一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，首先建立节点能量消耗率预测模型；基于传感器节点的能量消耗率以及到移动充电器MC的距离选择充电节点；通过该充电节点建立一个往返服务站的虚拟封闭路径，利用基于节点剩余能量以及能耗率的充电路径可行性判断封闭路径的可行性，如果路径可行而且充电节点剩余能量可以维持到MC对其充电则执行，否则重新选择充电节点；建立节点自适应充电阈值模型，当充电电量达到最大阈值时，MC离开；当建立的虚拟封闭路径不可行或网络中没有节点需要充电时，MC返回服务站补充能量；实时的充电路径更能适应能耗动态发生变化的网络，故本发明专利技术在存活节点数和充电效率方面能够取得更好的调度性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法
本专利技术涉及无线传感器网络领域，具体地涉及一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法。
技术介绍
无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时监测，感知采集区域内监测对象的信息，而无线传感器网络所面临的最大问题是传感器节点能量不足，频繁更换电池高成本的问题。无线充电技术的兴起为节点补充能量提供了一种可供选择的新方式，而无线充电技术所面临最主要的问题就是对节点进行能量补充，以保证网络具有较长生命期。为解决上述问题，目前研究人员做了很多工作，这些工作根据充电周期可以划分为两大类：周期充电和按需充电。定期充电是指网络中的移动充电器以预先设定的路径定期给传感器节点充电。对于预先路径设定这一问题，目前大多数研究是将其转换为TSP问题以找到最佳移动路径。由于节点直接与周围环境相互作用，因此节点的能量消耗表现出高度的动态性。在周期充电方式中，预先设定的运动轨迹往往不能很好地适应动态变化的能量消耗，所以提出了按需充电方式。按需充电是指当节点剩余能量达到最低阈值时即发出充电请求，然后移动充电器会根据收到的充电请求按需给需要充电的节点进行能量补充。在该充电方式中一般考虑的是移动充电器使用何种序列给需要充电的节点进行能量补充。LinC等人的“TADP:Enablingtemporalanddistantialpriorityschedulingforon-demandchargingarchitectureinwirelessrechargeablesensornetworks，JournalofSystemsArchitecture,70:26-38.2016”。一种时间和空间结合的方式被提出来给网络中需要充电的节点进行充电，从移动充电器到各个节点之间的距离和每个节点剩余能量共同决定充电调度方式。该方案首先通过节点离充电小车的距离和节点剩余能量能够维持工作时长确定出各节点的充电优先级，然后从所有发出充电请求的节点中选出优先级最高的一个节点进行充电。当移动充电器每次服务完一个节点后，再次通过剩余节点当前的状态值来重新确定各节点充电优先级，持续这一选择过程直到没有充电请求。在优先级选择时，当有两个节点优先级相同的情况下，通过空间密度来调度节点的充电顺序。但是现存的采用按需充电方式的研究中，在决定节点的充电顺序时没有考虑到节点的能量消耗情况，导致能量消耗大的节点由于等待充电时间过长而导致节点死亡，从而网络整体生命期缩短。除此之外，一些按需充电的研究中都假定移动充电器的能量是无限的，因此没有考虑移动充电器移动所消耗的能量，这在实际应用中是不可取的。
技术实现思路
本专利技术旨在针对上述现有方法存在的问题，提出一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度算法。主要通过对节点能量消耗率进行建模得到不同节点的能量消耗率。基于能量消耗率和距离选择充电节点并建立充电节点返回服务站的虚拟封闭路径，然后利用基于节点剩余能量以及能量消耗率的充电路径可行性判断条件判断封闭路径的可行性，若路径可行且节点剩余能量足够维持到移动充电器MobileCharger(MC)对其充电，则MC移动至节点对其充电直到达到自适应充电阈值。该算法有效减少了死亡节点数，在充电效率方面有较好的性能，延长了网络生命期。