基于PFCM的无线传感网节点充电方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了无线充电技术领域，具体涉及一种基于PFCM的无线传感网节点充电方法及系统，可提高充电小车的能量利用率，并可保证网络能耗均衡，提高了网络的稳定性，保证网络能够持久的运行。包括：初始化无线传感网；确定无线传感网中各节点的能耗率；基于各节点的能耗率，采用基于能量约束的模糊C均值聚类算法将无线传感网中的节点分为若干个簇；采用考虑能量约束的有效性函数对每个簇进行聚类效果分析，得出分析结果；基于分析结果，确定最佳聚类数及相应的充电小车数；充电小车根据各节点的充电优先级依次为它们充电。充电优先级依次为它们充电。充电优先级依次为它们充电。

【技术实现步骤摘要】
基于PFCM的无线传感网节点充电方法及系统


[0001]本专利技术属于无线充电
，具体涉及一种基于PFCM的无线传感网节点充电方法及系统。

技术介绍

[0002]无线传感网(Wireless Sensor Networks,WSNs)技术作为物联网中的关键技术，它的发展受到了越来越多的学者和研究团队的关注。无线传感网是由若干传感器节点自组织形成的一种网络，这些节点具有无线通信能力，可以被部署在各种环境下进行监测、感知、采集和传输环境数据。然而随着无线传感网应用场景的多元化，使得网络数据业务量急剧增加，节点需要不断的工作，这对其能量供给能力提出了更高的要求。传统的无线传感网是一种能量受限的网络，节点所携带的电池，能量十分有限。得益于近年来无线充电技术的发展，采用无线充电小车(Wireless Charging Vehicle,WCV)为节点补充能量，逐渐成为研究热点，这不仅可以解决能量问题，而且还使得无线传感网可以适应更多更复杂的监测环境。现有技术中存在充电小车能量利用率低，无法保证网络能耗均衡，导致网络的稳定性差等问题。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于PFCM的无线传感网节点充电方法及系统，可提高充电小车的能量利用率，并可保证网络能耗均衡，提高了网络的稳定性，保证网络能够持久的运行。
[0004]为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种无线传感网节点充电方法，包括：初始化无线传感网；确定无线传感网中各节点的能耗率；基于各节点的能耗率，采用基于能量约束的模糊C均值聚类算法将无线传感网中的节点分为若干个簇；采用考虑能量约束的有效性函数对每个簇进行聚类效果分析，得出分析结果；基于分析结果，确定最佳聚类数及相应的充电小车数；充电小车根据各节点的充电优先级依次为它们充电。
[0005]进一步地，所述初始化无线传感网，指确定无线传感网的规模及节点位置；所述无线传感网分为三个部分：基站、充电小车和节点，基站的位置固定，用于统筹调度充电小车，汇聚节点的数据；充电小车负责对各节点充电；节点负责监测无线传感网，收集周围数据，与基站进行通信，节点在无线传感网中随机分布，位置固定且已被基站知晓。
[0006]进一步地，所述确定无线传感网中各节点的能耗率，包括：
[0007]节点i的能耗率p
i
由数据传输能耗率e
t
和数据感知能耗率e
s
两部分组成，计算方式如下：
[0008]p
i
＝e
t
+e
s
＝(e0+e1d
α
)b
t
+e2b
s
ꢀꢀ
(1)
[0009]其中，e0表示用于编码和调制1bit数据所耗费的能量，e1表示传输1bit数据至1米远处所耗费的能量，e2表示感知1bit数据所耗费的能量，d表示传输距离，α表示路径损耗指数，b
t
表示数据传输率，b
s
表示数据感知率。
[0010]进一步地，所述基于各节点的能耗率，采用基于能量约束的模糊C均值聚类算法将无线传感网中的节点分为若干个簇，具体为：
[0011]将节点坐标集X＝{x1,x2,
…
,x
n
}划分为c个簇，其代价函数如下：
[0012][0013]其中，n表示每个簇的节点数量，m表示控制划分模糊性的加权指数，β表示能耗影响因子；u
ik
表示节点k隶属于X的第i个模糊子集的隶属度值，满足约束条件：
[0014][0015]d
ik
表示距离差异值，pik表示能耗差异值，计算方式分别如下：
[0016]d
ik
＝||x
k
‑
v
i
||
ꢀꢀ
(4)
[0017]p
ik
＝||p
k
‑
p
i
||
ꢀꢀ
(5)
[0018]其中，x
k
表示节点k的坐标，v
i
表示聚类中心节点坐标，也称为“簇心节点”，p
k
表示节点k的能耗率，此时节点i为“簇心节点”，则pi表示簇心节点的能耗率；
[0019]基于能量约束的模糊C均值聚类算法，计算并更新每个节点相对于所有簇的隶属度矩阵U＝{u
ik
}
