[发明专利]基于离线模型的无线可充电传感器网络移动数据收集方法

说明书

本发明公开了一种基于离线模型的无线可充电传感器网路移动数据收集方法。本发明针对一些需要收集网络中每个传感器节点产生的数据并且网络能持续运行的场景而设计。该方法提出了离线数据收集模型、锚点选择、路径规划等三部分，通过离线数据收集模型，基站全局规划SenCar的路径，选择锚点的能服务到整个网络，能提前预测网络中的可能死亡节点，将可能死亡节点作为特殊锚点获得充电机会，通过路径规划可用尽可能少的SenCar来完成目标。该方法能在该周期收集到网络中每个传感器节点上个周期所产生的数据，同时保证网络中的传感器节点的剩余能量不会低于正常工作所需能量。适用于特殊场景中的数据可靠、高效收集。

技术领域

本发明主要涉及无线传感器网络领域，特别涉及一种基于离线模型的无线可充电传感器网路移动数据收集方法，适用于需收集网络中每个传感器节点产生的数据并且网络能持续运行的场景。

背景技术

无线传感器网络是由大量的传感器节点通过无线通信方式组成的多跳自组织网络，这些传感器节点具有信息采集、数据处理和无线通信等功能，同时具有能量受限，计算和通信能力受限的特点。无线传感器网络能够在人们无法接近的恶劣或特殊环境中工作，如气候监控、外层空间以及战场环境和信息采集系统建设等，也可以在水灾、火灾或地震灾难性环境的灾害监测中发挥重要作用，这类场景是无线传感器网络一类常见的应用模式。在一些场景中，需要收集到网络中每个传感器节点的数据并且网络中不能出现剩余能量低于正常工作值E_min的传感器节点。然而以前设计的基于离线模型的无线可充电传感器网络数据收集方法均无法保证。如何收集到网络中每个传感器节点的数据并且保证网络中不出现剩余能量低于正常工作值的传感器节点成了该研究领域的热点。

在无线传感器网络中，传统的数据收集方法是通过传感器节点的自组网将数据通过多跳中继的方式传回基站，但这样会造成越靠近基站的传感器节点所需要传送和接收的数据越多，而传感器节点的主要能量消耗是数据的传送和接收，所以越靠近基站的传感器节点能量消耗越快，整个网络的能量消耗非常不均衡。近年来，此领域中基于离线模型的无线可充电传感器网络移动数据收集方法的研究得到了较多的关注。

移动数据收集有效的解决了网络中能量消耗不均衡的情况，有效地延长了网络的寿命。研究者们针对不同的问题相继提出了不同的移动数据收集方法，如：Wang等人在《Extending the lifetime of wireless sensor networks through mobile relays》一文中，研究了在网络当中存在一些可以移动的传感器节点，这些节点比静止的传感器节点拥有更多的能量可以充当中继节点来减轻负荷比较重的中继节点，设计了移动和路由算法极大地延长了网络的寿命；Gatzianas等人在《A Distributed Algorithm for MaximumLifetime Routing in Sensor Networks with Mobile Sink》一文中，通过使用移动基站，设计了分布式最大化生命时间路由算法，该算法综合考虑每个传感器的能量限制；Miao等人在《Joint mobile energy replenishment and data gathering in wirelessrechargeable sensor networks》中首次将数据收集和能量补充结合起来，通过SenCar来对网络进行移动数据收集和充电，将剩余能量最少的那一部分传感器节点选作锚点来让SenCar停靠，问题转化成网络效用最大化问题，效用函数是数据收集量的递增函数。根据流守恒，能量守恒，链路容量限制得到约束条件，通过拉格朗日对偶分离等数学方法将网络效用最大化问题转化成三个子问题，证明这些子问题是收敛的通过迭代可以逼近最优解，以此提出了无线可充电传感器网络中移动数据收集的方法。

由于以前的研究中大部分没有考虑无线充电，移动数据收集使用移动装置在网络中收集数据，可以同时给移动装置配备无线充电装置，在收集数据同时对网络补充能量，还有小部分的研究虽然考率了对网络补充能量，但无法保证能收集到网络中每个传感器节点产生的数据也无法保证网络中传感器节点的剩余能量不低于正常工作值。

发明内容