一种无线可充电传感器网络的充电基站部署方法与流程

本发明属于无线可充电传感器网络技术领域，具体涉及一种无线可充电传感器网络的全向基站部署方法。

背景技术：

随着物联网技术的发展，各种传感器设备应用于环境监测，物流跟踪等领域中，无线充电技术为传感器网络的供能问题提供了解决方案，于是有了无线可充电传感器。在可充电传感网络中，最重要的问题是如何布置充电基站的位置，无线充电基站的造价一般都很高，因此，如何使用最少的基站满足无线传感器网络的持续运行要求是一个十分重要的问题。

关于无线可充电传感网络中充电基站的位置规划问题，研究者们从不同的角度考虑提出了相应的解决方法。徐向华等人在专利《一种无线可充电传感网络的定向充电基站部署方法》(专利号：cn105722091a)中，为满足所有的传感器节点的能量需求，提出了一种定向基站的部署方法。该方法先求出每个基站对应的传感器集合作为备选充电基站，然后根据传感器出现的频次，优化充电基站个数，但是其充电基站在同一个时刻只能给一个传感器节点充电，实际应用中，无线充电辐射出去的能量是可以同时被多个传感器接收到的，这种“一对一”的传输方式的充电效率不高。吴以凡等人在专利《一种面向传感器网络的非接触式充电节点部署方法》(专利号：cn201310276000.x)中，提出了一种非接触式充电节点的位置规划算法。该方法将传感器节点分布的区域网格化，然后选取最优的网格格点作为充电基站的位置，但是在实际应用中，将充电基站的位置限定在某些固定的区域会影响充电基站的部署。因此，急需提出一种充电基站位置可以灵活规划，且一个充电基站能够同时为多个传感器充电，计算时间复杂度较小的全向无线充电基站部署方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无线可充电传感器网络的充电基站部署方法，进而在保证整个无线传感器网络中所有传感器都能持续工作的前提下，部署最少个数的充电基站，以减少整个无线传感器网络的充电成本。

本发明的具体步骤如下：

步骤1、建立平面直角坐标系，将与n个无线可充电传感器分别对应的n个节点放入平面直角坐标系。沿y轴方向以2r为间距对n个节点进行分类，r为充电基站的充电半径。

步骤2、将1赋值给i和j。

步骤3、第j纵向分类点集qj中选择中心节点，并将距离中心节点2r范围内的节点加入候选分类集合sa。

步骤4、确定第i特征节点位置，并确认第i特征节点对应的第i基站覆盖集合。

4-1.找出候选分类集合sa中间距最远的两个节点，记为第一筛选节点p1、第二筛选节点p2。取第一筛选节点p1与第二筛选节点p2的中点作为第i特征节点ci。找出候选分类集合sa中除第一筛选节点p1、第二筛选节点p2之外距离特征节点ci最远的节点，记为第三筛选节点p3。若第三筛选节点p3与特征节点ci的间距大于r，则进入步骤4-2；否则，直接进入步骤4-4。

4-2.以第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3分别为特征三角形的三个顶点，建立特征三角形。以特征三角形的外心作为新的第i特征节点ci。若候选分类集合sa中存在到特征节点ci的间距大于r的节点，在进入步骤4-3；否则，直接进入步骤4-4。

4-3.若第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中有且仅有一个不属于第j纵向分类点集qj，则将第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中不属于第j纵向分类点集qj的那个节点移除到候选分类集合sa外。重复执行步骤4-1。

若第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中有且仅有一个属于第j纵向分类点集qj，则将第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3内不属于第j纵向分类点集qj的二个节点中横坐标较大的那个节点移除到候选分类集合sa外。重复执行步骤4-1。

若第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3均不属于第j纵向分类点集qj，则将第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中横坐标最大的那个节点移除到候选分类集合sa外。重复执行步骤4-1。

4-4.第i特征节点ci的坐标即为第i个充电基站的位置，将候选分类集合sa内所有的节点移除到第j纵向分类点集qj外，并移除到分类总点集q外。将候选分类集合sa内所有的节点移入第i基站覆盖集合si中。进入步骤5。

步骤5、若第j纵向分类点集qj内不存在任何一个节点，则进入步骤6；否则，将i增大1后，重复执行步骤3和4。

步骤6、若分类总点集q内不存在任何一个节点，则进入步骤7，否则，将i增大1，j增大1后，重复执行步骤3和4。

步骤7、根据i个特征节点的位置将i个充电基站安置到无线传感器网络中，为n个无线可充电传感器充电。

进一步地，步骤1的具体内容如下：

1-1.建立平面直角坐标系，使得所有的n个无线可充电传感器均位于平面直角坐标系的第一象限，且横坐标最小的那个无线可充电传感器的横坐标小于r，纵坐标最小的那个无线可充电传感器的纵坐标小于r。n个无线可充电传感器的位置对应n个节点。n个节点在平面直角坐标系内的坐标分别为(xk,yk)，k＝1,2,…,n。将1赋值给j。建立分类总点集q，新建立的分类总点集q为空集。

1-2.遍历所有节点，若第k个节点的纵坐标yk满足以下条件：(j-1)×2r≤yk≤j×2r；则将第k个节点加入第j纵向分类点集qj。

1-3.将第j纵向分类点集qj加入分类总点集q。若存在节点未加入分类总点集q，则将j增大1，并重复执行步骤1-2。否则，进入步骤2。

进一步地，步骤3的具体内容如下：

3-1.以第j纵向分类点集qj中横坐标最小的那个节点作为中心节点a。

3-2.计算分类总点集q内各节点与中心节点a的间距。将中心节点a和到中心节点a的距离小于2r的所有节点均加入候选分类集合sa。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明摆脱了现有方法中事先将充电基站假设在某些固定区域的限制，根据无线可充电传感器的位置信息，在保证整个无线传感器网络中所有传感器都能持续工作的前提下，部署尽可能少的充电基站，以减少整个无线传感器网络的充电成本，更加符合实际应用场景。

