基于能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱WSN)是一種新興的信息獲取平 臺(tái)，由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信的方 式形成多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠相互協(xié)調(diào)地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及采集各種所監(jiān)控環(huán)境或?qū)?象的感興趣信息，其信息通過嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行一定處理后，通過自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)將 信息以多跳中繼方式發(fā)送到基站，以供用戶終端使用，從而使目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤功能得以在 復(fù)雜的指定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、快速展開、抗毀性強(qiáng)、有自組 織能力、分布式協(xié)助工作、不需要有線網(wǎng)絡(luò)支持等特點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健 康、現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)、軍事與安全救援、智能交通、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外備受關(guān) 注的新興研究熱點(diǎn)領(lǐng)域，是信息感知和采集領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，并于2003年被美國(guó)《商 業(yè)周刊》列為未來四大新技術(shù)之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)極大地影響人類未來的生活和生 產(chǎn)。
[0003] 然而，傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用鋰電池供電，其生命周期主要決定于電池電能 容量，同時(shí)，受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境的限制，若要為網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)更換電池需要 花費(fèi)大量的人力物力，這顯然是不可能而且是得不償失的。因此傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研 究的主要問題就是通過各種節(jié)能手段來延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，WSN的其他性能指標(biāo)通 常都需要以節(jié)能和能量高效利用作為基礎(chǔ)來考慮。為了達(dá)到延長(zhǎng)WSN生命周期的目的，網(wǎng) 絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)采取低占空比的周期性工作模式（工作/休眠）。占空比越低，節(jié)能效果 越明顯，但是這樣的節(jié)能工作模式就會(huì)與WSN的必要性能產(chǎn)生尖銳的矛盾，例如傳感器節(jié) 點(diǎn)不能及時(shí)地采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，這與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)信息采集網(wǎng)絡(luò)的要求是明顯 不相符的。
[0004] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能隨著微電子和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展而得到提高，但是僅僅 依靠傳感器節(jié)點(diǎn)固定的電池電能容量來維持WSN的能量損耗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這些能量問題 極大地制約了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能以及限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。
[0005] 隨著目前環(huán)境能量采集技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的研究人員開始專注研究無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)境能量采集技術(shù)，如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能在工作環(huán)境中為自身補(bǔ)給能 量，就可以緩解WSN在節(jié)能和保證性能之間的尖銳矛盾，更有利于滿足WSN的應(yīng)用需求。因 此，傳感器節(jié)點(diǎn)通過自主采集環(huán)境能量實(shí)現(xiàn)自身的能量補(bǔ)給成為了延長(zhǎng)WSN的生命周期和 提高WSN的性能的一個(gè)有效方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理方法，包括 傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量和環(huán)境能量采集情況的實(shí)時(shí)感知，在不違背無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗 特性的前提下，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化的相關(guān)知識(shí)和原則，充分有效利用了傳感器節(jié)點(diǎn)在工作環(huán) 境中采集的能量，一方面保證了 WSN的壽命要求，另一方面可大限度改善WSN的性能。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種基于能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理方法：
[0009] 結(jié)合容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流鏈路增廣，同時(shí)簇首 的選舉機(jī)制引入容差因素，保證增廣鏈路有足夠的容量即保證信道帶寬可供數(shù)據(jù)流傳輸。 [0010] 可選的，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所工作于三個(gè)不同時(shí)期的傳感器節(jié)點(diǎn)能量特點(diǎn)，綜 合考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量、能量采集速率、能耗速率以及路由信息，節(jié)能模式引入傳感 器節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為簇首選舉的主要因素，在能量充裕期工作時(shí)，多余的能量會(huì)被用于 進(jìn)行增廣網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流，并根據(jù)信道帶寬計(jì)算最佳數(shù)據(jù)流量，增加無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗， 使能耗速率與能量采集速率保持相對(duì)穩(wěn)定，充分利用環(huán)境補(bǔ)給的能量，提高網(wǎng)絡(luò)性能。
