一种无线传感器网络节点部署及供电方法技术

本发明专利技术涉及一种无线传感器网络节点部署及供电方法，包括构建一个网络连通覆盖的网络节点拓扑结构；根据网络节点拓扑结构利用预设的数据路由路径选择算法确定当前网络节点拓扑结构中能耗热点的位置；根据能耗热点的位置进行可再生能源节点的部署，并将当前网络节点拓扑结构中其他网络节点进行电池节点的部署；根据可再生能源节点的供电状态动态调整电池节点的供电策略。本发明专利技术可再生能源节点数量有限约束下，根据网络能耗热点位置，确定可再生能源节点的数量与位置，完成不同能量源节点的联合部署，并根据可再生能源采集转化的情况，决定不同节点的工作任务与状态，实现网络的持续稳定工作与可再生能源的最大化利用。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络节点部署及供电方法
本专利技术涉及农业信息
，尤其涉及一种无线传感器网络节点部署及供电方法。
技术介绍
农田无线传感器网络方便、精确地获取农业生产的实时环境信息，已经成为指导农业生产，提高作物产量的关键技术。应用无线传感器网络进行农田信息采集时，针对农田面积大、传感器节点众多的特点，如何有效地部署节点成为研究的重点之一。而且现有农田无线传感器网络节点一般采用电池供电方式，电池能量有限，在大规模农田无线传感器网络环境监测应用中，存在节点数量众多，部署面积大，分布不均等问题，使得进行电池更换十分麻烦，但耕作季较长的作物又要求系统必须有较长的寿命，能量供给问题成为制约农田无线传感器网络发展的重要瓶颈问题之一。可再生能源节点是近年来无线传感器网络研究的新思路，在农田环境中太阳能、风能资源丰富，通过可再生能源的引入，可以从根本上解决农田无线传感器网络的能量供给问题。目前节点部署研究主要包括结构化部署和随机部署两种。如何通过一定的布局策略，在尽量不增加节点个数和布设成本的基础上，满足网络的覆盖性和连通性要求，是近年来研究的一个重要方向。而可再生能源节点的引入可以从根本上解决无线传感器网络能耗瓶颈的问题，也成为一个新的研究方向，但该方面的研究主要集中于可再生能源收集转化部分。其中，在现有节点部署研究中，孙玉文等人提出了一种正六边型节点部署方法，利用NS2仿真环境，对正四边形网格、正六边形网络、随机部署的节点覆盖效率以及节点能耗、端到端平均时延等网络性能进行仿真对比，得出各方法间覆盖及网络效率的优劣。但仿真实验场景只针对纯电池供电节点，且并未考虑网络不同位置不同角色节点的非均匀耗能问题。专利技术专利“一种面向精准农业的WSN节点部署方法”(申请号：201310306040.4)将整个WSN网络分成多个一级固定簇头(1)、多个二级簇头(2)、多个传感器节点(3)和Sink节点，其中一级固定簇头属于总线型拓扑结构，依次排列最终与Sink节点相连，每一个固定簇头和多个二级非固定簇头相连通，一个二级非固定簇头和多个传感器节点相连通，一级固定簇头和Sink节点采用太阳能供电以减小能耗和提高可靠性。专利技术专利“基于太阳能电源模块的物联网节点”(申请号：201210428762.2)提供了一种基于太阳能电源模块的物联网节点，包括传感器模块、射频模块、微控制模块和太阳能电源模块，通过引入新的可再生能源，减少或无需更换电池，增加物联网节点的工作时间，大大降低人力、物力成本。现有技术中的节点部署方法均是针对普通电池节点，未考虑可再生能源节点的应用场景；引入可再生能源的研究主要围绕在节点设计层面，充放电管理等内容，并未针对可再生能源以及网络能耗不均的特点进行节点部署以及供电策略优化。此外，目前常用的两类节点部署方法，随机化部署存在着分布不均匀导致的节点利用率不高、易造成区域重复覆盖或覆盖空洞、无法保证网络节点的连通性等问题。结构化部署存在着不灵活，农业生产场景的限制造成部分位置不可布设，以及不适合非均匀环境等问题；现有技术中单纯采用增加节点布设密度来满足网络覆盖率和连通性，则必然造成资源和成本的浪费。