一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法与流程

本发明属于无线传感器网络技术领域，特别是涉及一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法。

背景技术

无线传感器网络(wirelesssensornetworks，wsns)是由大量传感器节点通过无线通信的方式形成的具有一定数据处理和转发功能的网络。传感器节点被部署在指定区域，通过单跳或多跳的方式自组织地形成一个通信网络系统，该系统被广泛运用于军事、农业以及各种特殊或较为恶劣的物理环境中监测数据和采集信息。wsns的应用前景非常广泛，愈来愈受到学术界和工业界的重视。

在传统的wsns中，传感器节点自身能量问题一直是网络维持工作的一个主要瓶颈。针对该问题，前人已经提出了许多高效节能的路由算法，其中就包括分簇路由算法。分簇路由算法主要是对wsns中的节点根据某种规则生成多个簇，簇中有簇头节点和若干个簇内节点，簇内节点负责采集数据，簇头节点负责收集簇内节点的数据并传输给固定基站。但是在传统的wsns中节点能量是有限的，节点能量还是会消耗殆尽。

随着无线充电技术的发展，无线传感器网络中引入无线充电也得到了更多人的关注，引入无线充电技术后的无线可充电传感器网络(wirelessrechargeablesensornetworks，wrsns)克服了节点能量有限所带来的问题。通过移动充电设备按照某种机制来给节点进行能量补给，除了节点的硬件故障或其它非能量因素引起节点死亡外，无线传感器网络将会持续的工作。因为引入了移动充电设备对节点进行能量补给的机制，移动充电设备的位置和节点的剩余能量将会影响节点是否成为簇头，是否被选为跳转以及移动充电设备在给节点充电时节点的路由和跳转情况，因此传统的wsns中的分簇路由方法不再适用于wrsns，因此亟需在wrsns中提出一种合理的分簇路由方法，而且现有技术中的无线可充电传感器网络网格分簇路由方法会出现传感器节点能量不均衡、数据传输时延的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，用于解决现有技术中无线可充电传感器网络中的传感器节点能量不均衡、数据传输时延的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，所述无线可充电传感器网络网格分簇路由方法包括：在被监测的h×m二维区域，h为二维区域的长度，m为二维区域的宽度，设置有固定基站b、服务站s、由n个传感器节点组成的传感器网络以及用于为传感器节点进行充电的充电设备，传感器节点用集合π＝{s1,...,si,...,sn},1≤i≤n,i∈z表示，其中，si表示第i个传感器节点，sn表示第n个传感器节点，z表示正整数；利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络，每个所述虚拟蜂窝网格内的传感器节点构成一个簇，根据虚拟蜂窝网格划分结果计算充电设备的充电路径；所述充电设备从服务站s出发沿着充电路径执行充电任务，根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点；根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向。

作为本发明的一种优选方案，所述充电设备为移动充电设备，所述移动充电设备匀速行驶，移动速度为v，充电功率为u。

作为本发明的一种优选方案，所述第i个传感器节点的消耗功率为pi、初始能量为

作为本发明的一种优选方案，所述利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络包括：

计算虚拟蜂窝网格的边长l为：

其中，d表示传感器节点的通信半径，r表示移动充电设备的充电半径；

根据虚拟蜂窝网格的边长l计算传感器节点的节点梯度值：

其中，gi表示传感器节点的节点梯度值，表示传感器节点所属的虚拟蜂窝网格的中心到固定基站b的距离，其中，πk表示第k个虚拟蜂窝网格，k表示虚拟蜂窝网格的编号，1≤k≤ln,k∈z，ln表示内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格的个数，即为簇个数；

