一种考虑充电特性的无线传感器网络充电方法和装置与流程

本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线传感器网络充电方法。

背景技术：

无线传感器网络(wirelesssensornetworks，wsns)是一种由部署在监控区域内、大量传感器以自组织及多跳的方式构成的新型网络，具有低成本、低功耗、多功能等特点，被广泛应用于环境检测、军事、智能家居、远程医疗等重要领域，例如可以在边远地区投放大量的节点来进行环境预测等，用于例如辅助农业上的灌溉、畜牧养殖等。遍布在网络中的传感器节点工作所需电量是由电池供应的，有限的电池容量成为制约整个传感网络生命周期大小的主要因素。在边远地区或不适合人类涉足的地域，人们通过使用无人机周期性地在该区域内巡逻并收集散布的传感器节点感知收集到的数据。在这种区域，为传感器节点进行电池的更换比较麻烦，且代价很高。对于普通区域，频繁的电池更换对于大量正在使用中的无线设备来说，代价也是很昂贵的，甚至在许多关键应用(例如植入的医疗设备心脏起搏器之类)中是不可行的，造成了网络系统生命周期受限的问题。因此延长wsns的生命周期，均衡区域内传感器节点的能耗，研究传感器节点的供能技术是有必要的。

目前，关于无线传感器网络功能的研究主要包括无线充电方式的研究、能量源布置及最小化能量源的研究、按充电车mc(mobilecharger)的个数分类研究、按充电小车mc的充电能力分类研究和按充电周期研究等问题研究。现有的充电研究均致力于提高网络的性能，延长无线传感器网络的寿命，且充电过程都是采用移动小车对一个节点充电充满后再继续对下一个节点充电，没有综合考虑节点的充电特性，在mc能量限制的情况下，很容易出现在一轮充电过程中一部分节点充满电而相当多的另一部分节点没有及时充电饿死，导致部分网络区域中断，造成整体充电效率较低，从而影响网络的正常运行。

由于目前wsns中节点通常使用的电池为锂电池，锂电池通常采用恒流转恒压充电模式。充电特性表现为：开始阶段为恒流充电模式，电池的电压较低，充电电流稳定；随着充电的进行，电压逐渐上升到4.5v，充电器将立即转入恒压模式，电压的波动控制在1％范围内，充电电流逐渐减小；当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使得电池充满，该阶段充电时长长且能量损耗大。据一项对手机电池使用寿命有关充电电量百分比做的研究表明，剩余能量较低时再充电或充电电量过满，一定程度上会加快缩短电池的使用寿命。因此，如果在wsns充电过程中综合考虑节点的充电特性，使得在一个充电周期内能够有更多的节点被充电，将极大地提高充电效率，最大化网络和节点的生命周期。目前在这一方向尚未有相关研究。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术的问题，本发明提出一种考虑节点充电特性的无线传感器网络充电方法，能够使移动小车在一个充电周期内为更多节点充电，并能够使充电小车走得更远，且可以延长电池的寿命，最大化无线传感器网络和节点的生命周期。

本发明还提供一种应用于无线传感器网络充电车的充电装置，目的是为了使充电小车具备记忆和感知能力，能够及时感应到节点当前电量，及时断开充电过程，并前往下一个节点充电，同时保证自己能够有足够能量返回基站bs。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种考虑节点充电特性的无线传感器网络充电方法，适用于充电小车，包括以下步骤：

s1、接收传感器节点的充电请求信息，将该节点加入充电请求队列，根据节点分布获得充电行驶路径；

s2、k辆小车均携带能量pk从集合点出发沿着充电行驶路径前往待充电节点，为路径上经过的节点进行充电，当节点电量达到指定阈值时停止为其充电，转而为下一节点充电，然后再为其他小车充电，并记录小车自身在行驶过程中消耗的能量，根据能量守恒定律，通过充电过程中每辆小车的能量计算公式得出每辆小车能行驶的最远距离，结合节点的分布得到可充最大节点数；

s3、小车为最远的节点充电后返回集合点补充能量，为下一次的充电调度做准备。

优选地，所述步骤s1中，传感器节点电量低于20％时，发出充电请求信息。

优选地，所述步骤s2中，当节点电量达到80％时停止为其充电。

优选地，所述步骤s2中，以li表示第i辆小车mci所能够到达的最远距离，小车mci仅为li+1和li之间的传感器节点进行充电，以及还为mci-1,mci-2,……,mc1充电，当不考虑充电过程能量损耗时，节点电量计算公式如下：

其中，ec为小车行驶单位距离消耗的能量，b为每个节点电池容量，b’＝b*(80％-20％)为只对节点充20％-80％阶段所需的电量，式中(i+1)*ec*li表示小车ck从bs出发到lk再返回到bs加上在lk处为其他小车充电的能量总和，表示小车ck为bs至lk间节点充电能量和。