[0011] 可選的，把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)看作是一個(gè)有向容量網(wǎng)絡(luò)，把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù) 傳輸量問題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化問題，在分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇成員作為源點(diǎn)，簇首作 為中間頂點(diǎn)，基站作為匯點(diǎn)，應(yīng)用容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化，選取中間 頂點(diǎn)容差大的鏈路進(jìn)行增廣，選擇容差大的節(jié)點(diǎn)作為簇首，保證數(shù)據(jù)流增廣后鏈路有足夠 的帶寬來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0012] 可選的，在耗能期和儲(chǔ)能期，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作于節(jié)能模式，簇首選擇機(jī)制引入 傳感器節(jié)點(diǎn)的能量信息來作為主要考慮因素，同一個(gè)簇的傳感器節(jié)點(diǎn)以均勻概率在簇內(nèi)循 環(huán)輪流擔(dān)任簇首，節(jié)點(diǎn)剩余能量和能量采集值較大的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首的概率比較大，并且設(shè) 定剩余能量低于閾值的節(jié)點(diǎn)不能擔(dān)任簇首。
[0013] 可選的，在能量充裕期，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化階段，需要對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行 增廣，引用容差修正網(wǎng)絡(luò)最大流FF算法，選擇容差較大的傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇首。
[0014] 可選的，分簇階段，若基站發(fā)布按網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化分簇命令，傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的容 差并在簇內(nèi)廣播自己的容差信息，簇內(nèi)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)都知道鄰節(jié)點(diǎn)的容差信息并各自 建立成表，在此表中容差最大的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)擔(dān)任本輪的簇首，并按基站提供的最優(yōu)數(shù)據(jù)流量 信息制定本簇的TDM調(diào)度表。
[0015] 可選的，基于能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理方法，包括以下步驟：
[0016] ⑴每輪開始，基站根據(jù)上一輪WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的能量信息計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的平均剩余 能量值U、平均能耗值U、平均能量采集值·
[0017] (2)基站判斷WSN處于耗能期、儲(chǔ)能期還是能量充裕期并廣播信息，
[0018] 3',
，則WSN進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化階段，轉(zhuǎn)⑷；
[0019] 否則，WSN進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)能耗均衡優(yōu)化階段，轉(zhuǎn)（3);
[0020] (3)節(jié)點(diǎn)接收基站網(wǎng)絡(luò)能耗均衡優(yōu)化分簇命令，計(jì)算閾值T(i)，產(chǎn)生0~1的隨機(jī) 數(shù)α，若a < T(i)，則擔(dān)任簇首；否則，則為簇成員；
[0021] (4)節(jié)點(diǎn)接收基站網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化分簇命令和基站計(jì)算的最優(yōu)數(shù)據(jù)流量Itest，節(jié)點(diǎn)在 簇內(nèi)廣播自己的能量信息并根據(jù)鄰節(jié)點(diǎn)的能量信息計(jì)算容量和容差，廣播各自容差信息并 建立成表，選舉容差最大節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇首，其余成為簇成員；
[0022] (5)簇首建立TDM調(diào)度表并在簇內(nèi)廣播，簇成員按TDM調(diào)度表安排時(shí)隙進(jìn)行工 作；
[0023] (6)開始數(shù)據(jù)傳輸階段。節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇首，數(shù)據(jù)包內(nèi) 容包含節(jié)點(diǎn)ID、剩余能量E rast、能耗值E_、能量采集值Eup、環(huán)境信息數(shù)據(jù)；
[0024] (7)簇首進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并采用簇首間多跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)給基站，第η層簇首i將數(shù)據(jù) 包轉(zhuǎn)發(fā)給第（n-1)層簇首」，按<
中的簇首j作 為下一跳節(jié)點(diǎn)；
[0025] (8)基站接收全網(wǎng)數(shù)據(jù)，本輪循環(huán)結(jié)束，并準(zhǔn)備下一輪循環(huán)。
[0026] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要能耗在于網(wǎng)絡(luò)通信和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制方面，其能量管理的核 心技術(shù)之一就是"路由算法"，因此本發(fā)明提供的基于能量采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理 方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化的相關(guān)理論知識(shí)和原則，根據(jù)所設(shè)定的具體太陽能采 集模型，設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的工作模式，在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量充裕時(shí)期在數(shù)據(jù)流 方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明可兼顧維持網(wǎng)絡(luò)能耗均衡，保證網(wǎng)絡(luò)的生命周期，同時(shí)可 以尚效地利用環(huán)境能量，提尚網(wǎng)絡(luò)性能。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型示意圖；
[0028] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例容量網(wǎng)絡(luò)G模型示意圖；
[0029] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例流程不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面將結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明：
[0031] 網(wǎng)絡(luò)模型
[0032] 由于可供研究的資源受限，為了本發(fā)明所提出的網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化分簇路由協(xié)議在 Matlab仿真中較容易實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明假設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作區(qū)域是一個(gè)邊長(zhǎng)為a的正方 形區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)散布N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇的工作區(qū)域是一個(gè)邊長(zhǎng)為b的正方