WSN充电服务站点设定方法及充电设备行驶路径规划方法与流程

本发明涉及智能路径规划领域，尤其是一种wsn充电服务站点设定方法及充电设备行驶路径规划方法。

背景技术：

无线传感器网络(wirelesssensornetwork，wsn)是由各种相同或不同的传感器节点，通过协作的方式，感知环境变量数据并采集、处理和传输。因其具备自组织、部署便捷、低功耗能等特点，被广泛应用于智能交通、军事、室内定位、灾害预防等多领域。

在wsn中传感器节点采用单跳或多跳的方式进行数据传输，因传感器节点的储能有限，为保证wsn中传感器节点正常工作，需要对传感器节点进行能量补充。

目前，针对该问题，各国研究者进行了大量的研究，主要可分为节能法、能量收集法以及无线充电法。

在无线充电法中，一般的，传感器节点以及充电服务站点的部署都是预先设定的。显然，不同工程应用中，wsn的区域范围不同，传感器节点的部署也不同，预先部署传感器节点的方式不能涵盖各类不同工程应用的实际情况。同时，移动无线充电设备所携带的能量有限，可能无法一次遍历所有传感器节点，而需要多次往返充电服务站点，进行能量补充，所以充电服务站点位置的选择十分关键。再者，移动无线充电设备可采用一对一的充电方式或一对多的充电方式对传感器节点进行能量的补充。一般地，当传感器节点部署密度较大时，采用一对一的充电方式所花费的时长较大，同时，移动无线充电设备所行驶的路程较大；当传感器节点部署密度较小时，采用一对多的充电方式时，由于传感器节点距离充电锚节点的不等，若距离较远，则充电效率骤减，严重影响充电质量。

技术实现要素：

为解决上述问题的至少一个，本发明的目的在于提供一种wsn充电服务站点设定方法及充电设备行驶路径规划方法，能够较为合理地设定wsn充电服务站点的位置、规划充电设备行驶路径。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提出了一种wsn充电服务站点设定方法，包括：

利用若干个大小相等的图形将wsn划分成若干个区域；

将每个传感器节点分别对应到所属的区域中；

在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点；

将充电服务站点设定在与各个锚节点的距离之和最小的位置。

进一步，利用若干个大小相等的正六边形将wsn区域划分成若干个蜂窝。

进一步，所述将每个传感器节点分别对应到所属的区域中，包括：

按顺序对区域进行编号；

按照区域的编号顺序，判断wsn中的每一个传感器节点是否位于某一个区域内，将在某一个区域和该区域内的传感器节点对应起来，若传感器节点位于两个相邻区域的边界上，优先将其对应到编号较前的区域。

进一步，所述在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点，包括：

若某个区域中不存在传感器节点，则不在该区域内选取锚节点；若某个区域中仅存在一个传感器节点，则锚节点的位置即为该传感器节点的位置；若某个区域中存在两个传感器节点，则锚节点的位置为两个传感器节点的位置的中心点；若某个区域内的传感器节点数量大于两个，则锚节点的位置为该区域的中心点；

对每个锚节点进行编号。

第二方面，基于本发明实施例的第一方面，本发明实施例还提供了一种充电设备行驶路径规划方法，包括：将传感器节点、锚节点和充电服务站点的位置输入到人工免疫模型，筛选出移动无线充电设备完成能量补充任务所需总耗能最小的行驶路径。

进一步，所述筛选出移动无线充电设备完成能量补充任务所需总耗能最小的行驶路径，包括：

以移动无线充电设备遍历锚节点的路径作为抗体，构建抗体种群；

根据移动无线充电设备的剩余能量对抗体种群中的抗体进行检验；

获取抗体的适应度；

对抗体种群进行克隆操作；

通过变异算子对克隆后的抗体种群进行变异操作；

在变异后的抗体种群中筛选出适应度较小的抗体；

若未达到迭代终止条件，则更新抗体种群，迭代执行以上步骤；若达到迭代终止条件，则输出该适应度较小的抗体。

进一步，所述以移动无线充电设备遍历锚节点的路径作为抗体，构建抗体种群，包括：

根据锚节点的数量生成一组随机序列，作为一个抗体；

生成若干个抗体，将抗体和抗体数量利用矩阵形式表示。

进一步，所述根据移动无线充电设备的剩余能量对抗体种群中的抗体进行检验，包括：从行驶路径上的第一个锚节点开始，判断从某个锚节点到下一个锚节点之前移动无线充电设备的剩余能量是否满足行驶到下一个锚节点为其充电并返回充电服务站点，若无线充电设备的剩余能量不足，则返回充电服务站点，进行能量补充。