c
×
n
和聚类中心向量V＝{v1,v2,
…
,v
c
}，不断迭代直到代价函数收敛，根据代价函数在收敛时所对应的c值，计算出U和V。
[0020]进一步地，所述采用考虑能量约束的有效性函数对每个簇进行聚类效果分析，得出分析结果，具体为：
[0021]计算簇内节点间的紧密性Ins：
[0022][0023]簇内节点间的紧密性表征了每个簇内节点与簇心节点距离的远近程度，其值越小，分簇结果越好；
[0024]计算簇间的分离性Sep：
[0025][0026]簇间的分离性表征了各个簇中心之间距离的远近程度，其值越大，分簇结果越好；
[0027]计算有效性函数值Val：
[0028][0029]进一步地，所述基于分析结果，确定最佳聚类数及相应的充电小车数，具体为：取使得Val值最小的c，作为最佳聚类数，也即网络中簇的个数；随后，为每个簇分配一辆充电小车。
[0030]进一步地，所述充电小车根据各节点的充电优先级依次为它们充电，具体为：
[0031]确定每个节点的充电优先级CP：
[0032][0033]其中，b表示调节节点i的隶属度与充电任务紧迫度重要性的第一因子,q表示调节节点i的隶属度与充电任务紧迫度重要性的第二因子，T
i
表示小车为节点i充电所花费的时间，t
cur
表示当前时刻，t
end
表示节点所允许的最迟充电时刻；
[0034]当网络初始化后，所有节点和充电小车开始运行，当节点的剩余能量低于固定阈值时，将向本簇内的充电小车发出充电请求；
[0035]充电小车在任何时刻都可接收节点的充电请求，且在收到该充电请求后，计算该充电任务优先级，并按照由高到低的顺序，将该充电请求插入到其已有的充电请求队列中，具备高充电优先级的节点将被优先充电；
[0036]充电小车依次移动至充电请求队列中所对应的各节点的所在位置，为其充电；且在完成对一个节点的充电任务后，将其充电请求从充电请求队列中删除，随后，更新该队列中各充电请求所对应的充电任务的优先级，并据此重新对各充电请求排序；充电小车在电量将耗尽前将返回基站补充电量，能量补充完成后重新出发为网络中的节点充电。
[0037]一种无线传感网节点充电系统，包括：第一模块，用于初始化无线传感网；第二模块，用于确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线传感网节点充电方法，其特征是，包括：初始化无线传感网；确定无线传感网中各节点的能耗率；基于各节点的能耗率，采用基于能量约束的模糊C均值聚类算法将无线传感网中的节点分为若干个簇；采用考虑能量约束的有效性函数对每个簇进行聚类效果分析，得出分析结果；基于分析结果，确定最佳聚类数及相应的充电小车数；充电小车根据各节点的充电优先级依次为它们充电。2.根据权利要求1所述的无线传感网节点充电方法，其特征是，所述初始化无线传感网，指确定无线传感网的规模及节点位置；所述无线传感网分为三个部分：基站、充电小车和节点，基站的位置固定，用于统筹调度充电小车，汇聚节点的数据；充电小车负责对各节点充电；节点负责监测无线传感网，收集周围数据，与基站进行通信，节点在无线传感网中随机分布，位置固定且已被基站知晓。3.根据权利要求1所述的无线传感网节点充电方法，其特征是，所述确定无线传感网中各节点的能耗率，包括：节点i的能耗率p
i
由数据传输能耗率e
t
和数据感知能耗率e
s
两部分组成，计算方式如下：p
i
＝e
t
+e
s
＝(e0+e1d
α
)b
t
+e2b
s
ꢀꢀ
(1)其中，e0表示用于编码和调制1bit数据所耗费的能量，e1表示传输1bit数据至1米远处所耗费的能量，e2表示感知1bit数据所耗费的能量，d表示传输距离，α表示路径损耗指数，b
t
表示数据传输率，b
s
表示数据感知率。4.根据权利要求1所述的无线传感网节点充电方法，其特征是，所述基于各节点的能耗率，采用基于能量约束的模糊C均值聚类算法将无线传感网中的节点分为若干个簇，具体为：将节点坐标集X＝{x1,x2,
…
,x
n
}划分为c个簇，其代价函数如下：其中，n表示每个簇的节点数量，m表示控制划分模糊性的加权指数，β表示能耗影响因子；u
ik
表示节点k隶属于X的第i个模糊子集的隶属度值，满足约束条件：d
ik
表示距离差异值，p
ik
表示能耗差异值，计算方式分别如下：d
ik
＝||x
k
‑
v
i
||
ꢀꢀ
(4)p
ik
＝||p
k
‑
p
i
||
ꢀꢀ
(5)其中，x
k
表示节点k的坐标，v
i
表示聚类中心节点坐标，也称为“簇心节点”，p
k
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘权，沙超，陈肖依，黄秋瑶，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：