无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法技术

本发明专利技术提出了无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，所述方法利用占空周期设计，安排节点工作状态、缓冲状态、睡眠状态下节点的电池恢复和能量搜集方法，所述方法利用缓冲状态下，节点没有数据传输时进行电量恢复，能够保证在有限时间里最大限度的恢复效果；在睡眠状态下的节点，除了电池恢复，同时进行RF能量收集，将电池恢复和RF能量搜集结合起来，达到最大可能的能量优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，具体指的是。
技术介绍
目前无线传感器网络的研究重心已经逐渐从理论开始转向应用，而在工程应用中，其发展始终受到节点能量的限制。用电池供电是无线传感器节点和网络能量供应的主要形式。虽然目前也有一些很具前景的新型能源比如太阳能和风能等可以实现节点的在线充电，但这些能源对周围环境和传感器节点自身的要求很苛刻。相对而言，电池是一种比较可靠而且稳定的能源形式。无线传感器节点内部是由微型嵌入式处理器、射频收发器和微传感器整合而成。受节点大小限制，大容量的电池无法应用到传感器上。另一方面，考虑到无线传感器网络的节点大量部署或者监测对象的特殊性，更换电池很不方便。这样就催生了一类目前正在进行的研究，用在线传递能量给逐渐消耗的电池，在线意味着不必关闭常规的网络功能。电池能量以常系数放电电压形式损耗，任意时刻也能够在同等电压调节下进行恢复。传统的电能可以在一些较大的集中地，通过石油燃料、核裂变或流水来产生，实现化学能、核能及动势能向电能的转换。大规模的环境能量如太阳能、风能或者潮汐的资源虽然到处都是，但是高效捕获的技术还很缺乏。目前的能量捕获并不能产生足够的能量来支持常规的机械工作，但是能提供非常少量的能量用以支持低能电子设备。大规模的能量生成需要成本，而用于能量捕获的“燃料”在大自然里处处可得，且无需成本。比如从燃烧引擎活动或者在附近某个区域的活动能够产生温度的一个梯度；而在自然环境里，射频和电视广播会产生大量的电磁能量。因此，作为一种前景很好的技术，利用不同能量资源的在线电池补充技术被提出用于传感器网络应用中。利用RF能源来实现电池的无线充电法就是一种新颖的在线电池补充技术，能够自用网络自身传输活动来为结点补充能量，延长节点寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是:，所述方法根据电池具有电量恢复效果的特性，其恢复效果有一个饱和门限(tsat)存在，超闲置时间过该门限再闲置就没有显著恢复；节点在传完数据后缓冲若干时隙，也能使电池电量恢复，只要缓冲时间没有超过缓冲门限值(tdb);另外节点可以从其邻区当前进行中的通信活动中搜集RF能量，将接收到的信号功率导入到整流和能量存储单元进行能量补充；为了达到搜能效果最大化，搜能节点和供能节点之间必须符合几何位置上的特定关系，供能节点的圆形通信范围半径为RT，载波侦听半径为2RT ;搜能节点的圆形通信范围半径为1/2RT，载波侦听半径也为2RT ;同时一个搜能节点周围的供能节点有数量上限，一个搜能节点周围最多有5个供能节点。本方法 利用占空周期设计，指合理安排节点工作状态、缓冲状态、睡眠状态下节点的电池恢复和能量搜集方法，利用搜能获益的条件即Pleak和Pscav之间关系，这里Pleak是节点处理器在非传输状态下的功率消耗，Pscav为搜集到的功率，同时利用电池电量恢复的门限条件来执行节点操作，以实现节点的能量优化；本方法中采用TDMA/CSMA混合接入机制，这种机制使得簇首之间可以利用同步方式来获知对方的占空周期，而簇内节点基于竞争来发送数据，无需知道邻居的占空周期。该方法步骤为:步骤1:节点初始化，完成分簇过程；分簇过程是指所有部署在无线传感器网络中具有更高初始能量的20%的节点作为簇首，普通节点根据接收到的簇首宣告消息中RF功率大小选择簇首，RF功率大的节点优先入选；簇成员是搜能节点，它们可以同时从能量搜集和电池恢复中获益；而簇首只能从电池恢复中获益，属于供能节点。步骤2:在工作状态下节点将等待数据传输，完成其作为簇首或者簇成员的任务。步骤3:在缓冲状态下的节点操作，漏电功率为Pleak,搜集功率Pscav,如果Plesk〈Psc;av，如果t ≤ tdb，普通簇成员进行RF能量搜集，并利用缓冲时隙进行电池恢复；簇首利用缓冲时隙进行电池恢复；如果t>tdb，普通簇成员继续进行RF能量搜集，直到有数据传输任务，簇首立刻进行数据传输；如果Pleak≥Pscav,如果t ≤tdb，簇首和簇成员利用缓冲时隙进行电池恢复；簇成员关闭RF能量搜集电路；如果t>tdb，关闭RF能量搜集电路，随时准备传输数据；普通传感器节点(簇成员)RF能量搜集电路采用CMOS电池能量捕获系统；步骤4:在睡眠状态下的节点操作如果Pleak〈Pseav，如果tsat，簇成员进入浅度睡眠，除了电池恢复，同时进行RF能量收集；簇首进入深度睡眠状态，进行电池恢复；如果t>tsat，节点激活；如果Pleak≥Pseav，如果t ≤tsat，簇首和簇成员均进入深度睡眠，进行电池恢复；如果t>tsat，簇首和簇成员激活。本专利技术的有益效果是:本专利技术提出了，利用占空周期设计，合理安排节点工作状态、缓冲状态、睡眠状态下节点的电池恢复和能量搜集方法，所述方法利用缓冲状态下，节点没有数据传输时进行电量恢复，能够保证在有限时间里最大限度的恢复效果；在睡眠状态下的节点，除了电池恢复，同时进行RF能量收集，将电池恢复和RF能量搜集结合起来，达到最大可能的能量优化。附图说明图1是本专利技术能量优化示意图。图2是本专利技术具有能量搜集功能的传感器节点结构框图。图3是本专利技术实现能量更新的分簇网络结构。图4是节点能量搜集范围示意图。其中，图3中， 粗虚线是族首间双向通/[目，一细虚线是族内单向通/[目，细箭头是簇内成员通信范围，粗箭头是簇首通信范围，黑方块是簇成员，黑圆点是簇首。具体实施例方式下面结合附图所示流程对本专利技术提出的进行详细说明:，本方法适用于分簇结构中簇内节点数据传输量不是很大的无线传感器网络环境中；为了实现能量更新，采取了将RF能量搜集和电池恢复效果在占空周期调度的基础上相结合的方法，节点在其他节点传输数据时，能够从捕获到的RF能中搜集能量并转换成可用能量，而节点自身在传输完数据后也要进行睡眠，从中进行电池能量恢复。利用TDMA/CSMA混合接入的MAC机制，将两种能量更新技术结合起来进行能量优化，在节点闲置时进行电池恢复，同时在节点周围有簇首传输数据时进行能量搜集；这两种方法结合的关键是设计节点缓冲状态、浅度睡眠状态和深度睡眠状态下不同的网络条件采取的不同操作；整体流程图见附图1。以下详细介绍各个步骤的方法:I实现RF能量搜集的传感器节点的设计为了进行传感器节点的环境能量捕获并转换成可操作的DC能量给节点操作供电，必须对传感器节点的硬件进行改造，在里面增加电磁能量捕获器。如果考虑RF能到DC能的转换电路效率，在UHF频段利用一般RFID技术从电磁域中转换出来的功率不够毫瓦级传感器的操作，所以我们使用超低功率的能量捕获系统CMOS技术来设计。能量捕获过程是从电磁RF域进行，并存储在缓冲电容中，可以用来给系统供能。添加了能量捕获器的传感器结构示意图如附图2所示。2分簇的设置在分簇网络环境下，所有部署在无线传感器网络中的节点具有不同的初始能量。节点参与分簇过程，其中能量排在前20%的节点成为簇首，该结构有利于簇成员的能量搜集及负载均衡。普通节点选择协作簇则是根据接收到的簇首宣告消息中RF功率大小来选择离自己最近的簇首。分簇结构如附图3。电池恢复和能量搜集都是在线进行，不需要外部能源。因此所有节点在其生命期内并不会受到本文档来自技高网...

