一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法，该方法通过自我感知电池板剩余能量随时间变化的序列，对输出功率进行自我选择改变，包括以下步骤：S1：利用传感器节点参数获取传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作时间相互交叉的平均功耗和传感器所有传感元件同时全力工作的功耗；S2：收集下一个自然日的天气预测数据和自我功率的消耗参数；S3：根据数据中的当前时刻的剩余能量进行不同时间里的功率运行判断；S4：将不同时间的最终功率运行判断结果组合成最终能量优化运行结果。与现有技术相比，本发明专利技术具有集体优化，自适应控制，控制时间短等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法
本专利技术涉及无线传感器网络
，尤其是涉及一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法。
技术介绍
无线传感器网络(WSN)是一种新兴的网络技术，它由具有感知、计算和通信能力的传感器节点以自组网的方式相互协作组成网络，通过采集网络覆盖区域内感知对象的信息，以多跳的无线通信方式将收集、处理后的信息传送到基站，并最终提供给终端用户。在电力行业中，随着智能电网建设的不断深入，电力系统发电、输电、变电、配电、用电等环节对设备运行状态的监测提出了更高的要求，于是基于无线传感器网络的发电厂监测需求应运而生。故提出一种基于贪心选择的自适应控制在WSN节点上的能源策略优化以保障网络更久的存续，使得传感器节点能进行自我能量优化。在无线传感器网络中，由于节点能量补充不足或能量补充不可预测，能量策略的优化已经成为传感器网络设计时首要考虑的因素。目前解决电力检测传感器网络节点有限寿命问题的有效办法是使用可充电的无线传感器网络技术。在可充电的电力监测传感器网络中，如果节点获取的能量足够多或者能量能够周期性、连续性地得到补充，那么节点就可以完全不受供电能量的限制。然而，在太阳能、风能供电的许多场合，由于天气的原因，节点能量的补充具有不可预测性和不可靠性。目前研究的主要方向是在充能策略的优化以及全网络节点通信路径上的优化，或者主要针对小车路径规划问题(用移动小车为传感器节点充电)。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法，该方法通过自我感知电池板剩余能量随时间变化的序列，对输出功率进行自我选择改变，包括以下步骤：S1：利用传感器节点参数获取传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作时间相互交叉的平均功耗和传感器所有传感元件同时全力工作的功耗；S2：收集下一个自然日的天气预测数据和自我功率的消耗参数；S3：根据数据中的当前时刻的剩余能量进行不同时间里的功率运行判断；S4：将不同时间的最终功率运行判断结果组合成最终能量优化运行结果。进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：S301：针对夜晚时刻剩余能量进行落定区间判断；S302：根据不同的判断结果确定夜晚功率运行方案。进一步地，所述步骤S301，其描述公式为：En＞Tn*Pmax+Eemonth；Tn*Pmax+Eemonth＞En＞Tn*Pmin+Eemonth；Tn*Pmin+Eemonth＞En＞Tn*Pmin；Tn*Pmin＞En式中，En为夜晚时刻剩余能量，Eemonth为每月最小保障能量，Tn为整个夜晚时长，Pmax为传感器所有传感元件同时全力工作的功耗，Pmin为传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作时间相互交叉的平均功耗。进一步地，所述步骤302，具体包括：当En＞Tn*Pmax+Eemonth时，保持节点在夜晚始终输出Pmax；当Tn*Pmax+Eemonth＞En＞Tn*Pmin+Eemonth时，保持节点在夜晚动态运行；当Tn*Pmin+Eemonth＞En＞Tn*Pmin时，保持节点在夜晚始终输出Pmin；当Tn*Pmin＞En时，进行人为充电补充能量。进一步地，所述步骤S4还包括将夜晚节点输出方案结果与白天节点输出方案结果相结合，所述白天节点输出方案，其描述公式为：式中，EE为光伏能量。进一步地，所述每月最小保障能量，其描述公式为：Eemonth＝Pmin*Tmonthmax式中，Tmonthmax为每月夜晚时长最大值。进一步地，所述步骤S1的计算约束条件为：式中，PZigBee为约束功率，DZigBee为约束传输时延，TC、TD分别为节点通电和放电时间，TS为收发器的睡眠时间，TT为收发器接收和发送状态之间相互转换的时间，TW为收发器睡眠与空闲状态之间相互转换的时间，PS为节点在睡眠状态下损耗的功率，PRX为接收状态下损耗的平均功率，PTX为发射状态下损耗的平均功率，L为检索长度，T1为最大功率工作时间，T2为最小功率工作时间。进一步地，所述步骤S4中还设置有用于修正白天与夜晚节点输出的修正因子，其描述公式为：式中，An为修正因子。