而且对于在农田无线传感器网络中引入可再生能源节点的研究目前还处于起步阶段，现有的研究成果主要集中在如何有效的利用农田中易于获取的可再生能源，如太阳能、风能等。设计高效可靠的能量转换、储存电路是研究的热点。现有研究所没有考虑到的问题是，可再生能源的收集转换装置，如太阳能电池板或发电风机等均存在成本较高问题，大规模农田监测节点数量繁多，全部使用可再生能源供电从成本上无法承受。另一方面，农田无线传感器网络节点一般体积小，以减少对农业生产作业的影响，但太阳能电池板或发电风机一般体积较大，大量节点使用不但会影响生产作业，甚至会减少可正常种植的土地面积。现有技术中并无大规模农田应用环境下，结合可再生能源节点的节点部署方法与混合供电策略的相关技术研究，所以对于无线传感器在农业中应用成本的要求，在满足环境监测要求的前提下，如何确定可再生能源节点部署的最适合的位置与数量，以及如何进行能量配置，以达到可再生能源的最大利用，减少电池电量的消耗，从而延长网络整体生存周期是需要研究解决的问题。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是提供一种无线传感器网络节点部署及供电方法，以解决现有技术中如何确定可再生能源节点部署的最适合的位置与数量，以及如何进行能量配置，以达到可再生能源的最大利用，减少电池电量的消耗的问题，从而延长网络整体生存周期。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术提出了一种无线传感器网络节点部署及供电方法，包括：构建一个网络连通覆盖的网络节点拓扑结构；根据所述网络节点拓扑结构利用预设的数据路由路径选择算法确定当前网络节点拓扑结构中能耗热点的位置；根据所述能耗热点的位置进行可再生能源节点的部署，并将所述当前网络节点拓扑结构中其他网络节点进行电池节点的部署；根据所述可再生能源节点的供电状态动态调整所述电池节点的供电策略实现无线传感器网络的混合供电。优选地，所述构建一个网络连通覆盖的网络节点拓扑结构具体包括：根据监测区域面积与节点覆盖范围确定所述网络节点拓扑结构中的节点数量；在所述监测区域内进行网络框架部署得到结构化网络框架；根据所述节点数量对所述结构化网络框架进行节点填充形成所述网络节点拓扑结构。优选地，所述方法还包括：当所述网络节点拓扑结构存在局部空洞或孤立节点时，则增加节点对所述空洞进行空洞修复或对所述孤立节点进行连接。优选地，所述根据所述能耗热点的位置进行可再生能源节点的部署具体包括：在网络总能耗最小的约束条件下确定当前网络节点拓扑结构中可再生能源节点的数量；根据所述可再生能源节点的数量在所述能耗热点的位置利用模拟退火算法确定可再生能源节点的部署位置。优选地，所述根据可再生能源节点的数量在所述能耗热点的位置利用模拟退火算法确定可再生能源节点的部署位置具体包括：在当前网络节点拓扑结构中能耗热点的位置随机选取X个节点作为暂定可再生能源节点，若所述暂定可再生能源节点间存在互为可达邻居的节点，则重新进行节点选取，否则对于所述暂定可再生能源节点中的任一节点Si，记其可达邻居节点个数为Ni，其中与其他暂定可再生能源节点的公共可达邻居节点个数为Ci，若存在Si的邻居节点Sj满足Cj<Ci，则将暂定可再生能源节点的位置由Si调整为Sj，其中，Cj为节点Sj与其他暂定可再生能源节点的公共可达邻居节点个数；若存在多个满足条件的邻居节点Sj、Sm、Sn，则选取其可达邻居节点个数更接近平均簇内节点数量的节点替代节点Si作为新的暂定可再生能源节点的位置，表达式如下：其中，Nj、Nm、Nn为节点Sj、Sm、Sn的可达邻居节点个数，N为部署在监测区域内的节点个数，k为监测区域内成簇数量，N/k为每个簇的平均节点数；重复上述步骤，直到所有可再生能源节点位置不再变化，或达到最大循环次数跳出循环，其中，已被淘汰的暂定可再生能源节点不再参与比较。