一种物联网数据采集方法

本发明属于物联网领域，涉及一种物联网数据采集方法。

背景技术：

1、智能交通、森林火灾监测、铁路线路巡查等，对传输质量和时延要求较高，例如，在无人驾驶和森林火灾监测中，过时的信息可能导致错误决策，甚至导致严重的事故。因此，信息的新鲜度对于状态更新应用程序尤其重要。为了更好地衡量信息的新鲜度，提出了一种新的性能度量即信息年龄(aoi)。信息年龄描述了从生成最新接收的更新以来经过的时间，这能够从目的地的角度捕获信息的新鲜度。与传统时延指标不同，信息年龄同时考虑了信息的传输时延以及信息的产生时间。因此，最小化网络中信息年龄的研究引起了越来越多的关注。

2、然而，物联网中的传感器节点往往由容量有限的电池或不太可靠的太阳能供电，因而工作时间有限且易受环境影响。尽管有些可以通过更换电池来延长网络的寿命，但是这在某些场景下是不可能的，例如偏远地区的环境监测。因此无线能量传输技术被引入到物联网中。无人机支持的无线能量传输最近成为一种有前途的技术，为大规模无线网络中广泛分布的低功耗地面设备提供可持续的能源的供应。

3、因此，亟需一种基于无人机对传感器节点进行能量传输和数据采集的方法，最小化系统的平均信息年龄。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种物联网数据采集方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种物联网数据采集方法，该方法具体包括以下步骤：

4、s1：确定无人机的起始位置和目标区域的范围，确定传感器节点所含数据量的大小，初始化传感器节点的信息年龄，并确定无人机的飞行模式；

5、s2：无人机三维坐标更新：无人机在每个时隙内做出相应的飞行移动，从而改变其位置；

6、s3：传感器节点调度：根据无人机悬浮的位置以及其感知能力，分析在其覆盖范围内的传感器节点，并在无人机相应的悬停时间内进行能量传输和数据采集任务；

7、s4：无人机飞行持续时间检测：检测无人机飞行持续时间是否到达指定时间判断服务是否结束，若没有，则返回步骤s2，否则进入步骤s5；

8、s5：输出结果：根据无人机实际的飞行轨迹，输出在单次数据采集任务中系统的平均信息年龄。

9、可选的，所述s2具体包括以下步骤：

10、s21：无人机会在时隙内分别在水平方向和垂直方向上飞行一段距离，改变其当前的位置；

11、s22：无人机到达新位置后悬浮一段时间，包括能量传输时间和数据采集时间。

12、可选的，所述步骤s3具体包括以下步骤：

13、s31：根据步骤s21得到无人机新的悬浮位置，初步判断其感知范围内是否覆盖传感器节点，若没有，则跳过余下步骤继续重复该步骤，若有，则进行下一步；

14、s32：根据无人机与传感器节点的相对位置计算它们之间信道功率增益；

15、s33：根据步骤s22的悬浮时间，在保证传感器节点数据成功上传的基础上，合理地分配能量传输和数据采集时间；

16、s34：根据步骤s33的数据采集的结果，继而更新传感器节点的信息年龄。

17、可选的，所述步骤s32中，对于空地通信，每个传感器节点通常会以给定的概率看到特定无人机的视线；该视线概率取决于环境、设备的位置、无人机的位置以及传感器节点和无人机之间的仰角，如下所示：

18、

19、其中，a，b是取决于载波频率fc和环境类型的常数值；θm(n)是无人机与传感器节点之间的仰角，单位是度，表示为：

20、

21、其中，是无人机与传感器节点之间的距离；增加仰角或者无人机的高度，其视距概率会变大，得非视距通信的概率为无人机与传感器节点之间的平均信道功率增益为：

22、

23、其中，为无人机与传感器节点之间的平均路径损耗；κ0＝4πfc/c取决于载波频率和光速；α为路径损耗指数；ulos和unlos(unlos＞ulos＞1)分别是视距和非视距情况下额外路径损耗系数；

24、所述步骤s33具体包括：在无线能量传输阶段，无人机以固定的发射功率pu向传感器节点发送持续的信号，则在第m个传感器节点处接收到射频信号中携带的功率为：

25、pr＝gm(n)pu

26、基于传统的线性能量收集模型，第m个传感器节点收集到的功率为：

27、φ(pr)＝ηpr

28、其中，η∈(0,1]是一个常数；第m个传感器节点在时间内从无人机处收集的能量为：

29、

30、在数据采集阶段，第m个传感器节点利用收集到的能量来上传数据，得上传的数据速率为：

31、

32、其中，收集的能量在数据上传时间内被均匀地分配，b是系统带宽；是在无人机处的噪声功率；

33、假设由传感器节点m生成数据包的大小为λm，则要能够成功上传数据，需要满足以下条件：

34、

35、进而由上式得：

36、

37、可选的，所述步骤s34具体包括：传感器节点更新数据包采取随机生成策略，即当传感器节点在任意一个时隙的悬浮阶段被调度时，在该时隙的悬浮阶段的开始处产生新的数据包，是在第n个时隙的末尾来评估第m个传感器节点的信息年龄aoi，传感器节点m的aoi的变化过程为：

38、

39、其中，b(n)∈{0,1}表示该时隙下无人机有没有覆盖传感器节点；cm(n)∈{0,1}表示该时隙下传感器节点m有没有被调度；如果一个传感器节点被调度多次，新上传的数据会代替之前的数据，aoi也会随之改变。

40、可选的，所述步骤s5具体包括：通过优化无人机的三维轨迹和对所有传感器节点的能量收集时间和数据采集时间来最小化系统平均aoi；q＝[q(1),q(2),...,q(n)]表示无人机在每个时隙的悬浮位置；表示无人机对传感器节点的充电时间；表示传感器节点上传数据的时间；优化问题被表述为：

41、p1:

42、s.t.c1:0≤v(n)≤vmax

43、c2:

44、c3:0≤θ(n)≤2π

45、c4:0≤xu(n)≤l

46、c5:0≤yu(n)≤l

47、c6:hmin≤zu(n)≤hmax

48、c7:

49、c8:b(n)∈{0,1},cm(n)∈{0,1}

50、c9:

51、其中，γm＝([gm(n)φ(pr)])，约束c1，c2分别表示对无人机的水平飞行速度和垂直飞行速度进行限制；约束c3表示对无人机偏航角的限定；约束c4，c5，c6表示对无人机水平飞行区域和高度的限定；c7，c8是两个二元变量，分别表示无人机在某个时隙有没有覆盖传感器节点和传感器节点在某个时隙有没有被调度；约束c9是为保证传感器节点上的数据能够成功上传。

52、本发明的有益效果在于：本发明针对无人机辅助无线供电物联网中数据采集的场景，由于无人机调度不佳导致传感器节点数据采集不及时从而影响信息年龄的问题，提供一种无人机辅助物联网中平均信息年龄最小化的数据采集方法，考虑无人机有限的能量，通过优化多无人机的飞行轨迹，每个传感器节点的能量收集和数据采集的时间，最小化系统的平均信息年龄。

53、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。