一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法技术

本发明专利技术公开一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，所述无线可充电传感器网络网格分簇路由方法包括：利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络，每个所述虚拟蜂窝网格内的传感器节点构成一个簇，根据虚拟蜂窝网格划分结果计算充电设备的充电路径；所述充电设备从服务站S出发沿着充电路径执行充电任务，根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点；根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向。本发明专利技术有效地解决了传感器节点能量不均衡的问题，降低了数据传输时延的同时，延长了无线可充电传感器网络的工作寿命。

A grid clustering routing method for wireless rechargeable sensor networks

The invention discloses a grid clustering routing method for wireless rechargeable sensor networks. The grid clustering routing method for wireless rechargeable sensor networks includes: dividing the sensor networks using virtual cellular grids, each sensor node in the virtual cellular grids constitutes a cluster, and dividing the sensor networks according to the virtual cellular grids. The charging path of the charging device is calculated according to the results; the charging device performs the charging task along the charging path from the service station S, and the cluster head node in each virtual cellular grid is calculated according to the charging task performed by the charging device; the sensor node, charging device and the cluster in each virtual cellular grid are calculated according to the sensor node, charging device and the cluster in each virtual cellular grid. The header node obtains the data transmission direction between sensor nodes in the sensor network. The invention effectively solves the problem of unbalanced energy of sensor nodes, reduces data transmission delay, and prolongs the service life of wireless chargeable sensor networks.