当考虑充电过程能量损耗时，节点电量计算公式如下：

其中，ls、lc分别为小车对节点充电20％-80％阶段充电过程中的能量损耗以及小车给其他小车充电的能量损耗。

一种应用于无线传感器网络充电车的充电装置，其特征在于，所述装置包括：

接收单元，用于接收传感器节点的充电请求信息，并将节点加入充电请求队列，所述充电请求为当节点的剩余电量低于20％时发送的请求；

记忆单元，用于记录该充电车当前的电量，以及从基站bs出发行驶过程中消耗的能量；

感应单元，用于感测节点电量，若高于80％，则发送充电完成信息至控制单元；

确定单元，用于根据记忆单元记载的电量和能量消耗计算充电车最远行驶距离，确定最大充电节点数；

控制单元，用于控制充电车为节点和其他充电车进行充电；

删除单元，用于对充电请求队列中节点充电结束后，将该节点从充电请求队列中删除。

有益效果：

1、本发明首次提出在充电过程中考虑节点充电特性因素，并构建了相应的充电模型，当传感器节点能量低于20％时，对节点进行充电，当充电模式转变为涓流模式时(即节点电量达80％)，停止对该节点的充电转而为下一个节点充电；旨在利用涓流模式中花费的大量充电时间用于为其他节点充电，使得移动小车在一个周期内给更多的节点充电。

2、本发明的方法中同时派发多辆mcs为节点协同充电，并且在考虑mc之间也可以互相充电的条件下进行协同工作，使得充电小车能够走得更远。

3、本发明提供了两种计算模型，在不考虑充电损耗模型下，即理想网络模型下，算法可以将涓流模式阶段充电效率低的这个时间段利用起来为后续节点充电，具有最大化可充节点数的优势；其次，现实生活充电过程中大部分是存在充电损耗的，在考虑损耗的情况下，本发明除了具有最大化可充节点数量的优势还能够降低充电损耗，延长电池的寿命，最大化无线传感器网络和节点的生命周期。

附图说明

图1为根据本发明实施例的传感器网络模型图；

图2为根据本发明实施例的充电模型图；

图3为根据本发明实施例的充电方法流程图；

图4为根据本发明实施例的充电装置逻辑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

在一个实施例中，本发明的网络架构模型如图1所示，无线传感器网络由一个静态基站(basestation，bs)、k个移动充电小车(mobilecharger，mc)和n个静态传感器节点组成(简称节点)，n个节点容量和生命周期相同的节点沿直线一维均匀分布，基站为小车提供充电电源。图2为节点充电模型图。当节点s1当前电量en小于阈值α时，每辆小车从基站携带能量出发沿着一维路线为节点充电。这里假设所有节点初始情况下都是一样的能量，包括其工作状态，消耗都相同，所以当第一个节点申请充电后，后面的也都需要了。充电方式是点对点的，即在同一时间一个mc只能为网络中的一个传感器节点进行充电。为确保高的充电效率，只有在mc与传感器节点之间非常靠近的情况下mc才能为该传感器节点进行充电。

图3为根据本发明实施例的充电方法流程图，考虑了两种情况下的能量计算，网络中的能量消耗主要包括节点自身能量消耗、小车行驶路径能量消耗、小车为传感器节点充电过程能量损耗以及小车之间相互充电能量损耗。当仅考虑前两个能量消耗的情况下，选择左半部分执行流程，这适用于一些节点容量小，充电损耗可以忽略不计的场景。当考虑充电过程损耗过程的时候，执行右半部分操作，这适用于大部分情况。最后记录相应的最远距离和最大可充节点数，所有的mcs均返回基站补足能量，为下一个充电周期做准备。结合图2和图3，具体步骤描述如下。

step1、首先，记录沿一维直线分布在无线传感器网络中每个节点的剩余能量en，当节点能量低于阈值α时，节点向充电小车发出充电请求，请求为其进行充电。充电小车将能量值低于阈值α的节点加入充电请求队列。α为20％。

step2、k辆充电小车携带能量从基站出发，沿着一维直线为其所经过的传感器节点进行充电，假定所有小车均相同，从基站bs出发时，携带相同的能量(充满状态)pk，以li表示第i辆小车mci所能够到达的最远距离，小车mci仅为li+1和li之间的传感器节点进行充电，同时还为mci-1,mci-2,……,mc1充电，保证后面的小车到达相应的l处时自身电量满格。根据能量守恒定律，通过充电过程中每辆小车的能量计算公式可以得出每辆小车能行驶的最远距离。

其中，设ec为小车行驶单位距离消耗的能量，b为每个节点电池容量，若不考虑充电过程能量损耗，b’＝b*(80％-20％)为只对节点充20％-80％阶段所需的电量，当节点电量高于80％时，立即停止为其充电，并将该节点从充电请求队列中删除，转而为下一个节点充电。此时则有：

上式中第一行为第k辆小车(在图1中记为ck)在充电过程中的能量计算公式，所有小车(ck，ck-1，……c1)从bs出发，充电小车ck为所经过的节点充电(bs至lk阶段的节点)，同时为ck-1，……c1充满电。注意bs至lk阶段的节点仅由ck为其充电。公式中(i+1)*ec*li表示小车ck从bs出发到lk再返回到bs加上在lk处为后面小车充电的能量总和。表示为节点充电能量和。对li取整保证节点个数是个整数。式中第二行为小车ck-1，……，c2的能量计算公式，和第二行不同的原因在于ck-1为后面小车充电的计算公式不一样。根据该式可把lk-1，lk-2……，l2都计算出来。式中第三行是小车c1的行驶距离与能量p1之间的计算公式，可以计算出l1，然后转step3。