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，包括以下步骤：步骤一、根据节点在一定时间内的能量消耗率信息，建立节点能量消耗率预测模型；步骤二、根据步骤一得到的模型，得到节点能量消耗率，然后结合节点到移动充电器MobileCharger即MC的距离，计算得到应进行充电的节点，即为充电节点；步骤三、建立MC经过充电节点返回服务站的虚拟封闭路径，然后结合包括节点剩余能量、能量消耗率、MC移动速度、MC为节点充电的时间、MC在服务站补充自身能量所需时间在内的条件来对充电路径进行可行性判断；步骤四、根据包括节点电池容量、节点能量消耗率在内的条件建立节点自适应充电阈值模型；步骤五、综合步骤一到四，对整个网络中的节点进行计算，得到MC为各节点进行充电的路程规划方案，实现基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法。所述的基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，在所述步骤一中，节点能量消耗率预测模型如下所述：表达式(1)中，Ri(t)是指节点在t时刻的能量消耗率，Ri(t+Δ)是指经过Δ时间节点的能量消耗率，Ei(t-Δ)是指节点在t-Δ时刻剩余能量，Ei(t)是指节点在t时刻剩余能量，Δ为控制因子，0＜Δ＜1。所述的基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，所述步骤二中包含以下步骤：步骤1，根据发送充电请求的节点能量消耗率Ri(t)对节点进行降序排列，记为Nr，节点i所排序号记为Nr(i)；步骤2，根据发送充电请求的节点和MC之间的距离D(i)对节点进行升序排列,记为Nd，节点i所排序号记为Nd(i)；步骤3，通过表达式(2)得到基于距离与能量消耗率的每个节点的权重，选择P(i)值最小的节点作为充电节点，其中β为控制因子，0＜β＜1；P(i)＝βNd(i)+Nr(i)(2)步骤4，如果得到的最小值P(i)唯一，则最小值P(i)对应的节点i为充电节点；如果最小值不唯一，即P(i)＝P(j)，则选择节点i和节点j中剩余能量较少的作为充电节点。所述的基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，所述步骤三中包含以下步骤：步骤1)，建立充电节点返回服务站的虚拟封闭路径；步骤2)，通过表达式(3)得到充电周期T，其中Tn为MC到达最后一个充电节点n所需时间，τn为MC在充电节点n的充电时长，v为MC的移动速度，D(n,0)为最后一个充电节点n返回服务站的时长，Tstay为MC在服务站补充自身能量所需时间；步骤3)，通过表达式(4)得到MC到达第i个充电节点所需时长Ti，其中Ti-1为MC到达充电节点i-1所需时间，τi-1为MC在充电节点i-1的充电时长，D(i-1,i)为第i-1个充电节点到第i个充电节点的时长；步骤4)，通过MC的移动时长与在每个充电节点的工作时长可以改写表达式(1),得到表达式(5),其中D是指整个封闭路径的长度，通过表达式(6)得到；步骤5)，表达式(7)保证了每轮充电中节点能正常运行，其中Eth为节点警告能量阈值，Ri为充电节点i的能量消耗率；表达式(8)表明了节点在充电完成后剩余能量与所充能量的关系，其中Es为节点电池容量，η为节点的能量收集效率，c为MC给节点的充电效率；Eth-Ri*Ti＞0(7)Es＝Eth-Ri*(Ti+τi)+τi*η*c(8)步骤6)，满足表达式(9)以保证MC充电路径中充过电的节点能量不会到能量警告阈值Eth；将表达式(8)与表达式(9)联立得到表达式(10)，保证了整个过程中节点i补充的能量比消耗的多，同时由单一节点满足表达式(10)推知整个网络中所有节点补充的能量比消耗的多，即得到表达式(11)，其中Rsum为所有节点的能量消耗率；Es-Ri*(T-Ti-τi)＞Eth(9)τi*c*η＞Ri*T(10)步骤7)，考虑MC的充电周期T中已经包含了节点的充电时间，即为保证表达式(11)成立，因此得到表达式(12)；c*η＞Rsum(12)步骤8)，表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据节点在一定时间内的能量消耗率信息，建立节点能量消耗率预测模型；步骤二、根据步骤一得到的模型，得到节点能量消耗率，然后结合节点到移动充电器Mobile