优选地，所述根据可再生能源节点的供电状态动态调整所述电池节点的供电策略实现无线传感器网络的混合供电具体包括：根据所述可再生能源节点的供电状态对所述可再生能源节点进行状态分类；当进行数据采集时，根据所述可再生能源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络节点部署及供电方法，其特征在于，包括：构建一个网络连通覆盖的网络节点拓扑结构；根据所述网络节点拓扑结构利用预设的数据路由路径选择算法确定当前网络节点拓扑结构中能耗热点的位置；根据所述能耗热点的位置进行可再生能源节点的部署，并将所述当前网络节点拓扑结构中其他网络节点进行电池节点的部署；根据所述可再生能源节点的供电状态动态调整所述电池节点的供电策略实现无线传感器网络的混合供电。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络节点部署及供电方法，其特征在于，包括：构建一个网络连通覆盖的网络节点拓扑结构；根据所述网络节点拓扑结构利用预设的数据路由路径选择算法确定当前网络节点拓扑结构中能耗热点的位置；根据所述能耗热点的位置进行可再生能源节点的部署，并将所述当前网络节点拓扑结构中其他网络节点进行电池节点的部署；根据所述可再生能源节点的供电状态动态调整所述电池节点的供电策略实现无线传感器网络的混合供电；所述根据所述能耗热点的位置进行可再生能源节点的部署具体包括：在网络总能耗最小的约束条件下确定当前网络节点拓扑结构中可再生能源节点的数量；根据所述可再生能源节点的数量在所述能耗热点的位置利用模拟退火算法确定可再生能源节点的部署位置；所述根据可再生能源节点的数量在所述能耗热点的位置利用模拟退火算法确定可再生能源节点的部署位置具体包括：在当前网络节点拓扑结构中能耗热点的位置随机选取X个节点作为暂定可再生能源节点，若所述暂定可再生能源节点间存在互为可达邻居的节点，则重新进行节点选取，否则对于所述暂定可再生能源节点中的任一节点Si，记其可达邻居节点个数为Ni，其中与其他暂定可再生能源节点的公共可达邻居节点个数为Ci，若存在Si的邻居节点Sj满足Cj＜Ci，则将暂定可再生能源节点的位置由Si调整为Sj，其中，Cj为节点Sj与其他暂定可再生能源节点的公共可达邻居节点个数；若存在多个满足条件的邻居节点Sj、Sm、Sn，则选取其可达邻居节点个数更接近平均簇内节点数量的节点替代节点Si作为新的暂定可再生能源节点的位置，表达式如下：其中，Nj、Nm、Nn为节点Sj、Sm、Sn的可达邻居节点个数，N为部署在监测区域内的节点个数，k为监测区域内成簇数量，N/k为每个簇的平均节点数；重复上述步骤，直到所有可再生能源节点位置不再变化，或达到最大循环次数跳出循环，其中，已被淘汰的暂定可再生能源节点不再参与比较。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建一个网络连通覆盖的网络节点拓扑结构具体包括：根据监测区域面积与节点覆盖范围确定所述网络节点拓扑结构中的节点数量；在所述监测区域内进行网络框架部署得到结构化网络框架；根据所述节点数量对所述结构化网络框架进行节点填充形成所述网络节点拓扑结构。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当所述网络节点拓扑结构存在局部空洞或孤立节点时，则增加节点对所述空洞进行空洞修复或对所述孤立节点进行连接。4.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春江，吴华瑞，缪祎晟，李飞飞，陈诚，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11