2、本发明采用了贪心算法，算法的最差时间复杂度为o(n⁴)，平均时间复杂度为o(n²)，从而能够适应于可充电传感器数量较大的应用场景。

3、本发明针对全向充电基站的应用，一个充电基站可以同时为多个无线可充电传感器充电，一个无线可充电传感器也可以同时接收来自不同充电基站的能源，能够最大化利用充电基站辐射出的能源。

附图说明

图1为本发明中充电基站与无线可充电传感网络的示意图；

图2为本发明中经步骤1操作后各纵向分类点集的示意图；

图3为本发明中经步骤2操作后得到的一个候选分类集合的示意图；

图4为本发明中经步骤3操作后得到的一个基站覆盖集合的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明针对无线传感器网络内所有的无线可充电传感器均设置在同一平面上，且各无线可充电传感器除了各自消耗功率不同之外，其它的规格均相同的充电基站部署场景。一个无线可充电传感器可以同时被多个充电基站充电。本发明设置的充电基站为规格相同的全向充电基站，其有效充电区域是一个以自身为圆心、半径为r的圆。只要一个无线可充电传感器在任意一个充电基站的充电区域内，则该无线可充电传感器即可持续工作。充电基站在同一个时刻能够为多个无线可充电传感器充电。在无线传感器网络的部署平面上设置有位置随机且已知的n个无线可充电传感器。充电基站与无线可充电传感网络的关系如图1所示。图1中，菱形块为无线可充电传感器，圆形范围为充电基站的有效充电区域。

一种无线可充电传感器网络的充电基站部署方法的具体步骤如下：

步骤1、如图2所示，建立平面直角坐标系，将与n个无线可充电传感器分别对应的n个节点放入平面直角坐标系。沿y轴方向以2r为间距对n个节点进行分类。

1-1.建立平面直角坐标系，使得所有的n个无线可充电传感器均位于平面直角坐标系的第一象限，且横坐标最小的那个无线可充电传感器的横坐标小于r，纵坐标最小的那个无线可充电传感器的纵坐标小于r。n个无线可充电传感器的位置对应n个节点。n个节点在平面直角坐标系内的坐标分别为(xk,yk)，k＝1,2,…,n。将1赋值给j。建立分类总点集q，新建立的分类总点集q为空集。

1-2.遍历所有节点，若第k个节点的纵坐标yk满足以下条件：(j-1)×2r≤yk≤j×2r，r为全向充电基站的充电半径；则将第k个节点加入第j纵向分类点集qj。

1-3.将第j纵向分类点集qj加入分类总点集q。若存在节点未加入分类总点集q，则将j增大1，并重复执行步骤1-2。否则，进入步骤2。

步骤2、将1赋值给i和j。

步骤3、如图3所示，选择中心节点，并将距离中心节点2r范围内的节点加入候选分类集合sa。

3-1.以第j纵向分类点集qj中横坐标最小的那个节点作为中心节点a。

3-2.计算分类总点集q内各节点与中心节点a的间距。将中心节点a和到中心节点a的距离小于2r的所有节点均加入候选分类集合sa。

步骤4、如图3所示，确定第i特征节点位置，并确认第i特征节点对应的第i基站覆盖集合。

4-1.找出候选分类集合sa中间距最远的两个节点，记为第一筛选节点p1、第二筛选节点p2。取第一筛选节点p1与第二筛选节点p2的中点作为第i特征节点ci。找出候选分类集合sa中除第一筛选节点p1、第二筛选节点p2之外距离特征节点ci最远的节点，记为第三筛选节点p3。若第三筛选节点p3与特征节点ci的间距大于r，则进入步骤4-2；否则，直接进入步骤4-4。

4-2.以第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3分别为特征三角形的三个顶点，建立特征三角形。以特征三角形的外心作为新的第i特征节点ci。若候选分类集合sa中存在到特征节点ci的间距大于r的节点，则进入步骤4-3；否则，直接进入步骤4-4。

4-3.若第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中有且仅有一个不属于第j纵向分类点集qj，则将第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中不属于第j纵向分类点集qj的那个节点移除到候选分类集合sa外。重复执行步骤4-1。

若第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中有且仅有一个属于第j纵向分类点集qj，则将第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3内不属于第j纵向分类点集qj的二个节点中横坐标较大的那个节点移除到候选分类集合sa外。重复执行步骤4-1。

若第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3均不属于第j纵向分类点集qj，则将第一筛选节点p1、第二筛选节点p2、第三筛选节点p3中横坐标最大的那个节点移除到候选分类集合sa外。重复执行步骤4-1。

4-4.第i特征节点ci的坐标即为第i个充电基站的位置，将候选分类集合sa内所有的节点移除到第j纵向分类点集qj外，并移除到分类总点集q外。将候选分类集合sa内所有的节点移入第i基站覆盖集合si中，此时，候选分类集合sa变为空集。进入步骤5。

步骤5、若第j纵向分类点集qj内不存在任何一个节点，则进入步骤6；否则，将i增大1后，重复执行步骤3和4。

步骤6、若分类总点集q内不存在任何一个节点，则进入步骤7，否则，将将i增大1，j增大1后，重复执行步骤3和4。

步骤7、根据i个特征节点的位置将i个充电基站安置到无线传感器网络中，为n个无线可充电传感器充电。第i基站覆盖集合内节点对应的无线可充电传感器由第i个充电基站负责进行充电。