[发明专利]无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体指的是无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法。

背景技术

目前无线传感器网络的研究重心已经逐渐从理论开始转向应用，而在工程应用中，其发展始终受到节点能量的限制。

用电池供电是无线传感器节点和网络能量供应的主要形式。虽然目前也有一些很具前景的新型能源比如太阳能和风能等可以实现节点的在线充电，但这些能源对周围环境和传感器节点自身的要求很苛刻。相对而言，电池是一种比较可靠而且稳定的能源形式。无线传感器节点内部是由微型嵌入式处理器、射频收发器和微传感器整合而成。受节点大小限制，大容量的电池无法应用到传感器上。另一方面，考虑到无线传感器网络的节点大量部署或者监测对象的特殊性，更换电池很不方便。这样就催生了一类目前正在进行的研究，用在线传递能量给逐渐消耗的电池，在线意味着不必关闭常规的网络功能。电池能量以常系数放电电压形式损耗，任意时刻也能够在同等电压调节下进行恢复。

传统的电能可以在一些较大的集中地，通过石油燃料、核裂变或流水来产生，实现化学能、核能及动势能向电能的转换。大规模的环境能量如太阳能、风能或者潮汐的资源虽然到处都是，但是高效捕获的技术还很缺乏。目前的能量捕获并不能产生足够的能量来支持常规的机械工作，但是能提供非常少量的能量用以支持低能电子设备。大规模的能量生成需要成本，而用于能量捕获的“燃料”在大自然里处处可得，且无需成本。比如从燃烧引擎活动或者在附近某个区域的活动能够产生温度的一个梯度；而在自然环境里，射频和电视广播会产生大量的电磁能量。因此，作为一种前景很好的技术，利用不同能量资源的在线电池补充技术被提出用于传感器网络应用中。利用RF能源来实现电池的无线充电法就是一种新颖的在线电池补充技术，能够自用网络自身传输活动来为结点补充能量，延长节点寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

无线传感器网络中节点电池恢复和能量搜集方法，所述方法根据电池具有电量恢复效果的特性，其恢复效果有一个饱和门限(t_sat)存在，超闲置时间过该门限再闲置就没有显著恢复；节点在传完数据后缓冲若干时隙，也能使电池电量恢复，只要缓冲时间没有超过缓冲门限值（t_db）；另外节点可以从其邻区当前进行中的通信活动中搜集RF能量，将接收到的信号功率导入到整流和能量存储单元进行能量补充；为了达到搜能效果最大化，搜能节点和供能节点之间必须符合几何位置上的特定关系，供能节点的圆形通信范围半径为R_T，载波侦听半径为2R_T；搜能节点的圆形通信范围半径为1/2R_T，载波侦听半径也为2R_T；同时一个搜能节点周围的供能节点有数量上限，一个搜能节点周围最多有5个供能节点。

本方法利用占空周期设计，指合理安排节点工作状态、缓冲状态、睡眠状态下节点的电池恢复和能量搜集方法，利用搜能获益的条件即P_leak和P_scav之间关系，这里P_leak是节点处理器在非传输状态下的功率消耗，P_scav为搜集到的功率，同时利用电池电量恢复的门限条件来执行节点操作，以实现节点的能量优化；本方法中采用TDMA/CSMA混合接入机制，这种机制使得簇首之间可以利用同步方式来获知对方的占空周期，而簇内节点基于竞争来发送数据，无需知道邻居的占空周期。该方法步骤为：

步骤1：节点初始化，完成分簇过程；分簇过程是指所有部署在无线传感器网络中具有更高初始能量的20%的节点作为簇首，普通节点根据接收到的簇首宣告消息中RF功率大小选择簇首，RF功率大的节点优先入选；簇成员是搜能节点，它们可以同时从能量搜集和电池恢复中获益；而簇首只能从电池恢复中获益，属于供能节点。

步骤2：在工作状态下节点将等待数据传输，完成其作为簇首或者簇成员的任务。

步骤3：在缓冲状态下的节点操作，漏电功率为P_leak，搜集功率P_scav，