[发明专利]WRSNs中基于网格结构的分层网络充电方法

摘要

本发明涉及一种WRSNs中基于网格结构的分层网络充电方法及系统，本分层网络充电方法包括：步骤S1，构建分层网络；步骤S2，在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电。本发明充分利用了层次型网络拓扑的优势提高网络本身的路由性能；并且实现了节点能量的及时补给保证每个网格中节点的剩余能量总是高于给定阈值，从而使网络运行在高效状态、延长了网络生命期；另外，本发明还具有计算简单的优点，能满足大规模网络应用。

主权项

1.一种分层网络充电方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，构建分层网络；步骤S2，在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次进行充电；所述步骤S1中构建分层网络，即在矩形部署区域内建立起基于网格结构的分层网络，各传感器节点计算自己的层级号并构建各传感器节点与Sink节点间的路由路径；以及步骤S2中在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点分别进行充电，即充电器沿预设轨迹、速度移动，依次在各网格的中心点处停留，为该网格中的传感器节点充电，并在完成对当前网格中传感器节点的充电后，继续移向下一个网格进行充电；所述建立基于网格结构的分层网络的方法包括：步骤S11，在L*L的矩形部署区域采用笛卡尔坐标系，以网络的中心为坐标原点；步骤S12，根据传感器节点的通信半径Rsensor、充电器充电半径Rcharger，将整个网络划分为若干个正方形且边长为α的网格，各传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出相应的层级号；传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出层级号的方法包括：设传感器节点i的坐标为(xi,yi)，则传感器节点i所属层级号Hi为：式(1)中，| |为取绝对值，为上取整，x_i、y_i为传感器节点i的横坐标和纵坐标；所述步骤S1中各传感器节点构建与Sink节点间的路由路径的方法包括：传感器节点适于选择邻居传感器节点中位于下一层级的剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点为自己的下一跳传感器节点，即第Hi+1层传感器节点适于选择第Hi层中剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点作为自己的下一跳传感器节点；传感器节点能量消耗模型为：Ec＝e*(kr+kt)   (2)式(2)中，Ec为传感器节点i接收kr比特和发送kt比特数据所消耗的能量，e为传感器节点中接收器电路中每比特的能量消耗因子；预设轨迹为在Hi层沿该层各网格的各中心处移动后，转至Hi+1层，同样沿该层各网格的各中心处移动，且从第H1层出发直到遍历所有网格；设预设速度vcharger，以及在各网格的中心点处的停留时间tdwell；所述停留时间tdwell适于根据设定的节点剩余能量阈值Eth进行确定，即使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值Eth；充电器适于通过电磁感应充电技术对传感器节点进行无线能量补充，传感器节点的接收功率其中，P0为充电器的充电功率，λ是电磁波信号的波长，d是发送方和接收方之间的距离，发送方为充电器，接收方为传感器节点；设分层网络中各传感器节点的剩余能量为Er＝Ei‑Ec+Eobtain，其中Ei、Ec和Eobtain分别表示传感器节点初始能量、传感器节点消耗的能量和传感器节点从无线充电器中获得的能量；以及为使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值，即Er>Eth作为约束条件与预设速度vcharger计算出在各网格停留时间tdwell，以使对该网格中的传感器节点进行无线充电后，该传感器节点的剩余能量不低于给定阈值Eth；所述停留时间tdwell的计算方法包括：充电器的移动路径长度Lcharger为传感器节点在一个充电周期的能量消耗Ec为：任意第Hi层中的节点剩余能量均应大于给定阈值，即公式(6)、(7)中Tupload为节点上传数据的周期，tmove表示充电器仅移动不在驻点驻留情况下从第一个网格的中心点到最后一个网格的中心点所用时间；设充电器在分层网络中移动但不进行充电时tdwell＝0，则t＝Lcharger/vcharger，进而获取充电器移动速度vcharger的下限值；第H_i层中网格的个数为：由于将Er>Eth作为约束条件，且Er＝Ei‑Ec+Eobtain，即得出Ei‑CiEc+Eobtain>Eth   (9)传感器节点从充电器处获得的能量Eobtain为将上述公式(4)、(10)代入公式(9)得进而得出停留时间tdwell的计算方程，即式(9)中Ci∈N+为充电器沿预定轨迹移动充电的周期数。