电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法技术

电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法，其核心是一种基于地理位置信息的无线传感器网络自组网路由控制方法。利用非测距定位算法获取节点(充电桩)位置信息。基于自适应动态分簇思想构建层次型网络，针对充电场所的网络环境考虑局部节点密度和节点到Sink(基站)的距离因素，提出一种新的阈值定义方法，提高了网络的负载平衡程度，并且在一定程度上缓解了“热区”问题；为保证大规模网络的连通，引入辅助簇头节点，簇节点与Sink节点间根据信任值进行路由路径选择。最后，在有限次循环后，通过路由优化模型确定了具有区间上限性能指标约束的局部最优路由。本发明专利技术相对于有线架构具有很好的经济效益前景、可有效提高管理系统的组网能力和数据处理能力。

【技术实现步骤摘要】
电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法
：本专利技术涉及一种基于地理位置信息的电动汽车充电桩集群无线通信组网方法，其核心是一种专用无线传感器网络(WSN)自组网路由控制方法，用于满足电动汽车充电桩集群管理系统的数据通信需求，属于无线通信

技术介绍
：如何解决电动汽车(EV)的能源供给问题是电动汽车快速普及面临的关键问题之一。目前，电动汽车的能源供给主要由充电桩充电提供。电动汽车充电桩在提供安全、高效的充电服务的基础上，需要通过先进的技术手段对同一区域多个充电桩进行集中监视和统一经营管理，提供完善的集群管理系统，以推动电动汽车产业的发展。电动汽车充电桩集群中存在充电机、配电设备以及保护测控装置等多种监控设备，集群管理系统是联系电动汽车和集群管理中心、电力调度中心的信息汇集点，需要对参数配置、监控设备状态及充电过程实时信息等进行集成、分析，信息量大，对通信的可靠性和实时性要求高，故高效的信息交互是系统合理运行的关键因素。相对于传统有线通信方式，基于无线传感器网络的集群管理系统通信组网方式以其特有的快速自组织能力和优越的扩展性、自适应性，方便实现灵活高效、快捷安全的充电服务，是电动汽车充电桩集群管理系统的理想通信方式。然而，传统的无线传感器网络路由控制方法不适于无能量约束的网络环境，此时网络面临的挑战不再是尽可能减小能耗和延长网络生存时间，而在于最大化网络的性能。目前还没有一种路由控制方法能够满足所有需求，国内外学者对无线传感器网络路由控制方法的研究都是针对特定网络环境的。HuangH.等提出EIGR控制方法，考虑位置信息和收发功率做转发策略，在时延和包递交率方面表现优异。苗世洪等针对配电线路提出借助多路径可靠信息路由机制满足网络可靠性要求，路径选择时主要考虑了信道质量和传感器节点到Sink节点的跳数，保证了数据的快速传输，但网络吞吐量无法保证；Preetika等分析了利用无线传感器网络进行电动汽车的能量管理以及实现信息系统管理和电子计费的可行性，采用Cluster-Tree路由与AODVjr路由结合的方法，提高了算法性能，但只适用于规模较小的网络，路由路径也未必是最佳的。孙伟等人指出配电网中节点采用市电供电，不存在能量供给问题，提出了一种基于分层无线传感器网络拓扑和链路质量的路由控制方法，利用分层多路径平衡负载，为配电设备提供低错包率、短时延的数据通信服务，但算法对网络拓扑结构变化不敏感、不能保证全部节点入网。为解决上述问题，实现各充电桩与管理中心之间通过无线传感器网络进行高效的数据交互，需要重点研究适于电动汽车充电桩集群管理系统的高效无线传感器网络自组网路由控制方法。
技术实现思路