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)控制简便，本专利技术通过自我感知电池板剩余能量随时间变化的序列，对输出功率进行自我选择改变，包括以下步骤：S1：利用传感器节点参数获取传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作时间相互交叉的平均功耗和传感器所有传感元件同时全力工作的功耗；S2：收集下一个自然日的天气预测数据和自我功率的消耗参数；S3：根据数据中的当前时刻的剩余能量进行不同时间里的功率运行判断；S4：将不同时间的最终功率运行判断结果组合成最终能量优化运行结果，控制简便，能实现节点更好的存活以及更高的使用效率。(2)方案简单，准确率高，本专利技术实物包括：数据采集模块；数据处理模块，通信模块，能量存储模块，能量收集模块和能量管理模块，主要针对能量管理模块，1、根据自我感应自己剩余的能量来确定下一个时刻点的工作方式——在周期休眠与全工作状态之间转换实现尽可能多的出力，在实时性的情况下更精确的调节节点功率，白天晚上分成两套模式来选择并且以30分钟为一个节点进行改变出力数据，可以减少光伏出力不稳定的影响，用于优化无线传感器节点的平均输出功率。2、由于“白天”与“黑夜”与实际的白天黑夜有一定差别，故在每日结尾时刻(光照结束)进行一个修正算子，为储能进行一个纠偏。3、设计了一个最小能量剩余原则，即保守的保存一个类似于动物冬眠所需的能量，以保证节点的更长时间工作，准确率更高。附图说明图1为传感器节点的装置搭配图；图2为节点内部能量与管理模块互动方式示意图；图3为本专利技术流程图；图4为本专利技术与其他方法相比的电源能量曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本专利技术保护的范围。实施例如图1所示为本实施例中传感器节点的装置搭配图，其包括数据采集模块；数据处理模块，通信模块，能量存储模块，能量收集模块和能量管理模块，其中数据采集模块包括传感器模块和A\D转换器，数据处理模块具体包括微处理和存储器，通信模块包括无线通信。如图2所示为本实施例中内部能量与管理模块互动方式示意图，来自外部的太阳能先使无线传感器网络中的超级电容储能并传递能量至能量分配模块，能量预测器根据能量分配模块的实时参数进行控制并往回调控超级电容做出反应。如图3所示为本专利技术对应的实施例的具体方法流程示意图，包括以下步骤：步骤1)、确定存在的功率种类。通过休眠机制，获取两种以上的工作效率，之后再步骤2、3中均需要根据这样的功率进行分配。假设其有两种工作功率且通过一定的模型进行简单分析计算，分别是Pmax和Pmin。Pmax为传感器所有传感元件同时全力工作的功耗，Pmin为传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法，其特征在于，该方法通过自我感知电池板剩余能量随时间变化的序列，对输出功率进行自我选择改变，包括以下步骤：S1：利用传感器节点参数获取传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作时间相互交叉的平均功耗和传感器所有传感元件同时全力工作的功耗；S2：收集下一个自然日的天气预测数据和自我功率的消耗参数；S3：根据数据中的当前时刻的剩余能量进行不同时间里的功率运行判断；S4：将不同时间的最终功率运行判断结果组合成最终能量优化运行结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法，其特征在于，该方法通过自我感知电池板剩余能量随时间变化的序列，对输出功率进行自我选择改变，包括以下步骤：S1：利用传感器节点参数获取传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作时间相互交叉的平均功耗和传感器所有传感元件同时全力工作的功耗；S2：收集下一个自然日的天气预测数据和自我功率的消耗参数；S3：根据数据中的当前时刻的剩余能量进行不同时间里的功率运行判断；S4：将不同时间的最终功率运行判断结果组合成最终能量优化运行结果。2.根据权利要求1所述的一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：S301：针对夜晚时刻剩余能量进行落定区间判断；S302：根据不同的判断结果确定夜晚功率运行方案。3.根据权利要求2所述的一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法，其特征在于，所述步骤S301，其描述公式为：En＞Tn*Pmax+Eemonth；Tn*Pmax+Eemonth＞En＞Tn*Pmin+Eemonth；Tn*Pmin+Eemonth＞En＞Tn*Pmin；Tn*Pmin＞En式中，En为夜晚时刻剩余能量，Eemonth为每月最小保障能量，Tn为整个夜晚时长，Pmax为传感器所有传感元件同时全力工作的功耗，Pmin为传感器节点在最大可允许时延的情况下的休眠时间和工作时间相互交叉的平均功耗。4.根据权利要求2所述的一种基于自适应控制的无线传感器网络节点能量优化方法，其特征在于，所述步骤302，具体包括：当En＞Tn*Pm...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊杰，邵凌峰，方济城，刘子琦，刘军，朱彬斌，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31