一种基于混合充电策略的传感器部署方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合充电策略的传感器部署方法。无论是仅通过采集环境能量还是仅通过充电小车进行充电都有明显的缺陷。本发明专利技术方法是将传感器部署在监测目标的位置，并通过合并传感器的方式减少传感器的数量；当充电小车的电池容量不足时，通过向太阳能充沛的区域调整传感器的方式，减少充电路径中待充电传感器的数量；当充电小车的电池容量仍然不足时，调整充电序列中剩余传感器的位置，构造更短的充电路径；当充电小车的电池容量还是不足时，通过在太阳能充沛区域多放置传感器的方式来实现能量中性的永久覆盖。本发明专利技术方法能够充分利用太阳能等外部自然能源作为传感器能量补充，减少对移动充电的需求，节约了传感器网络的部署成本。络的部署成本。络的部署成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合充电策略的传感器部署方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络
，具体涉及一种基于混合充电策略的传感器部署方法。

技术介绍

[0002]传感器网络中的传感器节点一般由容量有限的电池供电。为了部署永久运行的无线传感器网络，必须考虑传感器的能量补充问题。频繁更换电池或部署大量冗余传感器均会导致成本太高。近年来，能量采集技术被应用于无线传感网络中，将环境中的太阳能、风能、热辐射等能量转化为电能，通过在传感器节点上配备能量采集模块，来延长其自身寿命。
[0003]当遭遇极端天气时（如仅配备太阳能采集模块的传感器网络遇到连续降雨时），仅依靠外部环境能源很可能不足以覆盖网络所需的能量。此时，可以依靠一辆充电小车在网络内为电量不足的传感器提供无线充电。充电小车通过调度算法在网络内依次移动到电量不足的传感器节点附近并对其进行无线充电。但是充电小车在传感器之间移动会消耗大量的能量。此外，部署充电小车的成本比部署传感器节点的成本要大得多。因此，如果将充电小车作为唯一的传感器能量补充方式，会导致成本较高。
[0004]无论是仅通过采集环境能量还是仅通过充电小车进行充电都有明显的缺陷。为了解决上述问题，本专利技术提出将这两种能量补充策略结合起来，用于同时配备能量收集模块和无线能量接收器的无线传感器网络的能量补充。当传感器需要补充能量时，首先充分采集环境能量。当能量采集速率小于传感器的能量消耗速率时，采用充电小车补充传感器节点的能量缺口，以实现无线传感器网络的持久运行。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是针对现有能量补充方法中存在的问题，提供一种基于混合充电策略的传感器部署方法。
[0006]本专利技术方法是将传感器部署在监测目标的位置，并通过合并传感器的方式减少传感器的数量；当充电小车的电池容量不足时，通过向太阳能充沛的区域调整传感器的方式，减少充电路径中待充电传感器的数量；当充电小车的电池容量仍然不足时，调整充电序列中剩余传感器的位置，构造更短的充电路径；当充电小车的电池容量还是不足时，通过在太阳能充沛区域多放置传感器的方式来实现能量中性的永久覆盖。
[0007]本专利技术采用的无线传感网络具体如下：
[0008]在一个正方形的二维平面上有多个监测目标需要通过部署传感器进行覆盖，每个监测目标满足一定阈值的概率覆盖；所部署的传感器通过两种方式来补充能量，一种方式是通过采集环境中的太阳能，另一种是通过一辆可移动的充电小车提供无线充电；平面内不同位置的太阳能充电功率不同；一辆能量有限的充电小车从平面内的某一个固定充电站出发，对所获取太阳能小于能量损耗的传感器节点补充能量，并可返回充电站补充自身能
量。具体实现方法如下：
[0009]步骤(1)多个监测目标构成监测目标集合，表示第个监测目标；在每个监测目标位置部署一个传感器，构成传感器集合，表示第个传感器，，为传感器数量，即监测目标数量；
[0010]步骤(2)判断每个传感器能否仅通过太阳能充电即可达到能量中性，能达到能量中性的传感器构成第一传感器集合，不能达到能量中性的传感器构成第二传感器集合，即；
[0011]步骤(3)对第二传感器集合中每个传感器对应的监测目标设定阈值圆，所述的阈值圆是以目标位置为圆心，以为半径的圆，为监测目标的概率覆盖阈值，为与传感器功率相关的强度系数；判断每个监测目标的阈值圆与其他监测目标的阈值圆是否有交集，阈值圆没有交集的监测目标对应的传感器构成第三传感器集合，阈值圆有交集的监测目标对应的传感器构成第四传感器集合，即；
[0012]步骤(4)对第二传感器集合中的传感器，计算其能量缺口，即传感器监测功率与太阳能充电功率的差值，使用TSP(Travelling Salesman Problem)算法规划充电小车的充电路线；根据充电路径，如果充电小车从充电站出发，对第二传感器集合中的所有传感器进行充电后，其剩余电量能够支撑充电小车回到充电站给自身补充电量，则执行步骤(5)，否则执行步骤(6)；
[0013]步骤(5)减少传感器数量：每个阈值圆交集区域由两个或两个以上的监测目标阈值圆形成，对于形成每个阈值圆交集区域的监测目标对应的第四传感器集合中的两个或两个以上的传感器，仅保留其中一个传感器，并将该传感器置于交集区域，移除其他传感器；置于交集区域的所有传感器构成第五传感器集合；则最终保留的传感器集合，将中传感器数量以及中每个传感器的位置信息上报，完成最终部署；以上操作在保证对目标的覆盖要求的同时，降低了传感器数量，且仍然满足整个网络的能量中性要求；