计算内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格的最短哈密顿回路，所述最短哈密顿回路即为移动充电设备的充电路径l；

l＝{π0,π1,π2,...πi,...πln,π0}，其中，π0表示服务站s的位置，πi表示第i个虚拟蜂窝网格的中心。

作为本发明的一种优选方案，所述充电设备从服务站s出发沿着充电路径执行充电任务包括：

所述移动充电设备从服务站s的位置出发，沿着移动充电设备的充电路径l依次访问各个内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格，并为虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点进行无线充电，当第i个虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点的能量都补充到最大值即emax时，所述移动充电设备离开第i个虚拟蜂窝网格，行驶到充电路径l中的下一个虚拟蜂窝网格即第i+1个虚拟蜂窝网格执行充电任务，直到移动充电设备访问完充电路径l中的所有虚拟蜂窝网格，最后返回服务站s。

作为本发明的一种优选方案，所述根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点包括：

当移动充电设备访问第k个虚拟蜂窝网格时，计算出移动充电设备到达该虚拟蜂窝网格中心坐标的时间τk，时间τk包括移动充电设备的行驶时间和在各个虚拟蜂窝网格内的停留时间：

其中，m表示被移动充电设备访问过的虚拟蜂窝网格的编号，0≤m＜k；表示第m个虚拟蜂窝网格中心坐标到第m+1个虚拟蜂窝网格中心坐标的距离，表示移动充电设备在第m个虚拟蜂窝网格内的停留时间；

根据移动充电设备到达该虚拟蜂窝网格中心坐标的时间τk，计算得到第k个虚拟蜂窝网格内的各个传感器节点的剩余能量

其中，表示第nc轮充电调度时si节点的初始能量，pi表示第i个传感器节点的消耗功率；

计算第k个虚拟蜂窝网格内的各个传感器节点的充电时间

其中，emax表示虚拟蜂窝网格内部的所有传感器节点的能量都补充到最大值，u(d)表示传感器节点被移动充电设备充电时的能量接收效率函数，u表示移动充电设备的充电功率；

所述移动充电设备在第k个虚拟蜂窝网格内的停留时间等于该虚拟蜂窝网格内所有的传感器节点的能量被补充到emax所需的最大时间；

根据第k个虚拟蜂窝网格内的各个传感器节点的充电时间将该虚拟蜂窝网格内的所有传感器节点的能量被补充到emax所需的最短时间的传感器节点作为簇头节点；

依次计算出每个内部含有传感器节点的虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到簇头节点集合ch＝{ch1,ch2,...,chk,...,chln}，chk表示第k个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，chln表示第ln个虚拟蜂窝网格内的簇头节点。

作为本发明的一种优选方案，根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向包括：

如果与第k个虚拟蜂窝网格的相邻的虚拟蜂窝网格有多个簇头节点，且多个簇头节点的梯度值不相同，则chk优先选择多个所述簇头节点中的节点梯度值gi最小者作为跳转节点，通过跳转节点将数据传输到基站；

如果与第k个虚拟蜂窝网格的相邻的虚拟蜂窝网格有多个簇头节点，且多个簇头节点的梯度值相同，则分别计算出多个簇头节点的权值cherd(k,j)，选取权值cherd(k,j)较大的簇头节点作为跳转节点，通过跳转节点将数据传输到基站，权值cherd(k,j)的计算公式为：

其中，dkj表示簇头节点k和簇头节点j之间的距离，λ表示调整因子，ej表示簇头节点当前能量。

如上所述，本发明的一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，具有以下有益效果：

1、本发明在有移动充电设备加入的情况下，综合考虑了无线可充电传感器网络的能量消耗和数据传输时延，对分簇和传感器节点间的数据传输机制进行了改进，利用虚拟蜂窝网格将整个无线可充电传感器网络划分为多个簇，本发明有效地解决了传感器节点能量不均衡的问题，降低了数据传输时延的同时，延长了无线可充电传感器网络的工作寿命。

2、本发明根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向，选择多个所述簇头节点中的节点梯度值gi最小者作为跳转节点，通过跳转节点将数据传输到基站，能够更快的将数据传输至基站，大大地减少了数据的时延。

