[发明专利]一种无线传感器和执行器网络的移动能量补充方法

权利要求书

1.一种无线传感器和执行器网络的移动能量补充方法，其特征在于，包括如下步骤：

Step1：建立一个无线传感器和执行器网络模型：在确定的监测区域内随机部署10个以上的传感器节点，基站和移动充电装置均部署在监测区域的左下方，将确定的监测区域等面积分割成几个小区域，每个小区域的中点位置部署一个执行器；N^A表示执行器节点构成的集合；N^S表示传感器节点构成的集合；E_i表示节点i的电池容量；RE_i(t)表示节点i在时间t时的电池剩余能量；r_i表示节点i的能量消耗率；Γ表示服务池中的节点集合；Σ表示充电候选节点集合；

初始时n_i表示传感器或执行器节点i，基站和移动充电装置位于二维空间平面的圆点位置；基站具有足够的电能和通信能力，用于收集传感器节点和执行器节点的信息，可以直接将数据传输到移动充电装置；移动充电装置是具有自主移动能力，计算能力和通信能力的设备，它还拥有充足电量的电池和无线能量传输装置，其能量可通过基站提供，移动充电装置的充电速率为C，移动速度为v(m/s)；执行器被组织成无线互动的执行器网络，执行器可以通过该网络与基站通信，移动充电装置和执行器可以通过GPS或其他非GPS定位的方法来实时定位；

Step2：分析执行器的特征对移动能量补充方案的影响，解决无线传感器和执行器网络的能量约束问题；

Step3：基于无执行器失效原则和避免传感器失效原则，设计一种称为FEMER的高效移动能量补充框架，该框架的工作过程是：首先每个节点实时监测自己的能量状态，当剩余能量低于预设的阈值时向移动充电装置发送一个充电请求；移动充电装置维护着一个服务池，它根据每个节点的能耗信息和地理位置计算节点的最大可容忍充电延迟、最短等待充电时间，依据无执行器失效原则和避免传感器失效原则确定的候选节点的选择算法来选择出候选节点进行充电；完成充电后，如果服务池不为空，则开始下一次选择候选者并充电的过程；如此循环工作，以保障网络的持续运行；

所述Step2中，分析执行器的特征对移动能量补充方案的影响的具体步骤为：

在无线传感器和执行器网络中，传感器与执行器相互配合来感知环境、做出决策、分配和执行任务，执行器是可移动单元，并配有大容量的电池，有较高的计算和通信能力，每个执行器覆盖一定的区域，并及时响应执行该区域的任务，因此得出执行器对于移动能量补充的特性有以下方面：一是其能够自主移动；二是其电池容量大所需充电时间长；三是因响应突发事件导致执行器具有高度动态的能量消耗；四是执行器在无线传感器与执行器网络中担任重要角色，必须保证其能量供应；

所述Step3中所述的无执行器失效原则指的是：确保没有任何执行器会因为能量耗尽而失效；避免传感器失效原则指的是：在确保执行器有足够能量补充的前提下，高效的充电方案需要协调执行器和传感器的充电调度，并尽可能地保证传感器不因能量耗尽而失效；

所述Step3中，候选节点的选择算法的具体步骤为：

Step5.1：执行器和传感器统称为节点，首先，移动充电装置计算服务池中每个节点的最大可容忍充电延迟，对于节点i，其最大可容忍充电延迟为：

L_i(t)＝RE_i(ts)/r_i+ts-t (1)

其中，L_i(t)为节点i的最大可容忍充电延迟，RE_i(ts)表示节点i在ts时刻的剩余能量，r_i表示节点i的能量消耗率，ts为节点i在发送充电请求消息时打的时间戳，t为当前时刻；

当节点i为执行器时，直接执行Step5.2；当节点i为传感器时，移动充电装置进一步检查L_i(t)是否小于移动充电装置移动到节点i所花费的时间T_MC→i，如果是，则表明即使移动充电装置立即向i移动以便为其充电，但传感器i仍将不可避免地耗尽能量并死亡，那么移动充电装置直接删除传感器i的充电请求记录，然后执行Step5.2，如果否，则直接执行Step5.2；

Step5.2：移动充电装置顺序地扫描服务池中的每个充电请求记录，假设节点i在服务池中，并且计算服务池中任意的其他节点j的最短等待时间，以便节点j在移动充电装置将节点i选择为充电候选节点并完成充电的情况下还可以等待以获得充电机会，计算节点j所需的最短等待时间为：