进一步，利用适应度函数获取抗体的适应度，所述适应度函数为：

fit＝etra+ech；

进一步，所述变异算子包括字符交换变异算子、字符串移位变异算子、字符串逆转变异算子以及字符串重组变异算子中的至少一种。

第三方面，本发明实施例还提供了一种装置，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明实施例第一方面、第二方面所述的方法。

一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面、第二方面所述的方法。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下有益效果：本发明实施例提供的一种充电服务站点设定方法，通过若干个大小相等的图形将wsn划分成若干个区域，将每个传感器节点分别对应到所属的区域中，并在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点，利用锚节点作为充电服务站点的设定基准，可以简单、合理地确定充电服务站点的最优位置。

本发明实施例提供的一种充电设备行驶路径规划方法，通过人工免疫模型，筛选出移动无线充电设备完成能量补充任务所需总耗能最小的行驶路径，有效地节约了能量资源；另一方面，由于人工免疫模型的多样性和快速的收敛速度，有利于提高行驶路径的优化准确性以及获取效率。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例中充电服务站点设定方法的流程图；

图2是本发明一个实施例中将每个传感器节点分别对应到所属的区域中的流程图；

图3是本发明一个实施例中在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点的流程图；

图4是本发明一个实施例中充电设备行驶路径规划方法的流程图；

图5是本发明一个实施例中以移动无线充电设备遍历锚节点的路径作为抗体，构建抗体种群的流程图；

图6是本发明一个实施例中锚节点的部署示意图；

图7是本发明一个实施例中充电服务站点的部署示意图；

图8是本发明一个实施例中充电设备行驶路径的规划示意图；

图9是本发明一个实施例中执行充电服务站点设定方法或者充电设备行驶路径的装置的示意图。

具体实施方式

无线传感器网络(wirelesssensornetwork，wsn)是由各种相同或不同的传感器节点，通过协作的方式，感知环境变量数据并采集、处理和传输。因其具备自组织、部署便捷、低功耗能等特点，被广泛应用于智能交通、军事、室内定位、灾害预防等多领域。

在wsn中传感器节点采用单跳或多跳的方式进行数据传输，因传感器节点的储能有限，为保证wsn中传感器节点正常工作，需要对传感器节点进行能量补充。

目前，针对该问题，各国研究者进行了大量的研究，主要可分为节能法、能量收集法以及无线充电法。

在无线充电法中，一般的，传感器节点以及充电服务站点的部署都是预先设定的。显然，不同工程应用中，wsn的区域范围不同，传感器节点的部署也不同，预先部署传感器节点的方式不能涵盖各类不同工程应用的实际情况。同时，移动无线充电设备所携带的能量有限，可能无法一次遍历所有传感器节点，而需要多次往返充电服务站点，进行能量补充，所以充电服务站点位置的选择十分关键。再者，移动无线充电设备可采用一对一的充电方式或一对多的充电方式对传感器节点进行能量的补充。一般地，当传感器节点部署密度较大时，采用一对一的充电方式所花费的时长较大，同时，移动无线充电设备所行驶的路程较大；当传感器节点部署密度较小时，采用一对多的充电方式时，由于传感器节点距离充电锚节点的不等，若距离较远，则充电效率骤减，严重影响充电质量。

基于此，本发明提供了一种wsn充电服务站点设定方法及充电设备行驶路径规划方法，通过若干个大小相等的图形将wsn划分成若干个区域，将每个传感器节点分别对应到所属的区域中，并在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点，利用锚节点作为充电服务站点的设定基准，可以简单、合理地确定充电服务站点的最优位置；而通过人工免疫模型，筛选出移动无线充电设备完成能量补充任务所需总耗能最小的行驶路径，有效地节约了能量资源；另一方面，由于人工免疫模型的多样性和快速的收敛速度，有利于提高行驶路径的优化准确性以及获取效率。

下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。

参照图1、图6、图7，本发明的一个实施例提供了一种wsn充电服务站点设定方法，包括但不限于以下步骤：

s100:利用若干个大小相等的图形将wsn划分成若干个区域；

s200:将每个传感器节点分别对应到所属的区域中；

s300:在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点；

s400:将充电服务站点设定在与各个锚节点的距离之和最小的位置。

在本实施例中，wsn为图6中的正方形区域。利用若干个大小相等的图形将wsn划分成若干个区域，可以保证每个传感器节点所在区域的大小相等，使得后续锚节点和充电服务站点的选取更加准确。