【技术实现步骤摘要】
一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法
本专利技术属于无线传感器网络
，特别是涉及一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSNs)是由大量传感器节点通过无线通信的方式形成的具有一定数据处理和转发功能的网络。传感器节点被部署在指定区域，通过单跳或多跳的方式自组织地形成一个通信网络系统，该系统被广泛运用于军事、农业以及各种特殊或较为恶劣的物理环境中监测数据和采集信息。WSNs的应用前景非常广泛，愈来愈受到学术界和工业界的重视。在传统的WSNs中，传感器节点自身能量问题一直是网络维持工作的一个主要瓶颈。针对该问题，前人已经提出了许多高效节能的路由算法，其中就包括分簇路由算法。分簇路由算法主要是对WSNs中的节点根据某种规则生成多个簇，簇中有簇头节点和若干个簇内节点，簇内节点负责采集数据，簇头节点负责收集簇内节点的数据并传输给固定基站。但是在传统的WSNs中节点能量是有限的，节点能量还是会消耗殆尽。随着无线充电技术的发展，无线传感器网络中引入无线充电也得到了更多人的关注，引入无线充电技术后的无线可充电传感器网络(WirelessRechargeableSensorNetworks，WRSNs)克服了节点能量有限所带来的问题。通过移动充电设备按照某种机制来给节点进行能量补给，除了节点的硬件故障或其它非能量因素引起节点死亡外，无线传感器网络将会持续的工作。因为引入了移动充电设备对节点进行能量补给的机制，移动充电设备的位置和节点的剩余能量将会影响节点是否成为簇头，是否被选为跳转以及移动充电设备在给节点充电时节点的路由和跳转情况，因此传统的WSNs中的分簇路由方法不再适用于WRSNs，因此亟需在WRSNs中提出一种合理的分簇路由方法，而且现有技术中的无线可充电传感器网络网格分簇路由方法会出现传感器节点能量不均衡、数据传输时延的问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，用于解决现有技术中无线可充电传感器网络中的传感器节点能量不均衡、数据传输时延的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，所述无线可充电传感器网络网格分簇路由方法包括：在被监测的H×M二维区域，H为二维区域的长度，M为二维区域的宽度，设置有固定基站B、服务站S、由N个传感器节点组成的传感器网络以及用于为传感器节点进行充电的充电设备，传感器节点用集合Π＝{s1,...,si,...,sN},1≤i≤N,i∈Z表示，其中，si表示第i个传感器节点，sN表示第N个传感器节点，Z表示正整数；利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络，每个所述虚拟蜂窝网格内的传感器节点构成一个簇，根据虚拟蜂窝网格划分结果计算充电设备的充电路径；所述充电设备从服务站S出发沿着充电路径执行充电任务，根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点；根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向。作为本专利技术的一种优选方案，所述充电设备为移动充电设备，所述移动充电设备匀速行驶，移动速度为v，充电功率为U。作为本专利技术的一种优选方案，所述第i个传感器节点的消耗功率为pi、初始能量为作为本专利技术的一种优选方案，所述利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络包括：计算虚拟蜂窝网格的边长l为：其中，D表示传感器节点的通信半径，r表示移动充电设备的充电半径；根据虚拟蜂窝网格的边长l计算传感器节点的节点梯度值：其中，gi表示传感器节点的节点梯度值，表示传感器节点所属的虚拟蜂窝网格的中心到固定基站B的距离，其中，πk表示第k个虚拟蜂窝网格，k表示虚拟蜂窝网格的编号，1≤k≤Ln,k∈Z，Ln表示内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格的个数，即为簇个数；计算内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格的最短哈密顿回路，所述最短哈密顿回路即为移动充电设备的充电路径L；L＝{π0,π1,π2,...πi,...πLn,π0}，其中，π0表示服务站S的位置，πi表示第i个虚拟蜂窝网格的中心。作为本专利技术的一种优选方案，所述充电设备从服务站S出发沿着充电路径执行充电任务包括：所述移动充电设备从服务站S的位置出发，沿着移动充电设备的充电路径L依次访问各个内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格，并为虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点进行无线充电，当第i个虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点的能量都补充到最大值即Emax时，所述移动充电设备离开第i个虚拟蜂窝网格，行驶到充电路径L中的下一个虚拟蜂窝网格即第i+1个虚拟蜂窝网格执行充电任务，直到移动充电设备访问完充电路径L中的所有虚拟蜂窝网格，最后返回服务站S。作为本专利技术的一种优选方案，所述根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点包括：当移动充电设备访问第k个虚拟蜂窝网格时，计算出移动充电设备到达该虚拟蜂窝网格中心坐标的时间τk，时间τk包括移动充电设备的行驶时间和在各个虚拟蜂窝网格内的停留时间：其中，m表示被移动充电设备访问过的虚拟蜂窝网格的编号，0≤m＜k；表示第m个虚拟蜂窝网格中心坐标到第m+1个虚拟蜂窝网格中心坐标的距离，表示移动充电设备在第m个虚拟蜂窝网格内的停留时间；根据移动充电设备到达该虚拟蜂窝网格中心坐标的时间τk，计算得到第k个虚拟蜂窝网格内的各个传感器节点的剩余能量其中，表示第nc轮充电调度时si节点的初始能量，pi表示第i个传感器节点的消耗功率；计算第k个虚拟蜂窝网格内的各个传感器节点的充电时间其中，Emax表示虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点的能量都补充到最大值，u(d)表示传感器节点被移动充电设备充电时的能量接收效率函数，U表示移动充电设备的充电功率；所述移动充电设备在第k个虚拟蜂窝网格内的停留时间等于该虚拟蜂窝网格内所有的传感器节点的能量被补充到Emax所需的最大时间；根据第k个虚拟蜂窝网格内的各个传感器节点的充电时间将该虚拟蜂窝网格内的所有传感器节点的能量被补充到Emax所需的最短时间的传感器节点作为簇头节点；依次计算出每个内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到簇头节点集合CH＝{CH1,CH2,...,CHk,...,CHLn}，CHk表示第k个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，CHLn表示第Ln个虚拟蜂窝网格内的簇头节点。作为本专利技术的一种优选方案，根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向包括：如果与第k个虚拟蜂窝网格的相邻的虚拟蜂窝网格有多个簇头节点，且多个簇头节点的梯度值不相同，则CHk优先选择多个所述簇头节点中的节点梯度值gi最小者作为跳转节点，通过跳转节点将数据传输到基站；如果与第k个虚拟蜂窝网格的相邻的虚拟蜂窝网格有多个簇头节点，且多个簇头节点的梯度值相同，则分别计算出多个簇头节点的权值Cherd(k,j)，选取权值Cherd(k,j)较大的簇头节点作为跳转节点，通过跳转节点将数据传输到基站，权值Cherd(k,j)的计算公式为：其中，dkj表示簇头节点k和簇头节点j之间的距离，λ表示调整因子，Ej表示簇头节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，其特征在于，所述无线可充电传感器网络网格分簇路由方法包括：在被监测的H×M二维区域，H为二维区域的长度，M为二维区域的宽度，设置有固定基站B、服务站S、由N个传感器节点组成的传感器网络以及用于为传感器节点进行充电的充电设备，传感器节点用集合Π＝{s1,...,si,...,sN},1≤i≤N,i∈Z表示，其中，si表示第i个传感器节点，sN表示第N个传感器节点，Z表示正整数；利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络，每个所述虚拟蜂窝网格内的传感器节点构成一个簇，根据虚拟蜂窝网格划分结果计算充电设备的充电路径；所述充电设备从服务站S出发沿着充电路径执行充电任务，根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点；根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向。

