WSN 傳感器能量更新研究

成亞玲，楊 幸，譚愛平

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

WSN 傳感器能量更新研究

成亞玲，楊 幸，譚愛平

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在監(jiān)視各種環(huán)境中，但是經(jīng)常受電池能量限制。因此，網(wǎng)絡(luò)的生存周期被廣泛認(rèn)為是限制性能的關(guān)鍵所在。無線電力傳輸?shù)某霈F(xiàn)，為消除這種系能瓶頸提供了可能，它能確保傳感器網(wǎng)絡(luò)持續(xù)運(yùn)行下去。討論使用這種能量傳輸技術(shù)來保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸，并對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線充電。針對(duì)更新能源周期的概念進(jìn)行了討論，并提出了必要和充分的條件。仿真實(shí)驗(yàn)表明是通過無線電力傳輸技術(shù)，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線充電，有效提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；生存周期；移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)；無線電力傳輸

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由電池供電，由于能量存儲(chǔ)能力的限制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只能在有限的時(shí)間周期內(nèi)投入使用。為了維持它的生命周期，已經(jīng)有多種方法進(jìn)行了研究，如，從外部提取能量[1-5]，比如太陽能、熱能、風(fēng)能可用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，但是這些技術(shù)并不是非常成功，因?yàn)檫@些能量收集技術(shù)高度依賴于環(huán)境，同時(shí)這些技術(shù)的部署也變得非常困難,原因是裝置的尺寸大小不好控制。最近 kurs[6]等人，提出通過一種新的技術(shù)來延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，它通過一個(gè)稱為磁共振耦合的新技術(shù)，使得無線電力從一個(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一個(gè)成為可能。除了這個(gè)無線電力傳輸，還證明了能量有效傳輸不必建立在能量存儲(chǔ)設(shè)備與接收裝置的接觸之上。無線電力傳輸不受周邊環(huán)境限制，能量傳輸節(jié)點(diǎn)和能量接收節(jié)點(diǎn)不一定要在視線之內(nèi)。無線電力傳輸和其他能源對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)影響最大。不需要本地節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生能力，可以把在其他地方產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到傳感器節(jié)點(diǎn)，不需要電線和插頭以及充電電池。

通過這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的無線電力傳輸技術(shù)，攜帶能量訪問每個(gè)節(jié)點(diǎn)并對(duì)他們進(jìn)行無線充電。通過研究可以解決一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期性能瓶頸的根本問題。使該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)運(yùn)行下去。

1 無線電力傳輸

無線電力傳輸?shù)膰L試最早可以追溯到 20世紀(jì)初期，美國(guó)科學(xué)天才尼古拉·特斯拉試驗(yàn)了大規(guī)模無線充電[8]。特斯拉的構(gòu)思從未投入實(shí)際使用，因?yàn)橄牡碾娏?shí)在過于龐大。從那時(shí)起，無線電力傳輸連續(xù)多年幾乎沒有取得任何進(jìn)展。在 20 世紀(jì) 90 年代，當(dāng)便攜式電子設(shè)備流行起來，無線電力傳輸才又被重新提出。然而，由于嚴(yán)格的要求，如接觸必須密切，在改變方向需要精確定位，和視線不間斷，因此大部分無線電力傳輸技術(shù)只得到有限的應(yīng)用。

最近，無線電力傳輸基于射頻 （RF） 之間的850MHz-950MHz的進(jìn)行了研究。在這樣的輻射功率傳輸技術(shù)，RF 發(fā)射器廣播在 915MHz 的 ISM 頻帶和無線電波的RF接收機(jī)調(diào)諧到相同的頻帶。許多類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也在文獻(xiàn)[11]中提到。該技術(shù)對(duì)源和設(shè)備之間的障礙非常敏感, 如果位置變化，需要復(fù)雜的跟蹤機(jī)制，面臨更嚴(yán)格的安全問題。

研究基礎(chǔ)是來源于近期取得突破性進(jìn)展的 KURS等提出的無線電力傳輸技術(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，高效的非輻射能量傳遞不僅是可能的，而且也是實(shí)用的。他們使用兩個(gè)磁共振物體具有相同的共振頻率，以有效地交換能量，而在外部非共振物體上消耗的能量很少。

KURS等人第一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示后，無線電力傳輸技術(shù)出現(xiàn)了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，尤其是便攜性的進(jìn)步。他們將這種技術(shù)首先應(yīng)用到許多便攜式設(shè)備上，比如手機(jī)。源線圈仍然相當(dāng)大，但該設(shè)備的線圈依舊便攜。無線電力傳輸技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)傳統(tǒng)的無線電力傳輸理念的重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到能源補(bǔ)充方面。

2 問題描述

設(shè)定一組傳感器節(jié)點(diǎn)N，分布在一個(gè)二維區(qū)域，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有的 Emax的電池容量，并初步充滿電。Emin表示為傳感器節(jié)點(diǎn)的電池最小能量。網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間可以被定義為直到任何傳感器節(jié)點(diǎn)能量的水平低于 Emin的時(shí)間。

每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，有一個(gè)固定的基站 B，這是匯聚節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) i以 Ri的速度產(chǎn)生數(shù)據(jù)i∈N。這里采用多跳路由。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。利用每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)（MCN），對(duì)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的電池進(jìn)行充電。移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)（MCN）從基站（S）開始，以 V 的速度行進(jìn)（m/s）。當(dāng)它到達(dá)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) I，τi，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的電池使用無線電力傳輸技術(shù)充電。當(dāng) MCN訪問網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感器節(jié)點(diǎn)之后，它會(huì)回到基站給其電池充電，然后做好準(zhǔn)備下一回合。定義 τvac為休整時(shí)間。休整時(shí)間之后，MCN將會(huì)準(zhǔn)備他的下一次周期。可以參考 τ 為移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)（MCN）行程時(shí)間。研究希望在一個(gè)周期內(nèi) MCN花費(fèi)的休假時(shí)間百分比最大化，即 τvac/τ 如[13]或等價(jià)最小化。