：本专利技术要克服基于有线架构的传统集群管理方式中布线、调试及后期维护、变更上耗费巨大人力物力的弊端，旨在提高管理系统组网能力和数据处理能力，基于集群管理系统的通信需求，探讨适宜的无线通信组网方案，设计了电动汽车充电桩集群管理系统的双层组网通信架构，该架构以区域为单位，区域具体表现为城市中某个充电站，每个区域配置一组无线传感器网络，用于各充电桩与集群管理中心的数据交互，并提供一种用于电动汽车充电桩集群管理系统的无线传感器网络自组网路由控制方法；各区域与集群管理中心间通过GPRS专网方式连接，分层上传数据。本专利技术为实现各充电桩与管理中心之间进行高效、实时的数据交互，提高充电桩集群的服务质量，提出一种电动汽车充电桩集群无线通信组网方法，如附图1所示，技术方案的具体过程如下：1、确定EV充电桩集群规模(充电桩数目N)及分布区域(长度lt和宽度wt)、节点通信距离R，Sink节点位于区域边缘；2、为保证所有充电桩入网，引入辅助簇头节点，根据传感区域大小及节点通信距离确定需要部署的辅助簇头节点的个数及位置；3、节点地理位置信息的获取非测距定位算法：算法仅需要一个移动信标，假设节点的感知距离为Rs，信标节点以速率Vm从(-Rs，-Rs)到(lt+Rs，wt+Rs)沿直线作间隔为lI的往返运动，并以频率fB周期性地广播包含当前位置信息的数据分组；在移动的过程中，当某一待定位节点S距离信标节点Rs时，那么此时信标的位置信息即可参与节点S的定位；实际中，由于信标节点的硬件与定位时间的限制，信标节点广播分组的间隔不会是无穷小的，并且节点的无线电广播范围呈现出一定的不规则程度(DOI)，如附图2所示，因此被认为距离待定位节点为Rs的位置实际与待定位节点的距离为R′s，存在着一定的误差，即当(1-DoI)Rs≤R′s≤(1+DoI)Rs时，就认为待定位节点与信标节点距离为Rs，此刻信标节点的位置信息可以作为定位S的参考坐标之一；为提高定位精度，本专利技术采用节点休眠机制使待定位节点处于参与定位的三个位置组成的三角形内，然后利用极大似然法估算节点位置；如附图2所示，定位过程中节点S共接收信标消息4次，第一次接收的位置信息为A1，此时不记录位置信息直接休眠，休眠时间为t1，假设节点S休眠t1后首次接收的位置信息为A2，记录位置信息，然后休眠t2，以此类推，记录过A4之后则不再接收信标节点的信息分组；各阶段的休眠时间为：式中，Tl为从区域D的一侧沿直线运动到另一侧花费的时间，rand用于生成(0，1)间的随机数；当待定位节点S(x，y)通过休眠机制接收到三个位置信息：A2(x2，y2)、A3(x3，y3)、A4(x4，y4)时有：上式转化为AX＝b形式的线性方程组使用标准的最小均方差估计法可以得到待定位节点的坐标为：4、对阈值Tn的定义Tn＝2pλe(-λ)[(-k)log(1+kδ)](5)其中p是节点被选为簇头的概率，这里认为每台充电桩对应一个节点，N为传感网络中节点总数，dA→B为节点A到节点B的距离，A、B可表示各类型节点，sn表示传感节点，dmax为区域中节点到Sink节点的最远距离，k、α和λmin为特定参数；5、普通节点加入簇中的过程此阶段，每个节点随机选择(0,1)中的一个值，如果选定的值小于特定阈值Tn，那么该节点将利用CSMA-MAC协议广播ADV消息，宣布自己当选本轮簇头，普通节点根据公式(6)决定加入哪个簇，成为该簇的一个成员，并通知簇头；式中Si表示普通节点，QCj表示簇头为Cj的簇，Ui表示在节点Si通信范围内的簇头节点集合，NCn为以Cn为簇头的簇成员数；式(6)表示普通节点加入簇时，不仅考虑距离，还考虑与之连通的各簇的规模；6、自组网路由控制方法附图3所示的是某传感网络的拓扑结构示意图，簇结构中的簇头以TDMA的方式为簇内成员节点安排发送数据的次序，簇头在必要的去冗余之后，采用CSMA/CA机制将数据沿簇间路径传送至Sink节点；簇间数据的传输采用基于信任值启发的多跳路由机制，簇间路径的选择遵循规则1；规则1.选择的下一跳是偏离源节点和目的节点之间连线最小、距离目的节点最近并与当前节点连通的节点；路由确定过程框图如附图4所示，具体过程如下：6.1路径选择过程从源节点Ci开始，令Ci＝CNh(下一跳节点)，确定CNh的邻接簇节点(簇头节点和辅助簇头节点)集合并判断Sink节点是否在中，若在，跳转至步骤6.3，否则计算CNh的信任值矩阵：KNh,j表示节点CNh赋予节点Cj的信任值，由关于距离的函数来度量，其计算如式(8本文档来自技高网...

