一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法，包括步骤：S1.移动充电小车在充电站点进行充电，并将充电后的能量用于自身移动和传感节点；S2.获取传感节点的位置以及数量，并基于并行圆环同步扩展搜索算法、网络拓扑边缘的选择算法确定移动充电小车在传感器网络中部署的若干充电停靠点；S3.根据充电停靠点的数量以及位置，计算通过所有充电停靠点的最短汉密尔顿回路，得出移动充电小车的最短充电路径。本发明专利技术能够在提升充电小车针对传感节点的充电效率的同时，尽可能缩短充电小车在网络中的移动距离，从而降低充电小车的总能量损耗。车的总能量损耗。车的总能量损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法


[0001]本专利技术涉及无线传感器
，尤其涉及一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法。

技术介绍

[0002]在传统的无线传感器网络中，传感器通常采用接入电网的方式进行电能供给或者采用电池进行供电。随着无线传感器网络的快速发展，传感器的应用场景变得多种多样，在许多场景下传统的供电方式不再适合。原因在于许多应用场景下，例如战场、森林，传统的电网无法铺设到位，同时存在损毁的风险；而采用电池供电则需要定期更换电池，这无疑显著增加了运行成本。近年来，无线充电技术的发展，打破了无线传感器网络由于供能受限而无法广泛应用的困境。现有研究表明，将充电小车投放至无线传感器网络中，并使其按照预先设计好的行驶轨迹进行移动，同时对沿途经过的传感器进行无线充电，是一种灵活方便、可维护性强、易实现的充电方案。充电小车一次性可携带的电量通常是有限的。所携带的电量通常用于两方面的用途，一方面用于给传感器进行充电，另一方面用于弥补自身移动所产生的电能损耗。由于实际应用对于充电性能都具有一定的指标，例如充电时延不能超过某个给定的阈值。又因为充电小车所携带的电量有限，因此充电小车的移动轨迹设计变得尤为重要。如何在满足无线传感器网络中所有传感节点的充电需求下，合理优化设计充电小车在无线传感器网络中的移动轨迹，使得充电小车的工作总能耗最小是一个具有重要意义的问题。这个问题不仅关系到充电小车的能量使用效率，同时涉及到充电小车的物理尺寸设计，因为携带较多的电量势必需要更大的电能存储装置。
>[0003]针对上述问题，本专利技术提供一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法解决上述技术问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对最小化充电小车工作总能耗这一目标，提供了一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法，使得充电小车能够按照所设计的移动轨迹进行移动并对沿途充电范围内的传感节点进行充电，最终保证网络中所有传感节点的充电需求都被满足。
[0005]为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法，包括步骤：S1.移动充电小车在充电站点进行充电，并将充电后的能量用于自身移动和传感节点；S2.获取传感节点的位置以及数量，并基于并行圆环同步扩展搜索算法、网络拓扑边缘的选择算法确定移动充电小车在传感器网络中部署的若干充电停靠点；S3.根据充电停靠点的数量以及位置，计算通过所有充电停靠点的最短汉密尔顿回路，得出移动充电小车的最短充电路径。
[0006]进一步的，所述步骤S2具体为：S21.基于并行圆环同步扩展搜索算法确定移动充电小车的单个充电停靠点；S22.根据确定的单个充电停靠点，基于网络拓扑边缘的选择算法确定移动充电小车在传感器网络中的多个充电停靠点。
[0007]进一步的，所述步骤S21包括：将确定充电停靠点表示为最小化最大值问题，采用并行圆环同步扩展搜索算法求解最小化最大值问题，具体为：设圆圈为O
n
，n=1,
…
,N；其中O
n
为以s
n
为圆心，为半径的圆圈，t表示变量；β表示调整短距离电能传输的弗里斯传输公式；α表示恒定参数；p
c
表示移动充电小车的充电功率；c
N
表示每个传感节点的充电需求；增加t值的大小，直到所有N个圆圈O1，O2，
…
，O
N
相交得到公共覆盖区域，通过逐步减小t值的大小以使公共覆盖区域进行收缩，直至公共覆盖区域缩小为一个点，则得到的点为最优单个充电停靠点的位置。
