一种无线传感器网络移动充电模型及路由优化方法技术

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络移动充电模型及路由优化方法，所述充电模型包括：移动充电器、服务站，移动充电器从服务站出发，以恒定速度V运动到预设位置，并通过WET方式为一定范围内的一个或者多个节点进行无线充电，充电完成后，移动充电器回到服务站补充电能，从根本上解决了WSN能量的限制问题，在最大程度上降低节点死亡概率，有效提高网络生命周期的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络移动充电模型及路由优化方法
本专利技术涉及电力通信领域，具体地，涉及一种无线传感器网络移动充电模型及路由优化方法。
技术介绍
在传统WSN(无线传感器网络)中，通常传感器节点电量是由普通电池提供的，能量有限，限制了传感器节点的运行时间，为使得WSN的运行时间尽量长，要保证节点能量得到充分利用。现阶段多数的研究通常集中在能量分配与管理策略的优化方面，但该方式的结果也只是在一定范围内延长WSN的生命周期，节点还是会有停止工作的时候。目前的解决办法就是通过人工更换电池，但在面对难以实现人工更换电池的环境，需要有新的解决办法来保证WSN的持续性与可控性。无线传感器网络技术随着传感器技术、嵌入式技术、现代网络技术和无线通信技术的飞速发展得到广泛应用，由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成网络，节点随机或者特定地部署在待测区域，采集环境信息，实现数据量化、融合和传输，并且相互协调工作完成指定任务。在野外环境监测中，无线传感器节点失效最大可能还是由于自身能源耗尽。
技术实现思路
本专利技术提供了一种无线传感器网络移动充电模型及路由优化方法，从根本上解决了WSN能量的限制问题，在最大程度上降低节点死亡概率，有效提高网络生命周期的技术效果。在现今无线充电技术飞速发展的基础上，可以通过移动充电设施给部署在复杂环境内的传感节点补充电能，从根本上解决了WSN能量的限制问题。可在最大程度上降低节点死亡概率，有效提高网络生命周期。目前无线传感器网络的充电问题的相关研究目前重点在充电策略上，无线的充电设备价格较昂贵，且其自身的移动开销十分大，对此，制定合理有效的充电设备的移动策略及与节点能量的补充方案十分重要。为了尽可能延长WSN的生命周期，可以利用无线充电技术为传感节点充电。本专利技术将在建立无线传感器网络移动充电模型的基础上，研究可充电无线传感器网络(WirelessRechargeableSensorNetwork，WRSN)路由算法，并对其通信可靠性展开研究。为实现上述专利技术目的，本申请提供了一种无线传感器网络移动充电模型，所述充电模型包括：移动充电器、服务站，移动充电器从服务站出发，以恒定速度V运动到预设位置，并通过WET方式为一定范围内的一个或者多个节点进行无线充电，充电完成后，移动充电器回到服务站补充电能。进一步的，以T代表一个能量补充周期，即移动充电器中的无线充电设备在连续两次由服务站出发去充电的间隔时间；在一个能量补充周期T中，WCV有移动状态、充电状态和休整状态三种状态，WCV为无线充电设备；WCV在服务站中进行能量的补充和维修调整即为休整状态，如式1所示：T＝TP+Tvac+∑i∈NTi(1)式中，WCV移动总耗时为Tp，Ti为任意节点i的充电时间，Tvac为WCV在服务站的休整时间，周期性充电模型的优化目标是实现MC休整时间与补充周期比值Tvac/T的最大化。其中，U为各传感器节点的充电接收功率，fki及Gi表示任意节点i单位时间接收和产生的数据量，而发送至其他节点与基站是数据量为fki与fiB，它们遵守如式2表示的数据量守恒约束：则节点i单位时间的能量消耗r为：其中，单位数据能耗为ρ，单位数据由节点i发送至节点j的能耗为Cij，CiB表示单位数据直接送至基站的能耗，其中Cij和CiB与距离有关；Emax为普通节点的最大电池容量，当容量低于Emin时，节点将会停止工作；当网络中所有节点皆正常工作时，节点任意时刻t剩余的能量ei(t)＞Emin，即：Emax-(T-Ti),ri＞Emin,i∈N(4)只有满足在一个周期中节点的能耗等于其充电量时，才能维持节点工作的持续性及周期性：T·ri＝Ti·U,i∈N(5)转化为:T＝Ttsp+Tvac+∑i∈NTi(6)在确定WCV的移动路径之后，通过引入辅助变量来放宽约束条件，将最大充电周期问题转为线性规划问题；传感器节点在充电时，定义节点接收功率不低于阀值δ，WCV可充电范围为Dδ，节点i的充电接收功率U与距离相关：式中，Umax表示WCV充电时最大输出功率，μ(Di)表示充电时能量传输效率，取决于WCV与节点之间的距离；将整个网络划分成以基站为中心，边长为D的正六边形小区，WCV将周期性遍历存在节点的各个小区，并在小区的中心停留，为此小区内的全部节点充电，保证小区内所有节点电能都达到Emax。