【技术保护点】
根据所确定的电动汽车(EV)充电桩集群管理系统双层组网通信架构，电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、确定EV充电桩集群规模(充电桩数目N)及分布区域D(长度lt和宽度wt)、节点通信距离R，Sink节点位于区域边缘；步骤2、为保证所有充电桩入网，引入辅助簇头节点，根据传感区域大小及节点通信距离确定需要部署的辅助簇头节点的个数及位置；步骤3、节点地理位置信息的获取非测距定位算法：算法仅需要一个移动信标，假设节点的感知距离为Rs，信标节点以速率Vm从(‑Rs，‑Rs)到(lt+Rs，wt+Rs)沿直线作间隔为lI的往返运动，并以频率fB周期性地广播包含当前位置信息的数据分组；在移动的过程中，当某一待定位节点S距离信标节点Rs时，那么此时信标的位置信息即可参与节点S的定位；实际中，由于信标节点的硬件与定位时间的限制，信标节点广播分组的间隔不会是无穷小的，并且节点的无线电广播范围呈现出一定的不规则程度(DOI)，因此被认为距离待定位节点为Rs的位置实际与待定位节点的距离为R′s，存在着一定的误差，即当(1‑DoI)Rs≤R′s≤(1+DoI)Rs时，就认为待定位节点与信标节点距离为Rs，此刻信标节点的位置信息可以作为定位S的参考坐标之一；为提高定位精度，本专利技术采用节点休眠机制使待定位节点处于参与定位的三个位置组成的三角形内，然后利用极大似然法估算节点位置；定位过程中节点S共接收信标消息4次，第一次接收的位置信息为A1，此时不记录位置信息直接休眠，休眠时间为t1，假设节点S休眠t1后首次接收的位置信息为A2，记录位置信息，然后休眠t2，以此类推，记录过A4之后则不再接收信标节点的信息分组；各阶段的休眠时间为：t1=0.25RslITl+2(-Rs)log(1-rand)(lt+2Rs)fB/VmTlt2=2Rs2-(Rs-3lI)2-RsDoIlt+2RsTlt3=(2RslI-0.25RslI-RsDoIlI)Tl---(1)]]>式中，Tl为从区域D的一侧沿直线运动到另一侧花费的时间，rand用于生成(0，1)间的随机数；当待定位节点S(x，y)通过休眠机制接收到三个位置信息：A2(x2，y2)、A3(x3，y3)、A4(x4，y4)时有：(x2-x)2+(y2-y)2=Rs2(x3-x)2+(y3-y)2=Rs2(x4-x)2+(y4-y)2=Rs2---(2)]]>上式转化为AX＝b形式的线性方程组A=2(x2-x4)2(y2-y4)2(x3-x4)2(y3-y4)b=x22-x42+y22-y42x32-x42+y32-y42X=xy---(3)]]>使用标准的最小均方差估计法可以得到待定位节点的坐标为：X^=ATA-1ATb---(4)]]>步骤4、对阈值Tn的定义Tn＝2pλe(‑λ)[(‑k)log(1+kδ)]    (5)其中p是节点被选为簇头的概率，这里认为每台充电桩对应一个节点，N为传感网络中节点总数，dA→B为节点A到节点B的距离，A、B可表示各类型节点，sn表示传感节点，dmax为区域中节点到Sink节点的最远距离，k、α和λmin为特定参数；步骤5、普通节点加入簇中的过程此阶段，每个节点随机选择(0,1)中的一个值，如果选定的值小于特定阈值Tn，那么该节点将利用CSMA‑MAC协议广播ADV消息，宣布自己当选本轮簇头，普通节点根据公式(6)决定加入哪个簇，成为该簇的一个成员，并通知簇头；Si∈QCj⇔(R≥dSi→Cj)∀k≠j,Si∉QCk∀Cn∈Ui,NCn≥NCj---(6)]]>式中Si表示普通节点，QCj表示簇头为Cj的簇，Ui表示在节点Si通信范围内的簇头节点集合，NCn为以Cn为簇头的簇成员数；步骤6、自组网路由控制方法簇结构中的簇头以TDMA的方式为簇内成员节点安排发送数据的次序，簇头在必要的去冗余之后，采用CSMA/CA机制将数据沿簇间路径传送至Sink节点；簇间数据的传输采用基于信任值启发的多跳路由机制，簇间路径的选择遵循规则1：规则1.选择的下一跳是偏离源节点和目的节点之间连线最小、距离目的节点最近并与当前节点连通的节点；路由确定的具体过程如下：6.1路径选择过程从源节点Ci开始，令Ci＝CNh(下一跳节点)，确定CNh的邻接簇节点(簇头节点和辅助簇头节点)集合并判断Sink节点是否在中，若在，跳转至步骤6.3，否则计算CNh的信任值矩阵：KNh=KNh,1KNh,2...KNh,|ΓCNh|=(KNh,j)1×|...