Charger即MC的距离，计算得到应进行充电的节点，即为充电节点；步骤三、建立MC经过充电节点返回服务站的虚拟封闭路径，然后结合包括节点剩余能量、能量消耗率、MC移动速度、MC为节点充电的时间、MC在服务站补充自身能量所需时间在内的条件来对充电路径进行可行性判断；步骤四、根据包括节点电池容量、节点能量消耗率在内的条件建立节点自适应充电阈值模型；步骤五、综合步骤一到四，对整个网络中的节点进行计算，得到MC为各节点进行充电的路程规划方案，实现基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法。

【技术特征摘要】
1.一种基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据节点在一定时间内的能量消耗率信息，建立节点能量消耗率预测模型；步骤二、根据步骤一得到的模型，得到节点能量消耗率，然后结合节点到移动充电器MobileCharger即MC的距离，计算得到应进行充电的节点，即为充电节点；步骤三、建立MC经过充电节点返回服务站的虚拟封闭路径，然后结合包括节点剩余能量、能量消耗率、MC移动速度、MC为节点充电的时间、MC在服务站补充自身能量所需时间在内的条件来对充电路径进行可行性判断；步骤四、根据包括节点电池容量、节点能量消耗率在内的条件建立节点自适应充电阈值模型；步骤五、综合步骤一到四，对整个网络中的节点进行计算，得到MC为各节点进行充电的路程规划方案，实现基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法。2.根据权利要求1所述的基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，其特征在于，在所述步骤一中，节点能量消耗率预测模型如下所述：表达式(1)中，Ri(t)是指节点在t时刻的能量消耗率，Ri(t+Δ)是指经过Δ时间节点的能量消耗率，Ei(t-Δ)是指节点在t-Δ时刻剩余能量，Ei(t)是指节点在t时刻剩余能量，Δ为控制因子，0＜Δ＜1。3.根据权利要求2所述的基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，其特征在于，所述步骤二中包含以下步骤：步骤1，根据发送充电请求的节点能量消耗率Ri(t)对节点进行降序排列，记为Nr，节点i所排序号记为Nr(i)；步骤2，根据发送充电请求的节点和MC之间的距离D(i)对节点进行升序排列,记为Nd，节点i所排序号记为Nd(i)；步骤3，通过表达式(2)得到基于距离与能量消耗率的每个节点的权重，选择P(i)值最小的节点作为充电节点，其中β为控制因子，0＜β＜1；P(i)＝βNd(i)+Nr(i)(2)步骤4，如果得到的最小值P(i)唯一，则最小值P(i)对应的节点i为充电节点；如果最小值不唯一，即P(i)＝P(j)，则选择节点i和节点j中剩余能量较少的作为充电节点。4.根据权利要求3所述的基于能耗和距离动态变化的按需充电调度方法，其特征在于，所述步骤三中包含以下步骤：步骤1)，建立充电节点返回服务站的虚拟封闭路径；步骤2)，通过表达式(3)得到充电周期T，其中Tn为MC到达最后一个充电节点n所需时间，τn为MC在充电节点n的充电时长，v为MC的移动速度，D(n,0)为最后一个充电节点n返回服务站的时长，Tstay为MC在服务站补充自身能量所需时间；步骤3)，通过表达式(4)得到MC到达第i个充电节点所需时长Ti，其中Ti-1为MC到达充电节点i-1所需时间，τi-1为MC在充电节点i-1的充电时长，D(i-1,i)为第i-1个充电节点到第i个充电节点的时长；步骤4)，通过MC的移动时长与在每个充电节点的工作时长可以改写表达式(1),得到表达式(5),其中D是指整个封闭路径的长度，通过表达式(6)得到；

【专利技术属性】
技术研发人员：钟萍，马帅华，张艺雯，奎晓燕，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43