当考虑充电过程中的充电损耗因素时，与式(1)相比，每辆小车携带总能量不变，但其所能行驶的最远距离和最大可充节点数都因能量损耗而降低。每辆小车对应的充电过程中能量计算公式如下：

其中ls、lc分别为小车对节点充电(20％-80％)阶段充电过程中的能量损耗以及小车给其他小车充电的能量损耗。i从k开始直到i＝1，根据式(2)依次计算li，直到计算出l1。然后转step3。

step3、记录mcs所能到达的最远距离l1，可充最大节点数n，其中所有的mcs完成充电任务后返回基站bs补充能量，为下一次的充电调度做准备。

以传感器网络中不考虑充电过程中能量损耗为例，假设传感器网络中有3(k＝3)辆移动充电小车，每辆小车所能携带的最大能量pk＝100j，传感器节点节点容量均为b＝2j，小车匀速向前行驶，行驶速度记1m/s，单位行驶能量ec＝3j/m。当节点s1当前能量值低于阈值时，根据步骤2，基站派发小车对节点进行充电，每节点充电量为b’＝b*(80％-20％)＝1.2j。

根据由此可计算出小车mc3最多可为7个节点充电，在l3处，小车mc3为mc2、mc1充满电量，然后返回基站；由可计算出小车mc2最多可为15个节点充电，在l2处，小车mc2为mc1充满电量，然后返回基站；根据计算出l1＝22，小车mc1最多可为22个节点充电。最后根据步骤3记录mcs所能到达的最远距离l1，可充最大节点数n，小车mc1返回基站补充能量，为下一个充电周期做准备。

以传感器网路中考虑充电过程损耗为例，假设传感器网络中有3辆充电小车(即k＝3)，每辆小车所能携带的最大能量pk＝100j，传感器节点节点容量均为b＝2j，小车匀速向前行驶，行驶速度记1m/s，单位行驶能量ec＝3j/m，小车为节点充电20％-80％阶段充电损耗为ls＝50％，同时假设充电80％-100％阶段充电损耗为ls2＝75％，(ls2用于psb算法同等条件下的计算，将本算法与psb进行比较)且小车与小车之间充电能量损耗记为lc设为30％。当节点s1当前能量值低于阈值时，根据步骤2，基站派发小车对节点进行充电，每节点需充电量为b’＝b*(80％-20％)*(1+ls1)＝1.8j。

根据可计算出l3＝6.46，同样的根据公式可以计算出l2＝13.33，l1＝20；此外还根据psb算法计算了在相同条件下，不考虑充电过程损耗，小车的行驶距离l31＝7.16，l21＝14.33，l11＝21；考虑充电过程损耗条件下，小车的行驶距离l32＝6.12，l22＝12.17，l12＝19。

与不考虑充电过程中损耗情况相比，小车行驶距离因损耗的存在而降低，但是与已有提出的psb算法相比，无论是否考虑充电过程中损耗，本发明的算法均可使小车行驶距离更远，充更多节点数。

在另一个实施例中，为提高充电器的性能，从而整体上提高网络性能，提出一种应用于无线传感器网络充电车的充电装置。如图4所示，该充电装置主要包括：接收单元、记忆单元、感应单元、确定单元、控制单元、删除单元。

接收单元，用于接收传感器节点的充电请求信息，并将节点加入充电请求队列，所述充电请求为当节点的剩余电量低于20％时发送的请求；

记忆单元，用于记录充电车自身电量，以及充电车从基站bs出发行驶过程中消耗的能量；

感应单元，用于感测节点电量，若高于80％，则发送充电完成信息至控制单元，同时与记忆单元相结合用于感测自己的剩余能量是否能够保证其返回到bs处；

确定单元，用于根据记忆单元记载的电量和能量消耗计算充电车最远行驶距离，确定最大充电节点数，所述计算公式可参照上述(1)式和(2)式；

控制单元，用于控制充电车为节点和其他充电车进行充电，其中当接收到感应单元的充电完成信息后，停止为当前节点充电，转为下一节点充电，当队列中节点充完后，为其他小车充电；

删除单元，用于对充电请求队列中节点充电结束后，将该节点从充电请求队列中删除。

为了描述的方便和简洁，仅以上述功能模块的划分进行举例说明。实际应用中，开根据需要将上述功能分配由不同的功能模块完成，其中装置和单元的具体工作过程，可以参照前述方法实施例中的对应过程。另外，本发明的各功能模块可以集成在一个单元上，也可以几个单元有选择的集成在一个单元上，也可以各个单元单独物理存在，这些集成的单元不仅可以采用硬件方式实现，同时可以采用软件功能方式。若以软件形式实现使用时，可以存储在计算机的可读存储介质中。