王 杰, 何怡剛

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)通常是指由一組帶有嵌入式處理器、傳感器和無線收發(fā)裝置的節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，通過節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同工作來采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的目標(biāo)信息[1]。由于WSNs自身的特點(diǎn)，使其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用存在很多技術(shù)瓶頸，節(jié)點(diǎn)壽命短是WSNs最大的挑戰(zhàn)。節(jié)點(diǎn)通常是由電池供電的，當(dāng)電池電量用完時(shí)節(jié)點(diǎn)就失效，給節(jié)點(diǎn)更換電池是極其困難的。為了提高節(jié)點(diǎn)的壽命，目前已經(jīng)被大量研究的有節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)、低功耗協(xié)議和周圍能量獲取技術(shù)[2]等。節(jié)點(diǎn)硬件低功耗設(shè)計(jì)和低功耗協(xié)議所降低電池的能耗是有限的，只能延長傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命，不能使傳感器節(jié)點(diǎn)長久有效。周圍能量主要是指太陽能、風(fēng)能、振動(dòng)能和生物化學(xué)能等，目前由太陽能提供能量的傳感器網(wǎng)絡(luò)被研究的最多，但是，如太陽能等周圍的能源的使用對(duì)環(huán)境的依賴性比較大，如在室外的輸電線路的監(jiān)測可以用太陽能為節(jié)點(diǎn)供能，但若需要監(jiān)視的設(shè)備在室內(nèi)，就無法利用太陽能為節(jié)點(diǎn)供電。

本文使用無線射頻充電技術(shù)為傳感器節(jié)點(diǎn)充電，由于其是人工控制的，不受環(huán)境的影響，可靠性高。有文章已經(jīng)提出可持續(xù)無線充電傳感器網(wǎng)絡(luò)(sustainable wireless rechargeable sensor networks，SWRSNs)技術(shù)[3]，該技術(shù)可以從根本上解決節(jié)點(diǎn)壽命短的問題，但是充電效率低?；诖思夹g(shù)改進(jìn)后的有差別射頻充電傳感器網(wǎng)絡(luò)(differentiatedRF rechargeable sensor networks，DRRSNs)，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中選定一些相對(duì)比較重要的節(jié)點(diǎn)作為關(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)，在充電的時(shí)候?yàn)殛P(guān)鍵性節(jié)點(diǎn)充更多的電，該方法可以提高充電效率。

1 無線射頻充電技術(shù)簡介

(1)

式中λ為表示波長；Gr為線性增益；PtGt為發(fā)射的能量。

接收器將接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓,并且保存在超級(jí)電容器里面，因此,只要傳感器節(jié)點(diǎn)包含射頻接收器、電能轉(zhuǎn)換模塊和超級(jí)電容器，就可以無線獲取能量并且儲(chǔ)存在電池里以供節(jié)點(diǎn)使用。

2 SWRSNs

2.1 SWRSNs介紹

SWRSNs是基于無線射頻充電技術(shù)的，在WSNs監(jiān)控的區(qū)域中布置一些可以無線射頻充電的傳感器節(jié)點(diǎn)，首先在WSNs中指定一些標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)充電機(jī)器人便于?？康谋O(jiān)控區(qū)域中的一個(gè)位置，移動(dòng)充電機(jī)器人在該位置為其一定范圍內(nèi)相鄰區(qū)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射能量信號(hào)為其充電，為了使移動(dòng)充電機(jī)器人所經(jīng)過的路徑最短，移動(dòng)充電機(jī)器人按照最優(yōu)的哈密爾頓圈訪問這些標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的電量不足時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)派出距離其最近的移動(dòng)充電機(jī)器人去為其無線充電，當(dāng)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)附近的所有的傳感器節(jié)點(diǎn)充滿電后，此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人離開該標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，前往下一個(gè)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)為其他傳感器節(jié)點(diǎn)充電。

2.2 SWRSNs構(gòu)建

SWRSNs構(gòu)建分為兩步:1)根據(jù)傳感器的位置和充電的要求選擇最少的標(biāo)志性節(jié)點(diǎn);2)根據(jù)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)靠近移動(dòng)無線充電機(jī)器人停放處的程度被分成簇，每個(gè)簇被單獨(dú)的移動(dòng)充電機(jī)器人服務(wù)，移動(dòng)充電機(jī)器人經(jīng)過最短的哈密爾頓圈訪問被分配的簇中的標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，為其附近的傳感器節(jié)點(diǎn)充電，哈密爾頓圈是最優(yōu)的訪問路徑[5]。

圖1中展示一個(gè)矩形區(qū)域中的簇，簇中包含有26個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和7個(gè)標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，封閉的虛線表示一個(gè)哈密爾頓圈，一個(gè)移動(dòng)充電機(jī)器人通過該哈密爾頓圈訪問一部分標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)，并為其附近的傳感器節(jié)點(diǎn)充電。

圖1 SWRSNs中一個(gè)簇的標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和哈密爾頓圈

3 DRRSNs

3.1 DRRSNs介紹

以上提到的SWRSNs把每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的重要程度看作是相同的，移動(dòng)充電機(jī)器人平均的為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)充電，但實(shí)際上是各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的重要程度往往是不同的。監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)就比較重要，而監(jiān)控不太重要的設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)的重要程度就小點(diǎn)。比如:變壓器和電容器陣列是變電站中的關(guān)鍵設(shè)備，其故障將會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)的大面積崩潰，但同一個(gè)變電站的周圍的設(shè)備相對(duì)來說可能沒有那么重要，在這種情況下，監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的傳感器就需要比監(jiān)控周圍次要設(shè)備的傳感器更加頻繁地更新收集到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并上傳，其消耗的能量更大，如果平均為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)充電的話，那些消耗能量比較高的節(jié)點(diǎn)就會(huì)早早的耗完電池的電量，其節(jié)點(diǎn)失效，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控的區(qū)域也無法得到監(jiān)控，這樣的傳感器網(wǎng)絡(luò)很不可靠。所以，在SWRSN的基礎(chǔ)上，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的重要程度進(jìn)行分類，設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，目標(biāo)是優(yōu)先為那些監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)提供更多的能量供其電池充電，因此，有差別的射頻充電策略會(huì)使高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)接收到的能量最大化。