D_i,j(t)＝T_MC→i+(E_i-RE_i(t+T_MC→i))/c+T_i→j (2)

其中，D_i,j(t)表示当选择i作为充电候选节点时节点j的最小充电延迟；T_MC→i表示移动充电装置移动到节点i所花费的时间；E_i表示节点i的电池容量；c表示移动充电装置的充电速率；T_i→j表示移动充电装置从节点i移动到节点j所花费的时间；RE_i(t+T_MC→i)表示节点i在未来时刻t+T_MC→i的剩余能量，它可以通过公式(3)来计算，

如果没有任何充电请求节点j满足其最短等待时间D_i,j(t)大于它的最大可容忍充电延迟L_j(t)的条件，这表示如果移动充电装置选择当前节点i作为下一个充电候选节点时，任何其他的充电请求节点都不会因等待i完成充电而耗尽自身的能量，因此，移动充电装置可以将当前节点i添加到候选充电节点集Σ中，其可以描述如下：

继续扫描下一个请求记录，直到所有记录已经被扫描为止，移动充电装置检查充电候选集合Σ，如果集合Σ不为空，则在Σ中选择空间上最接近移动充电装置的节点作为候选节点；否则转到步骤5.3；

Step5.3：集合Σ为空的情况表示充电请求的数量可能太多，超过了移动充电装置的充电服务能力，在这种情况下，如果在服务池中没有来自执行器的请求，则移动充电装置从服务池中选择空间上最接近它的节点作为候选者；否则，移动充电装置需要以忽略传感器的部分请求为代价来满足执行器的充电要求，因此，移动充电装置顺序地扫描每个充电请求记录，并查找满足以下条件的节点：

在扫描完整个服务池后，移动充电装置检查集合Σ，如果集合不为空，则在Σ中选择空间上最接近移动充电装置的节点作为候选节点；否则转到步骤5.4；

Step5.4：这是一种极端情况，表明移动充电装置的负载是非常严重，因此，移动充电装置必须忽略来自传感器节点的任何充电请求，并且向执行器提供其全部充电能力，所以移动充电装置将选择适合条件(6)的执行器作为候选者，

如果集合Σ仍然为空，这种情况是非常罕见的，意味着服务池中存在不止一个执行器，那么，移动充电装置将选择具有最小可容忍充电延迟的执行器节点作为候选节点，并且通过调节每个请求充电执行器的充电时间来确保没有任何执行器会耗尽能量。

2.根据权利要求1所述的无线传感器和执行器网络的移动能量补充方法，其特征在于，所述Step3中，FEMER的工作过程具体为：

为了达到无线传感器和执行器网络的高效移动能量补充，要求每个节点周期性地检查自身的剩余能量RE_i(t)，当RE_i(t)小于预先设定的阈值时，节点向基站发送充电请求，其中充电请求消息包括：节点标识-ID、类型-Type、节点位置-P、节点的剩余能量-RE、能量消耗率-r、时间戳-ts；传感器的充电请求消息是通过多跳的方式转发给基站，执行器的充电请求消息是通过执行器间的网络转发给基站；

对于移动充电装置，存在三种状态：空闲，移动和充电状态，初始时，移动充电装置是处于空闲状态的，位于二维平面的圆点位置，当移动充电装置接收到节点的充电请求时，它将检查服务池中是否存在该节点的充电请求记录，如果没有，则添加消息请求记录，其中包括节点标识、类型、位置、剩余能量、能量消耗率和时间戳；否则只能根据接收到的信息更新现有的记录，为了提高充电时间的效率，规定FEMER方案允许抢占，这意味着即使移动充电装置已经有一个充电候选节点，更合适的充电请求也可以在这之前得到响应，为了保证充电过程的连续性，假设移动充电装置在充电状态下则不能被抢占，但移动充电装置可以在充电状态下接收充电请求消息；

移动充电装置收到充电请求消息并刷新服务池后，根据候选节点选择算法确定充电候选节点，然后移动充电装置将其状态由空闲状态转换为移动状态，如果移动充电装置朝着候选节点移动的时候，接收到更合适的新的充电请求消息，则将发生抢占，移动充电装置在到达候选节点之后，它将转换到充电状态并开始对节点进行充电任务，在充电过程中，移动充电装置仅接收充电请求消息并维护服务池，一旦节点完全充电后，其充电请求记录将从服务池中删除，移动充电装置将再次变为空闲状态，如果服务池Γ不为空，它将选择下一个请求充电节点，然后开始新的充电工作。