[发明专利]一种面向智能服装的能量管理和网络性能的联合优化方法

说明书

本发明公开了一种面向智能服装的能量管理和网络性能的联合优化方法。本发明采用节能方案和能量收集方案相结合，提高装置的能源效率，另一方面通过智能服装中各传感节点工作占空比自适应调节技术，权衡了智能服装的无线网络服务质量和长时续航可用性。具体到各种人体姿态转移状态下，考虑了在混合能量收割加持下的系统能量消耗和电池放电折损，同时针对无线网络服务质量，计算了不同姿态下的路径损耗和时间延迟。本发明首次探索了典型人体姿态下，将路径损耗、能耗、时延和电池损耗结合成一个整体的联合优化问题，并提供了有效的解决方案。人体姿态对智能服装的能量消耗和网络性能具有显著影响，及本发明提出的联合优化策略的有效性及可靠性。

技术领域

本发明涉及一种面向基于可穿戴传感系统的智能服装的能量管理和网络性能的联合优化方法。

背景技术

基于可穿戴传感系统的智能服装作为物联网和无线体域网的关键应用，面临着人体动态性、能量有限性和数据可靠性等一系列挑战。人体是一种复杂的媒介，其中身体组织和运动都影响节点之间的数据传输。人体频繁运动引起的阴影效应和信道衰落，对服务质量有着显著影响。智能服装服务的场景中，往往存在传感网络拓扑的频繁改变、电池能量有限、同时反复充电不便等问题，因此，网络成本和能源效率的问题是智能服装的开发和应用中必须解决的技术难题。目前，最有效的技术手段和解决方案是从周围环境中收集能量，以缓解可穿戴电池的续航问题。一方面，基于能源收割(Energy Harvesting)技术产生的能量，可以存储在电容器或可充电电池中，以保持设备的正常运行，不仅可以节省电池更换的维护成本，而且可以进一步提高使用体验。同时，采用混合的能源收割方案，不仅可以获取比单一能量收集更多的能量，而且多通道的能量收集也提高了系统供能的可靠性。另一方面，智能服装本身可以提供相应的节能解决方案，进一步提升能源转换效率，增强智能服装的续航。例如，对智能服装内嵌的传感器采用动态休眠机制，通过调整传感节点的占空比以减少能源消耗。

目前，智能服装中传感器节点的异构性以及环境和个体姿态差异的影响并没有被广泛研究，而这对于节点之间的通信链路质量以及节点采集的能量都有较大影响。少量工作集中于智能可穿戴设备中的能源消耗、数据传输的实时性和可靠性、网络协议的设计和电池的健康度等单一要点的研究。

发明内容

本发明的目的是：构建能量管理策略，通过节约能耗策略与能源收割技术相结合，以有效地解决智能服装能量受限问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种面向智能服装的能量管理和网络性能的联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于可穿戴传感系统，构建一个通用的智能服装模型，在该智能服装模型中，无线传感节点分布在人体的关键部位，用于监测人体生理特征，同时，在该智能服装模型中有中央节点，用于收集和转发无线传感节点采集的生理数据；

步骤2、定义智能服装在日常应用场景中穿戴主体的典型人体姿态，并建立姿态状态选择的马尔可夫模型；

步骤3、设置中央节点配置射频能量收割模块和服装关节部位的功能面料摩擦纳米发电机，同时进行射频和摩擦发电机输出的混合能量收集，对智能服装中的可充电电池进行充电，由可充电电池为各个无线传感节点供电；

步骤4、建立能量消耗模型，并充分考虑智能服装穿戴主体姿态的变化对摩擦电能的功率采集的相关性，则无线传感节点i总能量消耗E_i由下式计算：

式中，π_m表示人体处于第m姿态下的概率、E_sleep表示睡眠模式下的能耗、表示第m姿态下无线传感节点i的功耗；

所有无线传感节点的能量消耗E_Total描述为下式：

式中，N为无线传感节点的数量；