【技术特征摘要】
1.电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、确定EV充电桩集群规模及分布区域D、节点通信距离R，Sink节点位于区域边缘，EV充电桩集群的充电桩数目N，分布区域D的长度lt和宽度wt；步骤2、为保证所有充电桩入网，引入辅助簇头节点，根据传感区域大小及节点通信距离确定需要部署的辅助簇头节点的个数及位置；步骤3、节点地理位置信息的获取非测距定位算法：算法仅需要一个移动信标，假设节点的感知距离为Rs，信标节点以速率Vm从(-Rs，-Rs)到(lt+Rs，wt+Rs)沿直线作间隔为lI的往返运动，并以频率fB周期性地广播包含当前位置信息的数据分组；在移动的过程中，当某一待定位节点S距离信标节点Rs时，那么此时信标的位置信息即可参与节点S的定位；实际中，由于信标节点的硬件与定位时间的限制，信标节点广播分组的间隔不会是无穷小的，并且节点的无线电广播范围呈现出一定的不规则程度(DOI)，因此被认为距离待定位节点为Rs的位置实际与待定位节点的距离为Rs'，存在着一定的误差，即当(1-DoI)Rs≤Rs'≤(1+DoI)Rs时，就认为待定位节点与信标节点距离为Rs，此刻信标节点的位置信息可以作为定位S的参考坐标之一；为提高定位精度，本发明采用节点休眠机制使待定位节点处于参与定位的三个位置组成的三角形内，然后利用极大似然法估算节点位置；定位过程中节点S共接收信标消息4次，第一次接收的位置信息为A1，此时不记录位置信息直接休眠，休眠时间为t1，假设节点S休眠t1后首次接收的位置信息为A2，记录位置信息，然后休眠t2，以此类推，记录过A4之后则不再接收信标节点的信息分组；各阶段的休眠时间为：式中，Tl为从区域D的一侧沿直线运动到另一侧花费的时间，rand用于生成(0，1)间的随机数；当待定位节点S(x，y)通过休眠机制接收到三个位置信息：A2(x2，y2)、A3(x3，y3)、A4(x4，y4)时有：上式转化为AX＝b形式的线性方程组使用标准的最小均方差估计法可以得到待定位节点的坐标为：步骤4、对阈值Tn的定义Tn＝2pλe(-λ)[(-k)log(1+kδ)](5)其中p是节点被选为簇头的概率，这里认为每台充电桩对应一个节点，dA→B为节点A到节点B的距离，A、B可表示各类型节点，sn表示传感节点，dmax为区域中节点到Sink节点的最远距离，k、α和λmin为特定参数；步骤5、普通节点加入簇中的过程此阶段，每个节点随机选择(0,1)中的一个值，如果选定的值小于特定阈值Tn，那么该节点将利用CSMA-MAC协议广播ADV消息，宣布自己当选本轮簇头，普通节点根据公式(6)决定加入哪个簇，成为该簇的一个成员，并通知簇头；

【专利技术属性】
技术研发人员：张有兵，杨晓东，梁晓莉，周文委，谢路耀，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33