3.2 DRRSNs構(gòu)建

首先構(gòu)建整數(shù)線性規(guī)劃模型，為使高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)接收的能量最大化，建立目標(biāo)函數(shù)

(2)

目標(biāo)函數(shù)的求解有以下一些限制條件。假設(shè)所有的標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)的數(shù)量限制在Nl以內(nèi)，標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)總數(shù)的最大值由下式確定

(3)

為了避免標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)多余，必須保證至少有一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)從(x，y)處的標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)獲取能量，即

(4)

為了在每個(gè)充電周期里為傳感器節(jié)點(diǎn)提供充足的能量，移動(dòng)充電機(jī)器人提供的能量應(yīng)該大于等于傳感器節(jié)點(diǎn)需要接補(bǔ)充的能量，即

(5)

式中δ為傳感器節(jié)點(diǎn)i需要補(bǔ)給的能量，τl為移動(dòng)充電機(jī)器人提供的能量。

為確保當(dāng)坐標(biāo)(x，y)處有標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能從該標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)接收能量，有

(6)

式(7)表示高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)能比低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)能接收更多的能量

(7)

最少標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)、簇和路徑的選擇與之前提到的SWRSNs的方法相同。

4 DRRSNs性能評(píng)估

使用CPLEX最優(yōu)化求解方法通過求解之前介紹的整數(shù)線性規(guī)劃模型確定標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)的位置。在50 m×50 m的矩形區(qū)域中隨機(jī)的部署20～30個(gè)數(shù)量隨機(jī)變化的傳感器節(jié)點(diǎn)，假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所需要的能量是一樣的，設(shè)置為2 kJ，每個(gè)充電機(jī)器人所能輸出的最大能量為10 kJ，標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)不超過10個(gè)，無線充電的半徑設(shè)為5 m。定義ψ為高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)與節(jié)點(diǎn)總數(shù)之比。

圖2展示了當(dāng)ψ分別為0.2和0.5時(shí)有差別射頻充電技術(shù)、節(jié)點(diǎn)接收的能量，以及SWRSNs節(jié)點(diǎn)接收的能量隨節(jié)點(diǎn)數(shù)變化而變化的情況?？梢钥闯?2個(gè)ψ值下的DRRSNs每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的能量均比SWRSNs每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的能量多，平均高出約105 %。

圖2 SWRSNs和DRRSNs(ψ=0.2和ψ=0.5)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的能量

圖3展示了ψ從0.2變化到0.5時(shí)不同節(jié)點(diǎn)能量接收效率的變化。從圖中可以看出:對(duì)于所有的ψ值，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)接收的能量要比低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)接收的能量都要多，平均高出約43 %，所以,有差別射頻充電技術(shù)可以使每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)所充的能量不同。

圖4展示了當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化時(shí)，DRRSNs和SWRSNs的移動(dòng)充電機(jī)器人的路徑訪問效率的變化情況。路徑訪問效率定義為移動(dòng)充電機(jī)器人僅訪問標(biāo)志性節(jié)點(diǎn)時(shí)所通過的路徑長度與移動(dòng)充電機(jī)器人訪問所有的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)所通過的路徑長度之比。通過圖4可以看出:SWRSNs比DRRSNs移動(dòng)充電機(jī)器人所通過的路徑更短，DRRSNs的路徑訪問效率約降低14 %，因此,DRRSNs的高能量接收效率是以降低路徑訪問效率為代價(jià)的。

圖3 不同ψ值下的能量接收效率

圖4 SWRSNs和DRRSNs下的路徑訪問效率

5 結(jié) 論

無線射頻充電技術(shù)為WSNs中的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量提供了一種新思路，該方法能根本解決傳感器節(jié)點(diǎn)壽命短的問題。根據(jù)電網(wǎng)中的各種設(shè)備重要程度的不同，增設(shè)了監(jiān)控各設(shè)備傳感器節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，建立基于DRRSNs模型，用CPLEX軟件求解該整數(shù)線性規(guī)劃模型，把求解的結(jié)果用圖像展示出來，結(jié)果表明:DRRSNs中節(jié)點(diǎn)比SWRSNs中的節(jié)點(diǎn)能夠平均多接收105 %能量，并且高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)比低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)平均多接收43 %的能量，有效地提高了充電效率，提高了WSNs的可靠性，但是DRRSNs節(jié)點(diǎn)的路徑訪問效率平均要降低14 %。

參考文獻(xiàn):

[1] 王陽光,尹項(xiàng)根,游大海.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能電網(wǎng)的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2010,34(5):7-11.

[2] Sujesha S,Purushottam K.Energy harvesting sensor nodes:Survey and implications[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2011,13(3):443-461.

[3] Melike E K,Hussein T M.Suresense: Sustainable wireless rechargeable sensor networks for the smart grid[J].IEEE Wireless Communications,2012,1(3):30-36.

[4] He Shibo,Chen Jiming,Jiang Fachang,et al.Energy provisioning in wireless rechargeable sensor networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,12(10):1931-1942.

[5] Shi Yi,Xie Liuguang,Hou Y T,et al.On renewable sensor networks with wireless energy transfer[C]∥Proc of IEEE INFOCOM,Shanghai,China,2011:1350-1358.