移動式無線充電的無線傳感器網絡的數據收集分析

馬朋飛 史樹斌 張小領

1.中國船舶工業系統工程研究院；2.中船電子科技(三亞)有限公司

采用無線充電的方式可以保證無線傳感器網絡在網絡正常工作的同時進行數據收集和能量補充，然而無線充電和數據收集需要相互協同。本文分析了無線傳感器網絡無線充電以及數據收集問題，考慮了無線傳感器網絡無線充電的影響因素，將無線充電和數據收集同時進行，結合移動裝置移動速度控制，在數據收集的同時較好地對節點進行無線充電。

無線傳感器網絡中的節點往往采用干電池供電，在一些大規模的無線傳感器網絡應用中，有些地方不易到達，有些地方存在危險，不容易更換電池。當電池能量耗盡的時候，網絡會從連通變成非連通，特別是在傳感器分布不均勻或傳感器部署密度較小的情況。

近年來關于無線充電的研究和應用，有的是將移動Sink數據收集和無線充電相結合。在應用移動Sink的無線傳感器網絡中節點通過一跳或多跳的方式將數據傳送到移動Sink。此外，移動Sink的關鍵問題之一是停留位置的優化選擇，這與無線充電和數據收集密切相關。在不影響網絡工作的情況下完成充電需要采用無線充電的方式。無線傳感器網絡將可移動的數據收集裝置和無線充電裝置集中于一體，需要同時便于數據收集也便于充電，這種裝置稱為SenCar。由于傳感器能量有限，需要最小化能耗，通過無線充電的方式保證網絡中沒有傳感器能量耗盡而失效。無線充電是一種靈活的充電方式，比如可在一個房間內實現對手機的無線充電，手機可在房間內的任意位置而且不影響使用。高效的無線充電方式可以使盡可能多的能量被接收到。難度較大的是充電與被充電雙方都在移動中，這種情況需要設計出SenCar合理的停留位置，從而更好地優化能量接收和數據傳輸。通過裝備有傳感器的小型車輛SenCar速度控制補充節點能量，減小節點能耗，并快速完成數據收集。

本文分析通過控制移動裝置的移動速度，即在移動的過程中同時完成無線充電和數據收集，減少傳感器的能耗并且確保沒有傳感器耗盡能量，建立高效的可實現無線充電的無線傳感器網絡數據收集方法，從而增大網絡生存時間。該問題中移動軌跡的選擇至關重要，合理的移動軌跡可以使靜態節點能耗小，便于高效進行無線充電，數據收集的移動軌跡與無線充電路徑高度匹配，并且移動軌跡長度較小。

1 影響因素

在一個區域中隨機部署節點，采用移動的方式進行數據收集和節點的能量補充?？偟臅r間消耗包含SenCar移動時間、數據收集時間以及無線充電時間。SenCar移動的目的是數據收集或者對節點進行無線充電，或者兩者兼有。

無線傳感器網絡需要避免和減少網絡中節點能量耗盡。SenCar的移動減少了網絡平均跳數，因而減少了節點的能量消耗。移動軌跡的長度等于對節點進行無線充電的移動和進行數據收集的移動。要減少靜態節點的能耗會增大SenCar移動的軌跡長度?？s短SenCar移動的軌跡長度和靜態節點的能耗之間存在一種平衡，即因為數據收集的移動以及因為對節點進行無線充電的移動和靜態節點的能耗之間存在一種平衡。

無線可充電無線傳感器網絡目前的研究要達到的目標主要有兩個，包括減少靜態節點能耗和減少時延。減小時延需要減小數據收集和無線充電時間，減小SenCar移動距離。本文研究最小化靜態節點能耗的同時，對節點進行無線充電，前提條件是沒有節點能量耗盡，從無線傳感器網絡的分簇方式和SenCar移動路徑規劃對數據收集和無線充電問題進行分析。

