[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

说明书

本发明涉及一种无线传感器和执行器网络的移动能量补充方法，属于利用无线充电技术延长无线传感器和执行器网络生存期的研究领域。无线传感器和执行器网络具有感知并实时响应和作用于环境等优势，但是其核心组成部分传感器和执行器都面临着能量受限问题，严重制约了网络的生存期。目前的工作仅仅考虑了无线传感器网络的能量补充问题，而对加入了具有可移动和执行功能的执行器的无线传感器与执行器网络的能量补充问题尚未考虑。本发明很好地适应了无线传感器和执行器网络中执行器的自主移动、长充电时间和响应突发事件导致的高动态能量消耗特征，能够确保网络中执行器的能量供应，同时尽可能减少传感器节点失效率，维护整个网络的长期持续运行。

技术领域

本发明涉及一种无线传感器和执行器网络的移动能量补充方法，属于利用无线充电技术延长无线传感器和执行器网络生存期的研究领域。

背景技术

无线传感器和执行器网络(Wireless Sensor and Actuator Networks，WSAN)由随机部署的传感器节点、确定数量的执行器节点、基站和移动充电装置构成。其中，传感器节点是具有低成本、低功耗并具备感知、数据处理和无线通讯能力的优点，可以感知监测周围环境中的热、红外、火灾和地震信号等等，可以探测环境的温度、湿度、噪声以及土壤成分等事件。执行器由更强通信和数据处理的能力，并且可以自主地实行完成任务。执行器基于网络中所发生的事件做出决策并完成相应的任务，执行器一般被组织成无线互联的执行器网络，方便消息的传递。基站具有足够的电能和通信能力，与移动充电装置直接进行消息数据的传输。移动充电装置具有自主移动能力，计算能力和通信能力的设备。无线传感器和执行器网络具有自组织性、动态性等优点，目前在军事、工业、环境监测和医疗卫生方面有很好的使用前景，已经引起了国家、科学界和工业界的广泛关注和重视。

无线传感器和执行器网络的主要目标是提高通信实时性，通过执行器间的网络可以及时地传送消息，达到通信的实时性。执行器可以对事件快速做出反应，例如火灾、龙卷风、泥石流和地震等事件可以及时得到处理，可以将灾难发生的可能性降到最低，维护和保护国家的财产和人民的生命安全。因此实时通信尤为重要。

Haiying Shen等人于2016年在IEEE Transactions on Mobile Computing发表的“A Kautz-Based Wireless Sensor and Actuator Network for Real-Time，Fault-Tolerant and Energy-Efficient Transmission”首先在理论上研究了Kautz图。文章提出一种基于Kautz的实时，容错和能量高效率的WSAN(REFER)。REFER将Kautz图形嵌入到WSAN的物理拓扑中，并使用分布式哈希表(DHT)连接Kautz图，以实现网络的高扩展性。文章还在理论上研究了Kautz图中的路由路径，基于此，开发了一种高效的容错路由协议。通过基于多路径的路由选择和Kautz图形单元之间的有效能量多点广播来进一步改进REFER中的路由选择。

Xi Jin等人于2017年在IEEE Transactions on Industrial Informatics发表的“A Hierarchical Data Transmission Framework for Industrial Wireless Sensorand Actuator Networks”提出了一个分层数据传输框架，整合了许多方案的优点，并在实时性能，可靠性和可扩展性之间进行权衡。每个子网中的顶层执行粗粒度管理，通过协调子网之间的通信来提高可扩展性和可靠性。每个子网中的底层执行细粒度管理，为此，文章提出了一种子网内部集中调度算法来管理周期性和非周期性流量。