本申请还提供了一种基于优化改进后LEACH算法的路由优化方法，应用于所述充电模型中，所述方法包括：对传统LEACH算法进行如下优化改进：将被选为簇头的节点连成一条数据传输链，所有传感器节点通过这条簇头链的接力与Sink节点通信；首先Sink节点通过ID号查询距离其最近区域内所有节点，记录所有能与之通信的节点，并选为候选簇头；然后候选簇头向下查询其最近区域内节点，经过多轮查询后，找到所有区域的簇头节点。无线可充电传感网络协议网络平均能耗较低，能够有效延迟首节点死亡时间，延长网络生命周期。其中，路由的建立流程为：步骤1：Sink节点启动路径寻找；步骤2：按无线传感器网路内各传感节点的ID依次进行遍历；步骤3：判断是否遍历完所有节点，若没有遍历完所有节点，则继续步骤2，若遍历完所有节点，则存储所有路径；步骤4：测量数据包丢失数；步骤5：判断是否取得足够经验值；若没有则继续步骤4；若有则找到最优路径，并将此路径范围内的传感节点建立成簇。本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本专利技术在首先建立了无线传感器网络移动充电模型，并分析了可充电无线传感器网络通信性能，在此基础上，以提高WRSN通信可靠性为目标对分簇LEACH协议进行优化设计，提出将簇头节点连成一条数据传输链的路由算法改进方案，并通过仿真对改进的路由算法进行验证分析，仿真结果表明该协议具有良好的数据传输可靠性，适用于可充电无线传感器网络。对无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)能量限制问题，将无线充电技术应用于WSN，建立WSN移动充电模型，并分析造成可充电无线传感器网络通信性能降低的因素，在此基础上提出一种改进的簇头成链路由协议。将网络内所有传感器节点以区域为单位集合成簇，将被选作簇头的节点连成一条数据链进行数据传输。仿真结果表明，该路由协议具有较好的数据传输可靠性和实时性。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定；图1是本申请中WSN移动充电模型的组成示意图；图2是周期性遍历的点对点充电网络模型示意图；图3是周期性遍历小区的点对多点充电示意图；图4是路由的建立流程示意图。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。请参考图1，WSN移动充电模型：无线传感器网络中，传感节点携带有存储容量有限且有无线能量接收装置的可充电电池，节点的最大存储能量为Emax，能量低于Emin时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感器网络移动充电模型，其特征在于，所述充电模型包括：移动充电器、服务站，移动充电器从服务站出发，以恒定速度V运动到预设位置，并通过无线能量传输方式为一定范围内的一个或者多个节点进行无线充电，充电完成后，移动充电器回到服务站补充电能。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络移动充电模型，其特征在于，所述充电模型包括：移动充电器、服务站，移动充电器从服务站出发，以恒定速度V运动到预设位置，并通过无线能量传输方式为一定范围内的一个或者多个节点进行无线充电，充电完成后，移动充电器回到服务站补充电能。2.根据权利要求1所述的无线传感器网络移动充电模型，其特征在于，以T代表一个能量补充周期，即移动充电器中的无线充电设备在连续两次由服务站出发去充电的间隔时间；在一个能量补充周期T中，WCV有移动状态、充电状态和休整状态三种状态，WCV为无线充电设备；WCV在服务站中进行能量的补充和维修调整即为休整状态，如式1所示：T＝TP+Tvac+∑i∈NTi(1)式中，WCV移动总耗时为Tp，Ti为任意节点i的充电时间，Tvac为WCV在服务站的休整时间，周期性充电模型的优化目标是实现MC休整时间与补充周期比值Tvac/T的最大化。3.根据权利要求1所述的无线传感器网络移动充电模型，其特征在于，U为各传感器节点的充电接收功率，及Gi表示任意节点i单位时间接收和产生的数据量，而发送至其他节点与基站是数据量为与fiB，Gi、fiB遵守如式2表示的数据量守恒约束：则节点i单位时间的能量消耗r为：其中，单位数据能耗为ρ，单位数据由节点i发送至节点j的能耗为Cij，CiB表示单位数据直接送至基站的能耗，其中Cij和CiB与距离有关；Emax为普通节点的最大电池容量，当容量低于Emin时，节点将会停止工作；当网络中所有节点皆正常工作时，节点任意时刻t剩余的能量ei(t)＞Emin，即：Emax-(T-Ti),ri＞Emin,i∈N(4)只有满足在一个周期中节点的能耗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司技能培训中心，四川电力职业技术学院，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51