[0008]进一步的，所述步骤S22具体为：S221.确认并选择当前传感器网络拓扑边界上的传感节点，传感节点的位置距离当前传感器网络网络拓扑中心位置最远；S222.识别传感节点附近位于网络拓扑边界上的传感节点和不在边界上的传感节点；S223.在满足所有传感节点附近位于网络拓扑边界上的传感节点和传感节点自身被覆盖的条件下，确认能覆盖传感节点数量最多的候选充电停靠点，得到移动充电小车在传感器网络中的多个充电停靠点。
[0009]进一步的，所述步骤S3之后还包括：S4.建立移动充电小车的无线充电模型，表示为：其中，p
c
和p
r
分别表示移动充电小车的充电功率和传感节点的接收功率；d表示移动充电小车和传感节点之间的距离；d
th
表示移动充电小车的最大充电距离。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）具有很好的泛化性能，能够应用于具有任意网络拓扑结构以及任意充电需求分布的无线传感器网络；（2）对充电小车在无线传感器网络中工作时的充电能耗和移动能耗进行了联合优化，使得在实际传感器网络场景中的可应用性较强；（3）设计了基于网络边缘拓扑的充电站点部署算法，该算法能够在提升充电小车针对传感节点的充电效率的同时，尽可能缩短充电小车在网络中的移动距离，从而降低充电小车的总能量损耗。针对充电小车在对异构无线传感器网络进行移动充电而产生的自身
总能耗（充电能耗+移动能耗）而言，所设计的充电小车轨迹设计算法优于已知的传统轨迹设计算法；（4）针对异构无线传感器网络的节能充电方法，对于移动充电小车在无线传感器网络中的充电路径设计与优化方面具有重要技术意义，对于无线传感器网络的大规模部署使用、环境资源最大化利用、减少部署成本具有重要价值。
附图说明
[0011]图1是实施例一提供的一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法流程图；图2是实施例一提供的无线可充电传感器网络模型示意图；图3是实施例一提供的有效充电区域内充电停靠点的最优部署位置搜索方法几何示意图；图4是实施例一提供的并行圆环同步扩展搜索算法的流程图；图5是实施例一提供的生成单个充电停靠点的单步ESA迭代过程示意图；图6是实施例一提供的使用ESA算法求解多个充电停靠点的前三次迭代过程示意图；图7是实施例一提供的基于网络拓扑边缘的选择算法的流程图图8是实施例二提供的本方法与现有主要算法的性能对比示意图。
具体实施方式
[0012]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0013]本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法。
[0014]实施例一本实施例提供一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法，如图1所示，包括步骤：S1.移动充电小车在充电站点进行充电，并将充电后的能量用于自身移动和传感节点；S2.获取传感节点的位置以及数量，并基于并行圆环同步扩展搜索算法、网络拓扑边缘的选择算法确定移本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法，其特征在于，包括步骤：S1.移动充电小车在充电站点进行充电，并将充电后的能量用于自身移动和传感节点；S2.获取传感节点的位置以及数量，并基于并行圆环同步扩展搜索算法、网络拓扑边缘的选择算法确定移动充电小车在传感器网络中部署的若干充电停靠点；S3.根据充电停靠点的数量以及位置，计算通过所有充电停靠点的最短汉密尔顿回路，得出移动充电小车的最短充电路径。2.根据权利要求1所述的一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：S21.基于并行圆环同步扩展搜索算法确定移动充电小车的单个充电停靠点；S22.根据确定的单个充电停靠点，并基于网络拓扑边缘的选择算法确定移动充电小车在传感器网络中的多个充电停靠点。3.根据权利要求2所述的一种基于异构无线传感器网络的充电小车轨迹设计方法，其特征在于，所述步骤S21包括：将确定充电停靠点表示为最小化最大值问题，采用并行圆环同步扩展搜索算法求解最小化最大值问题，具体为：设圆圈为O
n
，n=1,
…
,N；其中O
n
为以s
n
为圆心，为半径的圆圈，t表示变量；β表示调整短距离电能传输的弗里斯传输公式；α表示恒定参数；p
c
表示移动充电小车的充电功...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾日恒，吴锦浩，冯艳菊，张秀铃，林飞龙，郑忠龙，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：