3、本发明简单高效，具有较强的通用性和实用性，应用范围广泛。

附图说明

图1显示为本发明的无线可充电传感器网络网格分簇路由方法的流程示意图。

图2显示为本发明的wrsn网络模型的示意图。

图3显示为本发明的虚拟蜂窝网格边长计算的示意图。

图4显示为本发明的节点梯度值的示意图。

图5显示为本发明的虚拟蜂窝网格划分的示意图。

图6显示为本发明的移动充电设备充电路径的示意图。

图7显示为本发明的数据传输的示意图。

元件标号说明

s1～s4步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例提供一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，本发明综合考虑了无线可充电传感器网络的能量消耗和数据传输时延，对分簇和传感器节点间的数据传输机制进行了改进，利用虚拟蜂窝网格将整个无线可充电传感器网络划分为多个簇。

本实施例提供一种无线可充电传感器网络网格分簇路由方法，具体地，请参阅图1，所述无线可充电传感器网络网格分簇路由方法包括：

步骤s1，在被监测的h×m二维区域，h为二维区域的长度，m为二维区域的宽度，设置有固定基站b、服务站s、由n个传感器节点组成的传感器网络以及用于为传感器节点进行充电的充电设备，传感器节点用集合π＝{s1,...,si,...,sn},1≤i≤n,i∈z表示，其中，si表示第i个传感器节点，sn表示第n个传感器节点，z表示正整数。

步骤s2，利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络，每个所述虚拟蜂窝网格内的传感器节点构成一个簇，根据虚拟蜂窝网格划分结果计算充电设备的充电路径。

步骤s3，所述充电设备从服务站s出发沿着充电路径执行充电任务，根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点。

步骤s4，根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向。

具体地，在本实施例中，所述充电设备为移动充电设备，所述移动充电设备匀速行驶，移动速度为v，充电功率为u；所述第i个传感器节点的消耗功率为pi、初始能量为

具体地，在本实施例中，参见图2和图3，在50m×50m的二维区域上，随机部署40个传感器节点，传感器节点的通信半径d＝20m，本实施例中移动充电设备采用无线可充电小车，无线可充电小车的充电半径r＝5m，小车的行驶速度v＝5m/s，小车的充电功率u＝5w，传感器节点的最大能量emax＝200j。

所述利用虚拟蜂窝网格划分所述传感器网络包括：

步骤s21，第一轮充电调度开始时，所有传感器节点的消耗功率pi,pi为0.1到1之间的随机数、初始能量节点梯度值gi＝0，节点id分别为{1,2,...,i,...40}，固定基站b部署在该区域中心处，坐标为(25m,25m)；服务站s的坐标为(18m,0m)。

步骤s22，计算虚拟蜂窝网格边长，首先计算其大于小车充电半径r＝5m，从而得到虚拟蜂窝网格边长l＝5m。

步骤s23，以固定基站b为整个网络中心进行虚拟蜂窝网格划分，直到覆盖所有的传感器节点，虚拟蜂窝网格划分的结果如图5所示。

步骤s24，统计含有传感器节点的虚拟蜂窝网格个数，从而得到分成的簇的个数ln＝11。

步骤s25，根据划分的虚拟蜂窝网格的情况，计算出移动充电设备遍历所有簇的最短哈密顿回路，最短哈密顿回路即为移动充电设备的充电路径l，充电路径l＝{π0,π1,π2,...,πk,...,π11,π0}，参见图6。

步骤s26，根据传感器节点所属虚拟蜂窝网格的中心到固定基站b的距离计算传感器节点的节点梯度值gi，以图4中的一个传感器节点为例，该传感器节点所属虚拟蜂窝网格的中心坐标为(33.66m,40m)，代入节点梯度值公式，依次计算出所有传感器节点的节点梯度值。