[0014]步骤(6)对第二传感器集合中每个传感器对应的监测目标的阈值圆，与仅凭太阳能即可达到能量中性的区域取交集；交集不为空的阈值圆对应的监测目标所在位置的传感器构成第六传感器集合，交集为空的阈值圆对应的监测目标所在位置的传感器构成第七传感器集合，即；
[0015]步骤(7)将第六传感器集合中每个传感器移动到其对应监测目标的阈值圆与区域交集的区域中，保证第六传感器集合中每个传感器仅凭太阳能即可达到能量中性；
[0016]使用TSP算法再次规划充电小车对中传感器的充电路线，根据再次规划的充电路径，如果充电小车从充电站出发，对第七传感器集合中的所有传感器进行充电后，其剩余电量能够支撑充电小车回到充电站给自身补充电量，则执行步骤(8)，否则执行步骤(9)；
[0017]步骤(8)最终保留的传感器集合，将中传感器数量以及
中每个传感器的位置信息上报，完成最终部署；
[0018]步骤(9)调整第七传感器集合中传感器位置：对第七传感器集合中每个传感器的阈值圆的圆心与充电站连线，得到线段，将传感器移动到线段与阈值圆的交点处，既能满足覆盖要求，又减少了到充电站的距离，由此得到第八传感器集合，与中的传感器数量相同，但传感器位置不同；
[0019]步骤(10)使用TSP算法第三次规划充电小车的充电路线，根据第三次规划的充电路径，如果充电小车从充电站出发，对第八传感器集合中的所有传感器进行充电后，其剩余电量能够支撑充电小车回到充电站给自身补充电量，则执行步骤(11)，否则执行步骤(12)；
[0020]步骤(11)最终保留的传感器集合，将中传感器数量以及中每个传感器的位置信息上报，完成最终部署；
[0021]步骤(12)增加传感器数量：第八传感器集合中多个传感器对应的监测目标构成第一监测目标集合，对第一监测目标集合中每个监测目标设定覆盖圆， ，所述的覆盖圆是以目标位置为圆心，以传感器最大监测距离为半径的圆；
[0022]计算每个监测目标的覆盖圆内的平均太阳能充电功率，并按照功率由低到高进行排序，排序后监测目标对应的传感器构成第九传感器集合，与中的传感器数量和位置相同，但排序不同；
[0023]将第九传感器集合中的传感器从前到后逐个加入到第十传感器集合中，每当有一个传感器加入到中，利用TSP算法规划一次充电小车的充电路线，直至满足中的所有传感器进行充电后，剩余电量能够支撑充电小车回到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合充电策略的传感器部署方法，采用的无线传感网络是在一个正方形的二维平面上有多个监测目标需要通过部署传感器进行覆盖，每个监测目标满足设定阈值的概率覆盖；所部署的传感器通过两种方式来补充能量，一种方式是通过采集环境中的太阳能，另一种是通过一辆可移动的充电小车提供无线充电；平面内不同位置的太阳能充电功率不同；一辆能量有限的充电小车从平面内固定充电站出发，对所获取太阳能小于能量损耗的传感器节点补充能量，并可返回充电站补充自身能量；其特征在于：将传感器部署在监测目标的位置，并通过合并传感器的方式减少传感器的数量；当充电小车的电池容量不足时，通过向太阳能充沛的区域调整传感器的方式，减少充电路径中待充电传感器的数量；当充电小车的电池容量仍然不足时，调整充电序列中剩余传感器的位置，构造更短的充电路径；当充电小车的电池容量还是不足时，通过在太阳能充沛区域多放置传感器的方式实现能量中性的永久覆盖。2.如权利要求1所述的一种基于混合充电策略的传感器部署方法，其特征在于，该方法具体如下：步骤(1)多个监测目标构成监测目标集合，表示第个监测目标；在每个监测目标位置部署一个传感器，构成传感器集合，表示第个传感器，，为传感器数量，即监测目标数量；步骤(2)判断每个传感器能否仅通过太阳能充电即可达到能量中性，能达到能量中性的传感器构成第一传感器集合，不能达到能量中性的传感器构成第二传感器集合，即；步骤(3)对第二传感器集合中每个传感器对应的监测目标设定阈值圆，判断每个监测目标的阈值圆与其他监测目标的阈值圆是否有交集，阈值圆没有交集的监测目标对应的传感器构成第三传感器集合，阈值圆有交集的监测目标对应的传感器构成第四传感器集合，即；步骤(4)对第二传感器集合中的传感器，计算其能量缺口，即传感器监测功率与太阳能充电功率的差值，使用TSP算法规划充电小车的充电路线；根据充电路径，如果充电小车从充电站出发，对第二传感器集合中的所有传感器进行充电后，其剩余电量能够支撑充电小车回到充电站给自身补充电量，则执行步骤(5)，否则执行步骤(6)；步骤(5)减少传感器数量：对于形成每个阈值圆交集区域的监测目标对应的第四传感器集合中的两个或两个以上的传感器，仅保留其中一个传感器，并将该传感器置于交集区域，移除其他传感器；置于交集区域的所有传感器构成第五传感器集合；则最终保留的传感器集合，将中传感器数量以及中每个传感器的位置信息上报，完成最终部署；步骤(6)对第二传感器集合中每个传感器对应的监测目标的阈值圆，与仅凭太阳能即可达到能量中性的区域取交集；交集不为空的阈值圆对应的监测目标所在位置的传感器构成第六传感器集合，交集为空的阈值圆对应的监测目标所在位...

【专利技术属性】
技术研发人员：王然，李平，徐向华，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：