【技术保护点】
无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法采用占空周期设计，根据节点所处工作状态、缓冲状态、睡眠状态安排节点的电池恢复和能量搜集方法；所述方法具体实现步骤如下：步骤A：节点初始化，完成分簇过程；步骤B：在工作状态下节点将等待数据传输，完成其作为簇首或者簇成员的任务；步骤C：在缓冲状态下的节点操作；设漏电功率为Plcak，搜集功率Pscav，饱和时间门限值为tsat，缓冲时间门限值为tdb，时间为t；当PleakL，普通簇成员继续进行RF能量搜集，直到有数据传输任务，簇首立刻进行数据传输；当Pleak≥Pscav，如果t≤tdb，簇首和簇成员利用缓冲时隙进行电池恢复；簇成员关闭RF能量搜集电路；如果t>tdb，关闭RF能量搜集电路，随时准备传输数据；步骤D：在睡眠状态下的节点操作当Pleaktsat，节点激活；当Pleak≥Pscav，如果t≤tsat，簇首和簇成员均进入深度睡眠，进行电池恢复；如果t>tsat，簇首和簇成员激活。

【技术特征摘要】
1.线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，其特征在于，所述方法采用占空周期设计，根据节点所处工作状态、缓冲状态、睡眠状态安排节点的电池恢复和能量搜集方法；所述方法具体实现步骤如下: 步骤A:节点初始化，完成分簇过程； 步骤B:在工作状态下节点将等待数据传输，完成其作为簇首或者簇成员的 任务； 步骤C:在缓冲状态下的节点操作； 设漏电功率为Plcak,搜集功率Pscav,饱和时间门限值为tsat，缓冲时间门限值为tdb，时间为t ； 当PlMk〈Psc；av，如果t ( tdb，普通簇成员进行RF能量搜集，并利用缓冲时隙进行电池恢复；簇首利用缓冲时隙进行电池恢复；如果t>L，普通簇成员继续进行RF能量搜集，直到有数据传输任务，簇首立刻进行数据传输； 当Pleak ^ Pscavj如果t ( tdb，簇首和簇成员利用缓冲时隙进行电池恢复；簇成员关闭RF能量搜集电路；如果t>tdb，关闭RF能量搜集电路，随时准备传输数据； 步骤D:在睡眠状态下的节点操作 当PleaKPsrav， 如果t彡tsat，簇成员进入浅度睡眠，除了电池恢复，同时进行RF能量收集；簇首进入深度睡眠状态，进行电池恢复；如果t>tsat，节点激活； 当Pld ^ Pscav^如果t ( tsat，簇首和簇成员...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈玲，唐慧强，夏景明，胡凯，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：