圖1 50節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)充電的最優(yōu)行進(jìn)路徑

圖 2 100 節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)充電的最優(yōu)行進(jìn)路徑

3 最優(yōu)行駛路徑

在本節(jié)中，提出一個(gè)最優(yōu)的解決方案。實(shí)驗(yàn)表明,移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)必須沿著最短的哈密頓循環(huán)。

定理 1：在一個(gè)最優(yōu)解，MCN 必須沿著最短的哈密頓回路循環(huán)鏈接網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)達(dá)到本站最大化的目標(biāo)。

這可以通過求解旅行推銷員問題（（Traveling Salesman Problem，TSP）[10][11]獲得。DTSP被表示為在最短哈密頓回路的行駛距離，并讓作為給定[14]。

然后使用最佳的行駛路徑的方程給定為：

最短哈密頓圖可能不一定是唯一。選擇一個(gè)特定的哈密頓回路不會(huì)影響約束（1）, 同時(shí)也得到相同的最優(yōu)目標(biāo)，因?yàn)槿魏巫疃坦茴D回路具有相同的總路徑距離和行駛時(shí)間 τTSP。圖 1 和 2 分別顯示 50 節(jié)點(diǎn)和 100 個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)行進(jìn)路徑。

4 仿真

該仿真環(huán)境是在一個(gè) 1000*1000m2的區(qū)域組節(jié)點(diǎn)隨機(jī)放置，廣播范圍為 200m，傳播模型使用跟蹤模式。開始時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被設(shè)置以 100J 的能量。使用 11e6帶寬和 2.4e6的頻率，使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是扁平網(wǎng)格尋址。仿真是使用網(wǎng)絡(luò)模擬器（NS2）生成不同數(shù)量的節(jié)點(diǎn)。

從被跟蹤文件中獲取能源和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。節(jié)點(diǎn)的顏色表明了能量水平。綠色表示能量水平 ＞80%，黃 ＜50%，紅 ＜20%。移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)（MCN）是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其余都設(shè)置為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。傳輸之后每一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得能量。作為移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)周期性地圍繞網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被充電，從而使網(wǎng)絡(luò)能夠繼續(xù)運(yùn)行下去。

5 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他現(xiàn)有方法對(duì)比，提出新能源可更新的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

仿真結(jié)果如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)吞吐量

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)使用 MCN的和不使用 MCN的平均吞吐量的模擬結(jié)果示于圖 3。使用移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)的工作，該網(wǎng)絡(luò)的生命時(shí)間增加，從而使網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也增加至 25%。

（2）封包傳輸率

圖 4 顯示了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包交付率 50 個(gè)節(jié)點(diǎn)和 100節(jié)點(diǎn)，隨著節(jié)點(diǎn)的增加，網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包傳輸率隨著不使用移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)而減少，采用可更新能源的方法顯示網(wǎng)絡(luò)獲得最好的結(jié)果。

圖3 吞吐量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量

（3）平均端到端延遲

圖 5 顯示了平均端到端網(wǎng)絡(luò)的延遲。對(duì)于 200m的傳輸范圍，結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)的延遲大約是 2.0 秒。隨著傳輸范圍增大，延遲也隨之增加了。

圖4 封包傳輸率和節(jié)點(diǎn)數(shù)量

圖5 平均端到端延遲與傳輸范圍

6 結(jié)束語

現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要受到電池能量的限制，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間一直是一個(gè)關(guān)鍵性問題?；跓o線電力傳輸技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，使用移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)使 WSN網(wǎng)絡(luò)可以繼續(xù)工作下去。本文研究了讓移動(dòng)充電節(jié)點(diǎn)周期性地訪問每個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)每個(gè) WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能力補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn) WSN 網(wǎng)絡(luò)的可靠持續(xù)工作，對(duì)需要密集部署的WSN網(wǎng)絡(luò)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Study on Energy Update for Wireless Sensor Network

CHENGYa-ling,YANGXing,TANAi-ping
（Hunan industrypolytechnic,Changsha 410208,Hunan）

Wireless sensor network can be used in monitoring various environments,but is often limited by battery power. Network life cycle,therefore,is widely considered to be the key to limiting performance.The emergence of wireless power transmission makes it possible to eliminate bottleneck ofthis kind ofsystem;it can ensure the sensor network runs continuously.This paper discusses how to use this energy transmission technology to ensure the operation of wireless sensor network.Mobile charging node(MCN)can be transmitted within the network,and be wirelesslycharged for each node.Toupdate the concept ofenergycycle is discussed,and the necessary and sufficient conditions are put forward.Simulation experiment shows that through the wireless power transmission technology,wireless chargingis performed on each node,effectivelyimprovingthe lifetime ofsensor networks.

wireless sensor network,lifetime,mobile chargingnode,wireless power transfer

TH7

A

1671-5004（2017）03-0010-04

2017-03-03

2017 年度湖南省教育廳科學(xué)研究?jī)?yōu)秀青年項(xiàng)目“基于面部視覺多特征融合的駕駛員疲勞檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)”（項(xiàng)目編號(hào)：17B079）

成亞玲（1984-），女，上海青浦人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：軟件工程，人工智能。