【技术特征摘要】
1.一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，其特征在于，所述无线可充电传感器网络网格分簇路由方法包括：在被监测的H×M二维区域，H为二维区域的长度，M为二维区域的宽度，设置有固定基站B、服务站S、由N个传感器节点组成的传感器网络以及用于为传感器节点进行充电的充电设备，传感器节点用集合Π＝{s1,...,si,...,sN},1≤i≤N,i∈Z表示，其中，si表示第i个传感器节点，sN表示第N个传感器节点，Z表示正整数；利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络，每个所述虚拟蜂窝网格内的传感器节点构成一个簇，根据虚拟蜂窝网格划分结果计算充电设备的充电路径；所述充电设备从服务站S出发沿着充电路径执行充电任务，根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点；根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向。2.根据权利要求1所述的一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，其特征在于：所述充电设备为移动充电设备，所述移动充电设备匀速行驶，移动速度为v，充电功率为U。3.根据权利要求2所述的一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，其特征在于：所述第i个传感器节点的消耗功率为pi、初始能量为4.根据权利要求3所述的一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，其特征在于：所述利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络包括：计算虚拟蜂窝网格的边长l为：其中，D表示传感器节点的通信半径，r表示移动充电设备的充电半径；根据虚拟蜂窝网格的边长l计算传感器节点的节点梯度值：其中，gi表示传感器节点的节点梯度值，表示传感器节点所属的虚拟蜂窝网格的中心到固定基站B的距离，其中，πk表示第k个虚拟蜂窝网格，k表示虚拟蜂窝网格的编号，1≤k≤Ln,k∈Z，Ln表示内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格的个数，即为簇个数；计算内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格的最短哈密顿回路，所述最短哈密顿回路即为移动充电设备的充电路径L；L＝{π0,π1,π2,...πi,...πLn,π0}，其中，π0表示服务站S的位置，πi表示第i个虚拟蜂窝网格的中心。5.根据权利要求4所述的一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，其特征在于，所述充电设备从服务站S出发沿着充电路径执行充电任务包括：所述移动充电设备从服务站S的位置出发，沿着移动充电设备的充电路径L依次访问各个内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格，并为虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点进行无线充电，当第i个虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点的能量都补充到最大值即Emax时，所述移动充电设备离开第i个虚拟蜂窝网格，行驶到充电路径L中的下一个虚拟蜂窝网格即...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏振春，王旭，吕增威，陆阳，石雷，马学森，徐娟，卫星，冯琳，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34