基于移動執(zhí)行器的無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)充電方法

蘇州博睿測控設(shè)備有限公司 韓會榮

本文設(shè)計了一種無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的移動充電方法，根據(jù)節(jié)點的能量情況和當(dāng)前位置正確選擇下一個充電候選節(jié)點。本文算法在保證執(zhí)行器節(jié)點不發(fā)生故障的前提下，盡量減少故障傳感器節(jié)點的數(shù)量。仿真實驗證明了本文算法的優(yōu)勢，有效降低了傳感器節(jié)點的故障率，并實現(xiàn)延遲充電與成本的平衡。

1 介紹

無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(WSANs)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的衍生產(chǎn)品。除了傳感器外，還有一些具有計算和通信能力的執(zhí)行器節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中。執(zhí)行器節(jié)點被組織成一個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行器可以相互合作和通信。此外，每個執(zhí)行器覆蓋一個特定的區(qū)域，負(fù)責(zé)該區(qū)域的事件。通常，傳感器節(jié)點將事件傳送到最近的執(zhí)行器節(jié)點，執(zhí)行器節(jié)點對事件進行初步處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給基站（BS）。傳感器節(jié)點一般是不動的，但執(zhí)行器可以隨機移動。執(zhí)行器節(jié)點的電池容量比傳感器節(jié)點大得多，故執(zhí)行器節(jié)點需要更多的充電時間才能變成滿能量。

在WSANs中，執(zhí)行器節(jié)點與傳感器節(jié)點都有能量約束。雖然WSNs的能量補充已有深入研究，但WSNs的充電方法不能很好地應(yīng)用于WSANs。其主要原因是：第一，執(zhí)行器節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用。一旦執(zhí)行器節(jié)點死亡，整個網(wǎng)絡(luò)的性能將受到很大影響。第二，與傳感器相比，執(zhí)行器完全充電的時間要長得多，在這種情況下，我們要保證執(zhí)行器節(jié)點不死，并保證沒有及時充電而死亡的傳感器節(jié)點數(shù)量降到最低。第三，執(zhí)行器節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中是可移動的。因此，應(yīng)該考慮執(zhí)行器的精確跟蹤問題從而有效的對其進行充電。

圖1 WSANs網(wǎng)絡(luò)模型

2 基于能耗估計的網(wǎng)絡(luò)模型

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)由一個BS、一個MV、一組傳感器節(jié)點和若干執(zhí)行器節(jié)點組成。集合S={s1，s2，s3，...，sn}表示傳感器節(jié)點集，集合A={a1，a2，a3，...，am}中的節(jié)點為執(zhí)行器節(jié)點，其中m遠(yuǎn)小于n。整個網(wǎng)絡(luò)被劃分為若干個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)中部署一個執(zhí)行器節(jié)點，每個執(zhí)行器節(jié)點根據(jù)隨機航點移動模型在自己的區(qū)域內(nèi)移動。傳感器節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中隨機分布，不可移動。BS位于網(wǎng)絡(luò)中心，其具有足夠的能量和較強的通信能力，可以直接與MV通信。MV是一種強大的充電設(shè)備，它以恒定的速度V在網(wǎng)絡(luò)中移動以便及時為每個節(jié)點充電。在這里，我們假設(shè)MV的能量足以為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點充電。

在這個網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都持續(xù)監(jiān)測自己的能量情況。一旦它檢測到能量小于閾值，它就會將充電信息及時發(fā)送給BS，BS及時轉(zhuǎn)發(fā)給MV，MV負(fù)責(zé)選擇下一個充電節(jié)點。

每個節(jié)點的能耗率和同一節(jié)點在不同時間的能耗是不同的。為了避免節(jié)點死亡，及時掌握能耗尤為重要。為了讓BS掌握每個節(jié)點的當(dāng)前能源狀況，每個節(jié)點定期向BS傳遞包含消息。例如，來自節(jié)點i的消息格式可以表示為＜IDi,REin,tin,task>，其中IDi代表節(jié)點i，REin代表其第n條記錄的當(dāng)前能量值，tin代表該消息的時間標(biāo)記，task是要執(zhí)行的任務(wù)信息。對于節(jié)點i，讓Rin代表其當(dāng)前能耗率的估計值，當(dāng)n=1時：

