1)中的無線充電器采用磁耦合諧振技術(shù)實現(xiàn)無線充電，節(jié)點接收功率pr與無線充電器的發(fā)射功率ps之間滿足其中α和β是充電參數(shù)，d表示無線充電器與節(jié)點之間的距離。

所述的步驟(2)中的充電特性為：離駐留點位置越近的節(jié)點，能量接收功率越高。

所述的步驟(2)中的數(shù)據(jù)路由方法具體包括以下步驟：

1)可與基站直接通信的節(jié)點，即與基站距離小于節(jié)點通信范圍rc的節(jié)點，選擇基站作為下一跳節(jié)點，并將采集的數(shù)據(jù)包直接傳遞給基站；

2)不可與基站直接通信的節(jié)點，選擇離基站比自身近的鄰居節(jié)點中能量接收功率最高的作為下一跳節(jié)點，并傳遞采集的數(shù)據(jù)包；

所述的步驟1)中的基站設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)的中心位置；

所述的步驟(3)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗差異表現(xiàn)為：越靠近基站的節(jié)點平均能耗速度越快且能耗速度標(biāo)準(zhǔn)差越大；

所述的步驟(3)中的充電算法具體包括以下步驟：

1)連接無線充電器的駐留點，形成n個六邊形路徑的充電層，其中駐留點的間隔為d0；

2)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)總充電時間t；

3)依據(jù)各六邊形路徑充電層內(nèi)節(jié)點的平均能耗速度為各層分配充電時間，使得各層每次駐留的時間tln與該層節(jié)點平均能耗速度γln成正比，即

n1tl1+n2tl2+...+nntln＝t

其中n表示充電層個數(shù)，nn表示第n層的駐留點個數(shù)；

4)將可以基站直接通信的充電層劃分為內(nèi)層，則內(nèi)層共包含個充電層，由于內(nèi)層節(jié)點的能耗速度差異大，所以對內(nèi)層所有節(jié)點采取逐個遍歷充電的方法，使得每個節(jié)點的充電時間tsm與該節(jié)點能耗速度γsm成正比，并保持內(nèi)層總充電時間不變，即

其中m表示內(nèi)層節(jié)點個數(shù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的工作流程圖；

圖2為本發(fā)明方法的充電路徑示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

圖1為一種wrsns中結(jié)合數(shù)據(jù)路由的充電方法的工作流程圖；

如圖1所示，一種wrsns中結(jié)合數(shù)據(jù)路由的充電方法的工作流程為：

(1)利用等邊三角形的強(qiáng)覆蓋性，將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個等邊三角形單元，并設(shè)置無線充電器的駐留點位置在各等邊三角形單元的頂點處；

(2)根據(jù)無線充電器的充電特性設(shè)計網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)路由方法，使得能量接收功率高的節(jié)點承擔(dān)較多的通信任務(wù)：

1)可與基站直接通信的節(jié)點，即與基站距離小于節(jié)點通信范圍rc的節(jié)點，選擇基站作為下一跳節(jié)點，并將采集的數(shù)據(jù)包直接傳遞給基站；

2)不可與基站直接通信的節(jié)點，選擇離基站比自身近的鄰居節(jié)點中能量接收功率最高的作為下一跳節(jié)點，并傳遞采集的數(shù)據(jù)包；

(3)根據(jù)數(shù)據(jù)路由方法帶來的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗差異設(shè)計充電算法，使得能耗速度快的節(jié)點獲得更多的充電時間：

1)連接無線充電器的駐留點，形成n個六邊形路徑的充電層，其中駐留點的間隔為d0；

2)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)總充電時間t；

3)依據(jù)各六邊形路徑充電層內(nèi)節(jié)點的平均能耗速度為各層分配充電時間，使得各層每次駐留的時間tln與該層節(jié)點平均能耗速度γln成正比，即

n1tl1+n2tl2+...+nntln＝t

其中n表示充電層個數(shù)，nn表示第n層的駐留點個數(shù)；

4)將可以基站直接通信的充電層劃分為內(nèi)層，則內(nèi)層共包含個充電層，由于內(nèi)層節(jié)點的能耗速度差異大，所以對內(nèi)層所有節(jié)點采取逐個遍歷充電的方法，使得每個節(jié)點的充電時間tsm與該節(jié)點能耗速度γsm成正比，并保持內(nèi)層總充電時間不變，即

其中m表示內(nèi)層節(jié)點個數(shù)；

圖2為一種wrsns中結(jié)合數(shù)據(jù)路由的充電方法的充電路徑示意圖；

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在三個充電層，且內(nèi)層包含一個充電層時，充電路徑如圖2所示。圖中，黑色箭頭表示充電器的移動路徑。充電器對靠近基站的節(jié)點采取逐個遍歷的方式進(jìn)行充電，而對遠(yuǎn)離基站、能耗小且能耗差異小的節(jié)點采用六邊形路徑進(jìn)行充電。由于在大范圍wrsns中，遠(yuǎn)離基站的同一充電層內(nèi)，節(jié)點與基站的距離相近，能耗速度也相近，所以設(shè)置同一層內(nèi)每次駐留時間相同，從一定程度上減少了充電時間分配計算的復(fù)雜度，而對于靠近基站的充電層，由于節(jié)點能耗差異大，對各節(jié)點采取逐個遍歷充電的方法能有效削弱基站附近節(jié)點能量不均的問題。這種分層充電的做法，不僅保證了靠近基站的節(jié)點的能量均衡，也保證了網(wǎng)絡(luò)充電時間分配計算的復(fù)雜度較小。