[发明专利]一种智能电网中具有能量捕获功能的数据传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，尤其涉及一种智能电网中具有能量捕获功能的数据传输方法。

背景技术

在智能电网中，安全性、可靠性和高效性是电力服务的目标，这就需要一个大范围内低成本、精细化和长久监测方案。无线传感器网络在监测范围、成本、监测粒度、鲁棒性等方面都能很好地满足需求，但其存在无线传感器节点电池能量受限的问题。如果节点部署在较难抵达或危害性环境中，则网络的监测寿命将受到影响。要将无线传感器网络应用于智能电网中，就需要研究能量效率和能量捕获的相关技术。而考虑到能量转换的便利性和无线传感器节点的特性，基于RFID标签进行反复充电的方式一方面实现技术比较简单，另一方面捕获和转换相对成本较低，而RF能量捕获技术理论上可以为节点永久性供能，对于智能电网中自主性和长期的监测是非常适合的技术。

在RF能量捕获技术中，由于无线传输功率范围有限，另外无线数据通信是节点能量消耗的主要部分，因此无线传感器网络中节点的部署及传输中路由选择会影响到能量捕获及数据传输效果。在多跳路由拓扑中，每个中继节点都会因为负载增加而受影响，能量开销将比其源头节点更大，需要为其设计能量优化策略。构建数据汇聚树可以让无线传感器网络实现更高效和节能的数据传输，尤其是在节点需要通过RF捕能方式来充电的场合，更需要对路由进行优化。

在无线传感器网络中利用数据汇聚来延长网络寿命是一种常见的优化方法。传统上主要有两种方法：基于树型结构和基于簇状结构来转发数据到基站，将充电和数据汇聚结合起来的方法可以使得网络有更多能量来源，是一种较新的方法。但在能量捕获过程中构建数据汇聚树时，已有的研究都基于一些理想假定条件，未考虑数据传输率和充电的实际情况。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种智能电网中具有能量捕获功能的数据传输方法，针对智能电网中需要精确监测和频繁报告的设备进行无线传感器网络部署和监测，构建数据汇聚树来提高传输效率，在此汇聚树上进一步研究如何基于能量捕获率更新路由拓扑。通过增加供能节点，使承担更多数据传输任务的捕能节点获得更高充电优先级，从而实现网络寿命延长和有效数据传输的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能电网中具有能量捕获功能的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

针对智能电网中需要精确监测和频繁报告的设备，部署了一种具有优先级充电功能的无线传感器网络；

在带优先级的充电网络中构建一棵数据汇聚树，进行能量捕获的同时实现节能汇聚路由；

基于优先级充电机制的数据汇聚型节能路由，增加供能节点，使承担更多数据传输任务的捕能节点获得更高充电优先级，并在充电节点中甄选出优先充电的EHN节点。

进一步地，所述部署了一种具有优先级充电功能的无线传感器网络具体为：

包括一个基站，若干供能节点和捕能节点，备选供能节点PEPN不需要提前全网部署且灵活分配，能量转换设备扮演供能节点EPN的角色，数据传输节点包括捕能节点EHN和普通节点ON，其中供能节点仅与捕能节点通信，

每个EHN至少配置一个EPN进行充电，对于路由中承担更大量数据传输任务的EHN，增加PEPN实现优先充电。

进一步地，所述数据汇聚树模型为：

该模型不包含EPN和PEPN，该模型描述为：在网络中一共有K个节点，其中基站B，整个树中有n个顶点，最多有n-1条边，而汇聚路由中进入B的数据流有K－1条边，集合M中所有的边是由两个能直接通信的节点之间的连线构成，EHN节点集ON节点集O，也即N/{H∪S}，对EPN节点不在N中体现，也即数据汇聚树中并不出现EPN。

进一步地，所述节能汇聚路由具体为：

节能汇聚路由为基于AR-ILP模型的节能汇聚路由，AR-ILP构建如下：模型的有向拓扑图源于基站B，每个节点有一个权重，定义ON权重为1，EHN节点和B权重为0，设置一个决策布尔变量X，若节点i选择j作为父节点，则X_ij＝1；整型流矩阵F_ij表示从i到j的数据流构成的矩阵，若X_ij为0，则F_ij亦为0，通过F_ij进行优化后将获得一个连接拓扑，假定每个节点(除B之外)有且仅有一个父节点，在无线传感器网络中所有ON节点的孩子数最少可以表示为：

其中n(j)是节点i射频范围内的所有通信节点。