在本实施例中，可以采用坐标的方式，确定各个传感器节点和锚节点的坐标，便于得出与各个锚节点的距离之和最小的位置。

在本实施例中，通过若干个大小相等的图形将wsn划分成若干个区域，将每个传感器节点分别对应到所属的区域中，并在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点，利用锚节点作为充电服务站点的设定基准，可以简单、合理地确定充电服务站点的最优位置。

进一步地，作为其中一个优选的实施例，在步骤s100中，利用若干个大小相等的正六边形将wsn区域划分成若干个蜂窝。

在本实施例中，并不限定于使用正六边形对wsn区域进行划分，也可以采用其他形状的图形，例如正方形、三角形等，而由于传感器天线的覆盖范围是圆形的，正六边形的内接圆形的面积要比正方形、三角形的内接圆形的面积要大，因此采用正六边形进行划分有利于提高覆盖范围。需要特别说明的是，若采用圆形、椭圆形等图形进行划分会存在相邻间覆盖不完全的情况，因此将这类图形排除。

进一步地，参照图2，作为其中一个优选的实施例，步骤s200:将每个传感器节点分别对应到所属的区域中，具体包括：

s210:按顺序对区域进行编号；

s220:按照区域的编号顺序，判断wsn中的每一个传感器节点是否位于某一个区域内，将在某一个区域和该区域内的传感器节点对应起来，若传感器节点位于两个相邻区域的边界上，优先将其对应到编号较前的区域。

在本实施例中，按顺序对区域进行编号，然后按照区域的编号顺序，判断wsn中的每一个传感器节点是否位于某一个区域内，可以避免出现遗漏而影响最终的充电服务站点的位置确定。

进一步地，参照图3，作为其中一个优选的实施例，步骤s300:在每个区域中根据传感器节点的位置选取锚节点，具体包括：

s310:若某个区域中不存在传感器节点，则不在该区域内选取锚节点；若某个区域中仅存在一个传感器节点，则锚节点的位置即为该传感器节点的位置；若某个区域中存在两个传感器节点，则锚节点的位置为两个传感器节点的位置的中心点；若某个区域内的传感器节点数量大于两个，则锚节点的位置为该区域的中心点；

s320:对每个锚节点进行编号。

本实施例根据传感器节点的数量和位置分别选取锚节点，使得锚节点尽量位于各个传感器节点的中心，有利于提高充电服务站点位置的准确性。

在选取了充电服务站点的位置后，本发明的另一个实施例还提供了充电设备行驶路径规划方法，包括：将传感器节点、锚节点和充电服务站点的位置输入到人工免疫模型，筛选出移动无线充电设备完成能量补充任务所需总耗能最小的行驶路径。

生物的免疫系统是一种自适应的、自组织的、分布式的系统，是一种能够抵挡外来病原体的具有复杂功能的防御系统，人工免疫系统是一种灵感来源于生物体免疫系统，用于解决计算机领域问题的新兴算法。免疫系统是哺乳动物抵御外来病毒侵害的防御系统，动物的生命过程中会遇到各种伤害可能，免疫系统为其正常的活动起着重要的作用。免疫系统的一大特点就是用有限的资源有效地应对了数量庞大且种类多变的病毒入侵。受此特性的启发，人们设计了一种具有对多峰值函数进行多峰值搜索和全局寻优的新型算法，这种算法称为人工免疫算法，采用这种算法的为人工免疫模型。

在本实施例中，通过人工免疫模型，筛选出移动无线充电设备完成能量补充任务所需总耗能最小的行驶路径，有效地节约了能量资源；另一方面，由于人工免疫模型的多样性和快速的收敛速度，有利于提高行驶路径的优化准确性以及获取效率。

进一步地，参照图4、图8，作为其中一个优选的实施例，以移动无线充电设备遍历锚节点的路径作为抗体，构建抗体种群，包括但不限于以下步骤：

s500:以移动无线充电设备遍历锚节点的路径作为抗体，构建抗体种群；

s600:根据移动无线充电设备的剩余能量对抗体种群中的抗体进行检验；

s700:获取抗体的适应度；

s800:对抗体种群进行克隆操作；

s900:通过变异算子对克隆后的抗体种群进行变异操作；

s1000:在变异后的抗体种群中筛选出适应度较小的抗体；

若未达到迭代终止条件，则更新抗体种群，迭代执行以上步骤；若达到迭代终止条件，则输出该适应度较小的抗体及其适应度。

在本实施例中，迭代终止条件为最大迭代次数，设定为500次，在其他实施例中也可以根据实际的情况自由设定。

进一步地，参照图5，作为其中一个优选的实施例，步骤s500:以移动无线充电设备遍历锚节点的路径作为抗体，构建抗体种群，具体包括：

s510:根据锚节点的数量生成一组随机序列，作为一个抗体；

s520:生成若干个抗体，将抗体和抗体数量利用矩阵形式表示。

例如，锚节点的数量为n个，随机生成一组1-n的随机序列，即移动无线充电设备的行驶路径为抗体的结构。随机生成m组此类抗体，则构成一个m×n的矩阵，该矩阵即为抗体种群。

