本发明涉及充电技术领域，具体涉及一种无线充电器在无线传感器网络中的充电完成时间优化方法。
背景技术：
建立无线传感器网络的主要目的是为了监控现实世界并为多种应用提供客观观察和依据。传统的无线传感器网络节点通常采用电池供电，而传感器节点电池容量通常很小，使得节点工作时间受限于电池容量，这成为了影响无线传感器网络实际应用的一个重大障碍。为了解决这个问题，一种研究方向集中于降低节点的能量消耗，另一个研究方向就是节点能量的补充。得益于近来无线能量传输技术的发展，一种无线可充电传感器网络出现了，与传统传感器网络的区别在于，无线可充电传感器网络采用可无线充电的电池功能。
考虑无线能量传输与传输距离的关系，距离越长，充电速率越低，无线可充电传感器网络中通常需要一个可移动充电装置来为节点充电。因为充电速率的限制，充电过程是相当耗时的，因此充电时间是影响整个无线可充电传感器网络性能的重要因素。基于上述描述，现有很多工作研究优化无线可充电传感器网络的充电时延，大部分工作采用了“移动-充电”的模型：一个充电器先移动到充电位置，再对周围的节点进行充电，这个过程直到所有的节点充电完成。采用该方式对节点进行充电，其整个充电过程耗时长。
技术实现要素：
本发明为了解决上述技术问题提供一种无线充电器在无线传感器网络中的充电完成时间优化方法。
本发明通过下述技术方案实现：
无线充电器在无线传感器网络中的充电完成时间优化方法，包括以下步骤：
A、根据网络节点分布位置将其划分为k个不相重叠的区域，并确定k个区域的充电位置，其中，k为大于等于1的自然数；
B、将k个充电位置连接为一个封闭路径，计算路径的最小时间代价、路段上的移动速度和在充电位置的停留时间；
C、将充电位置点集的凸包作为初始路径；
D、从剩余的充电位置点集中选取一个时间代价最小的位置点作为路径中下一个充电位置点，重复此步骤直至路径中包含所有位置点；
E、选择路径中某个充电位置作为起始点，无线充电器停留时间T1后移动到下一充电位置点，保持充电模式按步骤B得到的路段上的移动速度依次移动到路径中充电位置并在充电位置保持相应停留时间以完成对整个无线传感器网络节点的充电。
在无线可充电传感器网络中，通常采用一个移动无线充电器在网络中移动来为传感器充电。本发明对充电时间进行优化，以缩短整个充电过程的耗时。本方案同样采用一个无线充电器为网络节点充电，所不同的是，无线充电器在移动过程中同时为节点充电，而不是必须先移动到目标位置再进行充电；其次，充电器在每个路段中的移动速度不是固定的，而是随着充电器所在位置和节点拓扑变化的；最后，通过对路径进行优化，降低了移动和充电时间。
作为优选，所述充电位置的确定方法为：
将充电速率离散化至L个固定的充电等级；
计算离散阈值、各等级上的充电速率和各等级上的充电范围；此处的充电范围是按照充电器与节点的位置距离划分的，不同距离的区域充电速率不同，对应不同的充电等级；
分别以传感器节点为圆心形成L个同心圆以使传感器的可充电范围分割成L个不重叠的充电区域,充电器经过任何一个可充电区域时都能为传感器节点充电，合理利用了充电器的移动时间。
对分割区域进行聚类，以形成K个充电位置。
进一步的，所述聚类采用k-means聚类算法。
作为优选，所述路径的时间代价、路段上的移动速度和在充电位置的停留时间的计算方法为：
其中，ti表示在充电位置i上停留的时间，pi表示充电路段i的长度，si表示对应路段上的移动速度，α为弗里斯公式中其他固定的参数，minT表示最小时间代价，s.t表示约束条件，ni表示第i个充电位置点，N表示充电位置点的个数，ei表示充电器在移动中对i的充电速率，cT表示无线节点充电电量的阈值，eij表示充电器在位置j对i的充电速率,dij表示i与j的几何距离，(xi,yi)和(xj,yj)分别表示位置点i、j的平面位置坐标。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明无线充电器在移动过程中同时为节点充电，在每个路段中的移动速度随着充电器所在位置和节点拓扑变化的；且其移动路径为优化路径，移动和充电时间耗时短。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
无线充电器在无线传感器网络中的充电完成时间优化方法，包括以下步骤：
A、根据网络节点分布位置将其划分为k个不相重叠的区域，并确定k个区域的充电位置，其中，k为大于等于1的自然数；
B、将k个充电位置连接为一个封闭路径，计算路径的最小时间代价、路段上的移动速度和在充电位置的停留时间；
C、将充电位置点集的凸包作为初始路径，即从节点集中选取一个最小子集使得位置点集中剩余位置点都处于这个子集中所有位置点连接形成的闭环中；
D、从剩余的充电位置点集中选取一个时间代价最小的位置点作为路径中下一个充电位置点，重复此步骤直至路径中包含所有位置点；