1.1 能量制約

傳感器包括感知模塊、通信模塊、存儲模塊、電源模塊以及計算模塊等。傳感器的感知模塊功能強大，可實現對于多種事物和量的感知和辨別，例如溫度、濕度、壓力、速度以及加速度等。傳感器的感知功能主要依賴敏感材料，這涉及物理學和材料科學。相對于感知模塊，其他模塊功能一般，原因是傳感器受限于成本和體積等因素。傳感器通常由電池供電，傳感器的能量消耗主要是通信和工作的時候，因此需要讓傳感器大多數時候處于空閑的狀態。電池能量有限，工作環境惡劣，一次部署難以做到終生使用，有時需要維修傳感器節點，有時需要更換電池。目前主要采用的方法是在傳感器節點表面加裝小型太陽能電池板，但該方法受傳感器節點部署環境影響較大。如何節約傳感器節點能耗和最大化無線傳感器網絡的生命周期是一個難點也是一項關鍵技術。

目前一部分傳感器節點采用兩節五號電池供電，可支持數月左右的使用時間。有一些傳感器節點為了延長工作時間，加載了太陽能電池板，但遇到惡劣環境或氣候，太陽能電池板的作用有限，難以對傳感器節點進行可靠的能量補充。因此需要盡可能減少傳感器節點的能量消耗。另外，也需要提高電池的容量，或者找到一種更好的為傳感器節點電池充電的方式。

電池在現代社會生活中的多個方面發揮著很大作用。由于便攜式電子電器類產品便于移動，受到人們的喜愛，應用極為廣泛。便攜式電子電器類產品需要電池供電，電池發揮著極為重要的作用。關于電池技術的發展，一方面是要提高電池的容量；另一方面是要縮短充電的時間。充電可分為有線和無線兩種方式，無線充電由于充電方式靈活，近年來獲得了快速發展。無線充電的效率與充電距離密切相關，提高無線充電的效率目前仍然是一個難點。

1.2 路徑規劃

路徑規劃是一項組合優化技術，需要從多段路徑組合中尋找一條最優路徑，而最優路徑需要結合不同的應用場景和需求。對于移動式無線充電的無線傳感器網絡的數據收集，合理的路徑規劃可以減少數據收集和無線充電時間。

路徑規劃在很多領域都具有廣泛的應用。在日常生活領域的應用有路線導航、道路規劃、城市道路網設計等。在高新科技領域的應用有無人機的避障突防飛行、機器人的自主無碰行動、掃地機器人的清掃移動路線等。通信技術領域的路由問題、通信網架設等。最短路徑有的涉及到成本，有的涉及到時間，往往需要找到某種平衡。在不同的應用場景或應用需求中，最短路徑也是不同的。最短路徑在無線傳感器網絡中是一個動態變化的過程，這是由于無線傳感器網絡當中的節點有的會故障或能量耗盡而失效，有的能量消耗過大不能繼續承擔數據中繼轉發任務。因此需要不定期地尋找最短路徑，進行路徑優化。路徑規劃中一個常見問題是尋找遍歷所有點的最短路徑問題。移動式無線充電的無線傳感器網絡的數據收集的路徑規劃要求SenCar的移動路徑要使靜態節點能耗小，便于高效進行無線充電和數據收集，并且移動軌跡長度較小。

1.3 短距離無線通信

無線通信利用電磁波而不通過線纜進行通信。無線通信應用范圍廣，無線通信主要依賴電磁波。電磁波的傳輸速度等于光速，即每秒30萬公里。因而無線通信表現出比較低的時延，特別是5G通信，可以數秒鐘下載一部高清電影。高的通信速度和低的時間延誤對于實時控制有著重要的作用。短距離通信有多種技術，它與嵌入式設備密切結合，功耗往往比較低，可以采用電池進行供電，可攜帶便于移動。有時需要綜合使用多種短距離無線通信技術，例如藍牙技術和超寬帶技術等同時應用在一個系統中。