进一步地，作为其中一个优选的实施例，步骤s600:根据移动无线充电设备的剩余能量对抗体种群中的抗体进行检验，具体包括：从行驶路径上的第一个锚节点开始，判断从某个锚节点到下一个锚节点之前移动无线充电设备的剩余能量是否满足行驶到下一个锚节点为其充电并返回充电服务站点，若无线充电设备的剩余能量不足，则返回充电服务站点，进行能量补充，反之，则继续行驶到下一锚节点完成充电任务。

进一步地，作为其中一个优选的实施例，步骤s700:获取抗体的适应度中，适应度为移动无线充电设备总消耗能量，总消耗能量包括移动无线充电设备的行驶能量以及为wsn中传感器节点充电所消耗的能量，采用适应度函数获取抗体的适应度，适应度函数为：fit＝etra+ech(1)

其中，公式(1)中，fit为总耗能，etra为移动无线充电设备行驶耗能，ech为移动无线充电设备为wsn中所有传感器节点充电所消耗的能量。

其中，公式(2)中，ptra为移动无线充电设备的行驶功率，v为移动无线充电设备的行驶速度，len为移动无线充电设备完成充电任务所行驶的路程。

其中，公式(3)中，dl为一个充电回路移动无线充电设备的行驶路程。

其中，公式(4)中，di,i+1为锚节点i到锚节点i+1的距离，dm,0为锚节点m到充电服务站点的距离。

其中，公式(5)中，echi为第i个锚节点所在蜂窝内，移动无线充电设备对该蜂窝内传感器节点充电所消耗的能量。

其中，公式(6)中，esn为传感器节点的初始能量，esn,j为该区域内第j个节点的剩余能量。

其中，公式(7)中，pi为传感器节点的能耗功率，t为移动无线充电设备达到该传感器节点所在区域的时刻。

进一步地，作为其中一个优选的实施例，步骤s900:通过变异算子对克隆后的抗体种群进行变异操作中，变异算子包括字符交换变异算子、字符串移位变异算子、字符串逆转变异算子以及字符串重组变异算子。具体地，变异算子分为字符交换变异算子、字符串移位变异算子、字符串逆转变异算子以及字符串重组变异算子。字符交换即随机生成1-n中2个整数，交换对应的锚节点顺序；字符串移位变异算子即随机生成2个不等的1-n之间的随机整数，将抗体中对应的两个锚节点以及两锚节点之间的其他锚节点，向左循环移动一位，其余位不变；字符串逆转变异算子即随机生成2个不等的1-n之间的随机整数，将对应位上的锚节点以及2锚节点之间的其他锚节点进行逆转，其他位上的锚节点保持不变；字符串重组变异算子即随机生成2个不等的1-n之间的随机整数，将对应位上的锚节点以及2锚节点之间的其他锚节点进行重新排序，其他位上的锚节点保持不变。

参照图9，本发明的一个实施例还提供了一种装置，包括：

至少一个处理器；

以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述方法实施例中任意一种wsn充电服务站点设定方法或者充电设备行驶路径规划方法。

该装置100可以是任意类型的智能终端，例如手机、平板电脑、个人计算机等。

处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态性计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的wsn充电服务站点设定方法或者充电设备行驶路径规划方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行装置100的各种功能应用以及数据处理，即实现上述任一方法实施例的wsn充电服务站点设定方法或者充电设备行驶路径规划方法。

存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据装置100的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该装置100。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述一个或者多个处理器执行时，执行上述任意方法实施例中的wsn充电服务站点设定方法或者充电设备行驶路径规划方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤s100至s400，图4中的方法步骤s500至s1000。

本发明的一个实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，例如，被图9中的一个处理器执行，可使得上述一个或多个处理器执行上述方法实施例中的一种wsn充电服务站点设定方法或者充电设备行驶路径规划方法，例如，执行以上描述的图1中的方法步骤s100至s400、图2中的方法步骤s210至s220、图3中的方法步骤s310至s320、图4中的方法步骤s500至s1000，图5中的方法步骤s510至s520。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory,rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory,ram)等。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。