[发明专利]一种射频能量捕获网络数据收集及移动能量源均衡化充电方法

说明书

技术领域

本发明属于可充电无线传感器网络技术领域，尤其涉及一种移动射频能量源均衡化充电方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为传感器技术、微机电技术、现代网络和通信技术交叉集成的热点研究领域，被认为是改变未来世界的十大新兴技术之一，具有成本低、功耗小、抗干扰性强等特点。通过对网络区域范围内的环境属性和监测对象信息的感知、采集和传输以及处理，从而获得详尽且精确的信息，WSN已广泛应用于环境监测、医疗护理、军事国防、目标跟踪等领域。

传统的无线传感器网络中传感器节点由电池供电，能量容易耗尽，网络生存周期较短，限制了其实际应用场景。无线可充电传感器网络作为目前的研究热点，通过捕获外界能量为传感器供电，以解决上述问题。射频能量作为最具研究前景的能量之一，节点可捕获专用的射频能量或环境的射频能量转化为电能给传感器的收发数据等正常工作供能。

因为射频能量源不能无休止地滞留于网络中充电，其时延过大将阻碍网络通信，所以充电后各节点的剩余能量将可能直接决定此后网络的存活时间。传统的充电方法中节点的能量只是达到最低的工作阈值，但越靠近基站的节点工作负荷越大，消耗能量越多，越不容易存活，这很大程度上导致了能量空洞、网络节点存活率低等问题。因此，实现节点能量的均衡化，将有助于规避部分节点能量提前耗尽的情况。

发明内容

为了克服现有的射频能量源充电方式的节点剩余能量间不均衡、节点存活率较低、网络生命周期较短的不足，本发明提出一种新的射频能量捕获网络数据收集与移动射频能量源均衡化充电方法，以促进节点剩余能量间的平衡，提高节点存活率，延长网络生命周期。

本发明适用于如图1所示的场景。这里以基站为中心用蜂窝六边形结构划分了传感器监测的二维区域。其中有一个基站、一个无线移动充电小车和若干个传感器节点。能量源小车修整结束后周期性地从基站出发，由内向外按层为传感器节点进行移动充电，其移动过程中的停留位置在各六边形网格的中心点，最后回到服务站。

为了实现上述过程，本发明提供以下的技术方案：

一种射频能量捕获网络数据收集及移动能量源均衡化充电方法，包括如下步骤：

步骤1：用蜂窝正六边形网格以基站为中心划分传感器监测区域，从内到外对网格依次分层，将正六边形的中心位置作为无线充电小车的充电停留点；

步骤2：根据节点分布的位置，结合网格的分层情况，对节点进行分层，然后采取数据多跳中继传输的方式，从外层到内层参考均衡式指标来选取下一跳节点；

步骤3：小车从基站出发，由内层向外层运动，根据节点工作消耗的能量及分层情况，协调分配各层充电停留时间，使得节点最终剩余的能量尽可能均衡。

进一步，所述步骤1的处理过程为：

对于传感器节点所处的二维区域，以基站为中心，采用蜂窝六边形结构为单位网格划分，将小车的充电半径作为六边形网格的边长，视基站为第0层，根据各网格中心点的坐标位置可计算出其所属的层数。

再进一步，所述步骤2的处理过程包括以下分步骤：

步骤21：连接相邻六边形的中心点构成正三角形，根据节点在正三角形内的位置信息，参考已分层的网格，对节点进行归属分配；

步骤22：各层节点尽可能选择向内一层节点中捕获能量能力强、与当前节点距离近的节点作为下一跳节点，以多跳传输的方式将数据包发送至基站；

步骤23：计算各节点发送和中继数据包消耗的能量。

更进一步，所述步骤3的处理过程为：

能量源就绪后，无线充电小车从基站(第0层)出发，根据网格的分层情况，沿六边形路径由内层向外层移动，在各网格的中心点停留充电，同层中各停留点停留充电时间相同。停留充电时间的计算具体包括以下分步骤：

步骤31：将各节点剩余能量均衡化的问题转化为每相邻两层节点能量均衡化的问题，从最里层开始由内向外，得到相邻两层节点充电时间的函数关系；

步骤32：计算各层停留点的最优时间，并根据节点剩余能量最低要求，将最优时间与最少所需时间进行比较，最终确定合适的停留时间。

本发明的有益效果为：促进节点剩余能量间的平衡，提高节点存活率，延长网络生命周期。

附图说明

图1为无线传感器网络的系统模型；

图2为某相邻两层网格间节点的归属分层情况示意图；

图3为无线充电小车从基站出发后的移动路径规划示意图。

具体实施方式