E、选择路径中某个充电位置作为起始点，无线充电器停留时间T1后移动到下一充电位置点，保持充电模式按步骤B得到的路段上的移动速度依次移动到路径中充电位置并在充电位置保持相应停留时间以完成对整个无线传感器网络节点的充电。
本方案移动充电器采用边移动边充电的机制，选择路径中任意充电位置为起始点，停留预设时间T1后移动到下一充电位置，并在该位置保持相应的停留时间，如此继续，直至走完所有充电位置，此时整个网络中所有的节点电量将达到工作所需电量阈值。在移动过程中的移动速度、下一充电位置以及充电位置停留时间均通过优化，大大减小了整个无线传感器网络的充电完成时间。
实施例2
给予实施例1的原理，本实施例公开一详细实施方式。
根据弗里斯传输公式可知，充电器为节点充电的速率与两者之间距离有关，距离越远，充电速率越小。弗里斯传输公式为：
设定传感器网络中包含N个节点，处于一个有限面积的二维平面中，充电器由无人机或者自动驾驶小车搭载，公式中设计的符号及含义见下表。
A、规划充电位置：首先将充电速率离散化至L个固定的充电等级；根据Cmin＝Cmax(1+ε)-(L-1)计算离散阈值ε、各等级上的充电速率；再通过弗里斯传输公式可以计算各等级上的充电范围。
分别以传感器节点为圆心形成L个同心圆以使网络形成不重叠有限的分割区域，每个区域可作为一个充电位置点。但是，此时的分割区域数量较大，若将每个分割区域作为充电位置点，其路径长，势必影响充电时间。为了减小该影响，采用k-means聚类算法对分割区域进行聚类，以形成K个充电位置，即充电器需要访问的k个地点。
根据充电速率、充电器、节点之间距离的关系，充电器与节点之间距离越小，充电速率越大。当充电器位于充电速率低的区域时，其充电效率变低，此时增加充电器的移动速度，使其更快的移动到充电速率较高的区域，提高充电效率，避免时间的浪费。在位于充电速率高并且周围节点相对多的区域时，降低移动速度，增加充电时间，能更好的提高为整个网络充电的效率。
B、将k个充电位置连接为一个封闭路径，该路径中每个充电周期内针对每个充电位置，无线充电器只能到达一次，充电器移动时也能为处于充电范围内的节点进行充电。在规划路径之前，先计算一条路径的最小时间代价，时间代价即充电器通过此路径对位于路径范围内的节点充满所需电量的总时间。此问题可作为一个线性规划问题，目标函数为时间，限制条件为所有的节点必须达到电量阈值以及充电器的移动速度限制，问题表述为：
其中，ti表示在充电位置i上停留的时间，pi表示充电路段i的长度，si表示对应路段上的移动速度，α为弗里斯公式中其他固定的参数，min T表示最小时间代价，s.t表示约束条件，ni表示第i个充电位置点，N表示充电位置点的个数，ei表示充电器在移动中对i的充电速率，cT表示无线节点充电电量的阈值，eij表示充电器在位置j对i的充电速率,dij表示i与j的几何距离，(xi,yi)和(xj,yj)分别表示位置点i、j的平面位置坐标。
表明每个节点电量来源于充电器在该节点所在范围内的充电位置与充电路段上时为它补充的电量。解上述方程，可得到路径的时间代价，以及充电器在不同路段上的速度和在充电位置上的停留时间。
C、将充电位置点集的凸包作为初始路径，即从节点集中选取一个最小子集使得位置点集中剩余位置点都处于这个子集中所有位置点连接形成的闭环中；
D、从剩余的充电位置点集中选取一个时间代价最小的位置点作为路径中下一个充电位置点，重复此步骤直至路径中包含所有位置点；
E、选择路径中某个充电位置作为起始点，无线充电器停留时间T1后移动到下一充电位置点，保持充电模式按步骤B得到的路段上的移动速度依次移动到路径中充电位置并在充电位置保持相应停留时间以完成对整个无线传感器网络节点的充电。
步骤C、D实质上是生成路径，路径的生成实质是考虑速度变化的旅行商问题，即NP难问题，并且以时间作为衡量标准，我们采用一个启发式算法来求解此问题。将充电位置集的凸包作为一条初始路径，再逐渐选择最优节点和其对应的最优访问顺序加入路径，直到路径包含所有的充电位置。选择最优节点和最优访问顺序的原则是，将此节点按访问顺序插入到路径中，所增加的充电时间最少。路径对应的充电时间计算采用线性规划的方式，限制条件为路径范围内的节点电量达到阈值，目标函数为充电时间。
本方案具有以下优势：其一、不同于单独优化充电器移动距离或者在充电位置上的充电时间，此发明的优化目标是端对端的优化整个网络的充电时间，可以使得整个无线传感网络更快的完成充电过程。其二、充电器能够在移动中对无线传感器充电，使得充电器能够充分利用移动时间为无线传感器节点充电，节省充电时间。其三、充电器的移动速度是变化的，能够更有效率的在充电器的移动过程中为无线传感器节点充电。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。