所述根据充电设备执行的充电任务，计算出每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点包括：

步骤s31，参见图5中的虚拟蜂窝网格1中的簇头节点选取为例，其中四个传感器节点位置坐标分别为s1(23.42m,4.35m)、s2(24.93m,6.92m)、s3(27.43m,9.0m)、s4(25.95m,6.44m)；消耗功率分别为p1＝0.97w、p2＝2.01w、p3＝1.51w、p4＝1.21w；移动充电设备从服务站s出发，计算到达虚拟蜂窝网格1的中心的时间τ1：

计算出τ1时刻虚拟蜂窝网格1内四个传感器节点的剩余能量，分别为

步骤s32，计算虚拟蜂窝网格1内四个传感器节点的充电时间，本实施例中的充电接收效率函数u(di)为u(di)＝-0.0328di²-0.0157di+1.0；

其中di为移动充电设备在蜂窝网格中心给传感器节点充电时，传感器节点与移动充电设备之间的距离，通过数值代入，计算出四个传感器节点的能量被补充到emax所需要的时间分别为

步骤s33，根据上述计算结果，计算出在虚拟蜂窝网格1内移动充电设备的停留时间

步骤s34，根据虚拟蜂窝网格1内四个传感器节点的能量被补充到emax所需要的时间的比较，充电时间最小的传感器节点s4被选择作为簇头节点。

步骤s35，按照虚拟蜂窝网格访问次序，根据上述步骤依次计算出移动充电设备到达各虚拟蜂窝网格的时间，计算虚拟蜂窝网格内每个传感器节点的能量被补充到emax所需的时间，选择其中所需充电时间最少的传感器节点作为簇头节点，得到所有簇头节点组成的集合ch，所有簇头节点组成的集合ch参见图7中的实心圆圈所示。

根据所述传感器节点、充电设备以及每个虚拟蜂窝网格内的簇头节点，得到传感器网络中的传感器节点之间的数据传输流向包括：

每个虚拟蜂窝网格内的簇内节点都将数据传输给簇头节点，簇头节点间采用多跳的方式进行数据传输。

步骤s41，如果chk相邻的虚拟蜂窝网格中有多个可跳转簇头节点，chk将优先选择这些簇头节点中节点梯度值较小者进行跳转。

参见7中虚拟蜂窝网格2中的簇头节点ch2相邻的虚拟蜂窝网格有1和3，簇头节点ch1和ch3的节点梯度值分别为g1＝2和g3＝1，根据节点的节点梯度值比较，选择节点梯度值较小的虚拟蜂窝网格3中的簇头节点ch3进行跳转，更快的将数据传输至固定基站。

步骤s42，如果存在多个节点梯度值相同的簇头节点，则再根据这些簇头节点的当前剩余能量和两个簇头节点间的距离比cherd作为权值进行比较，选取权值较大的簇头节点作为跳转节点，将数据传输到固定基站。

参见图7中虚拟蜂窝网格9中的簇头节点ch9相邻的有虚拟蜂窝网格8、10，簇头节点ch8和ch10的节点梯度值g8和g10均为1。

虚拟蜂窝网格8、9、10中的簇头节点坐标分别为，ch8＝(18.26m,29.2m)、ch9＝(10.75m,23.49m)、ch10＝(17.73m,20.56m)；虚拟蜂窝网格8、10中的簇头节点ch8和ch10当前剩余能量分别e8＝169.17j、e10＝121.59j；取λ＝0.5。计算得到：

从而可以得出cherd(9,8)＞cherd(9,10)，簇头节点ch9将选取ch8为跳转节点进行数据传输。

若此时刻移动充电设备停留在虚拟蜂窝网格10中对传感器节点进行充电，在数据传输时，虚拟蜂窝网格10中的簇头节点ch10当前剩余能量被视为emax，即e10＝emax，计算得

可以得出cherd(9,8)＜cherd(9,10)，簇头节点ch9将选取ch10为跳转节点进行数据传输。

综上所述，本发明有效地解决了传感器节点能量不均衡的问题，降低了数据传输时延的同时，延长了无线可充电传感器网络的工作寿命。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。