單個傳感器節點通信距離只有幾十米，如何在有限的通信能力條件下，完成感知數據的傳輸，通常采取多跳的方式，采取功率控制也是一種常用方法。通信設備可以用小的發射功率就能實現通信。低發射功率可以延長節點工作時間。

2 移動式無線充電和數據收集

2.1 移動式無線充電和數據收集的分簇

傳感器節點既采集感知數據，又要作為中繼轉發數據?？蔁o線充電的無線傳感器網絡需要減少靜態節點能耗。在進行新一輪數據收集前，尋找剩余能量最低的節點，預測其在不充電情況下是否能將數據全部地發送到SenCar，如果不能則尋找剩余能量次低節點。能量預測就是要防止能量耗盡了數據還沒有全部地發送到SenCar。

分簇是一種層次型結構，是無線傳感器網絡中最常采用的方式。分簇影響數據的傳輸、傳感器節點的能耗和網絡的壽命。分簇的優點是便于管理和網絡拓展。缺點是擔任簇頭的節點能量消耗過大，往往會在較短時間內消耗完能量從而導致失效。常用的一種應對方法是周期性地選擇不同的節點擔任簇頭。關于簇頭選擇有兩種情況：（1）是剩余能量最低節點擔任簇頭，有利的是進行數據收集的同時對該節點進行無線充電，不利的是有可能突然沒電；（2）是剩余能量的節點不擔任簇頭，有利的是不會突然沒電，不利的是不能在進行數據收集的同時對該節點進行無線充電。

節點密度大時，網絡平均度會大，從而可以同時對最小剩余能量的節點無線充電；節點密度小時，網絡平均度會小，從而可能無法同時對最小剩余能量的節點無線充電。簇的規模小有利于數據收集的同時對該節點進行無線充電，但可能會增多簇頭個數，從而增大SenCar移動距離。傳感器節點通信半徑一般遠大于無線充電距離。一個具有良好中心化分布的簇在二維平面上是以簇頭為圓心的簇。簇頭是動態變化的，不同的周期或輪數選舉不同的簇頭，這造成SenCar移動軌跡也是動態變化的。

2.2 SenCar移動的路徑規劃和速度控制

SenCar移動軌跡的優化要能夠使網絡平均跳數減少的同時縮短SenCar移動距離。SenCar移動路徑的規劃是一個動態規劃問題。由于無線充電距離遠小于傳感器節點通信半徑，所以如果需要進行無線充電的節點和簇頭是同一個節點，只需考慮無線充電距離。如果需要進行無線充電的節點和簇頭不是同一個節點，需要綜合考慮無線充電距離和傳感器節點通信半徑。

要能夠較好完成數據收集和無線充電，主要有兩點：（1）可以較好地完成對數據的收集；（2）進一步降低了能耗以及縮短了SenCar移動軌跡。在整個區域中添加若干個虛擬點，虛擬點和傳感器節點共同組成一個連通圖。從連通圖的角度進行分析，得出數據收集以及無線充電的一系列合理的點的位置，將這些點連接起來形成SenCar移動軌跡。此外，還需要對SenCar移動進行嚴格的速度控制，以確保數據收集和無線充電的完成。

假設收集相同的數據，節約能耗的同時減小了時延。因為從圖論的角度進行分析得出優化的SenCar移動路徑，最大限度地減小了網絡的平均跳數以及SenCar移動軌跡長度，所以較好地減小了網絡的能耗和時延。

3 結語

無線充電是目前的研究熱點之一，一方面是要拓展無線充電的距離；另一方面是要縮短無線充電的時間。目前需要用到電池的設備越來越多，傳感器的使用也越來越多，這就凸顯了充電技術的重要性?？梢苿釉O備特別是無人機投入到無線傳感器網絡當中可以很好地同時實現無線充電和數據收集。本文分析四個方面，即縮短路徑、減少靜態節點能耗、無線充電和數據收集。合理的分簇方式和優化移動裝置的軌跡可較好解決無線充電無線傳感器網絡數據收集問題。