代入根據(jù)指數(shù)加權(quán)平均法，得：

3 充電算法設(shè)計

3.1 算法流程

第一步：計算每個請求節(jié)點等待的最小值。當(dāng)一個節(jié)點(如節(jié)點j)被收取為候選節(jié)點時，MV將計算其他剩余請求節(jié)點的最短等待時間。如果j是一個傳感器節(jié)點，則節(jié)點i的最小等待時間命名為W(j,i)，如式(3)：

當(dāng)j是一個執(zhí)行器節(jié)點時，為了減少該執(zhí)行器充電過程中的死節(jié)點數(shù)量，有w(j,i)：

其中t(M V,j)和t(j,i)分別代表M V從M V當(dāng)前位置到節(jié)點j的行駛時間和M V從節(jié)點j到節(jié)點i的行駛時間。、分別表示MV對傳感器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點的充電時間，E和E'代表傳感器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點的電池容量。α為0～1之間的參數(shù)，aE'代表執(zhí)行器的充電上限。REj(t)表示節(jié)點i的最新剩余能量值，Rj為其能量消耗率，tj為節(jié)點j發(fā)送最后一次充電請求的時間，μ為MV的充電速率。

第二步：統(tǒng)計死節(jié)點數(shù)。當(dāng)節(jié)點j作為候選節(jié)點時，在當(dāng)前時間t內(nèi)，確保節(jié)點i不死，要求，即當(dāng)節(jié)點j即將被充電時，節(jié)點i不會死亡。當(dāng)j要充電時，死掉的節(jié)點總數(shù)被命名為Nnum,i。

第三步：計算一個節(jié)點到另一個節(jié)點路程。由于傳感器節(jié)點是靜止的，因此可以很容易地計算出任意兩個傳感器之間的距離。但是對于執(zhí)行器節(jié)點而言，為了計算傳感器與執(zhí)行器之間的路程，首先必須確定執(zhí)行器的當(dāng)前位置坐標(biāo)。讓(xg,yg)、(xp,yp)分別代表執(zhí)行器節(jié)點的起始位置G和下一個目標(biāo)位置P的坐標(biāo)。C為執(zhí)行器節(jié)點在時間t的當(dāng)前位置，有：

其中，yc可以類比得出。tg代表執(zhí)行器節(jié)點離開G的時間，之后可以計算出任意兩個節(jié)點之間的距離。

第四步：計算充電度量值?，F(xiàn)在我們計算每個節(jié)點的充電度量值，用于下一步充電節(jié)點的選擇。對于節(jié)點i，度量值為的倒數(shù)。

其中distance(MV,i)表示MV與節(jié)點i之間的距離，β為權(quán)重系數(shù)。MV根據(jù)這個充電指標(biāo)值選擇下一個節(jié)點。通常情況下，選擇度量值最大的節(jié)點作為候選節(jié)點。因為度量值越大，Nnum,i和distance(MV,i)的值越小。也就是說，造成死節(jié)點較少，且距離MV較近的節(jié)點更有可能首先被充電。

第五步：考慮應(yīng)急執(zhí)行器。在我們的算法中，為了保證應(yīng)急執(zhí)行器節(jié)點及時充電，每個執(zhí)行器節(jié)點都不斷更新自己的能量數(shù)值。一旦它檢測到自己的剩余能量低于臨界閾值δ，它就會及時發(fā)送緊急信息給BS，BS立即將緊急信息傳送給MV，然后MV選擇這個執(zhí)行器作為下一個充電節(jié)點。如果有一個以上的執(zhí)行器節(jié)點在緊急情況下，MV優(yōu)先考慮最先發(fā)出緊急信息的執(zhí)行機構(gòu)。

圖2 算法的表現(xiàn)評價對比

3.2 執(zhí)行器節(jié)點跟蹤策略

由于執(zhí)行器節(jié)點始終處于移動狀態(tài)，因此需要預(yù)測執(zhí)行器的充電位置，然后實行充電。假設(shè)選擇執(zhí)行器i作為下一個充電節(jié)點，MV首先會檢查distance(MV,i)是否小于V與Ti,s的乘積。其中，Ti,s為執(zhí)行器在源點S的停留時間，如果滿足該公式，則說明MV到達(dá)S點時，執(zhí)行器i暫時沒有離開這里，所以MV選擇對S點的執(zhí)行器節(jié)點進行充電；如果不為真，則MV應(yīng)直接移動到執(zhí)行器i的下一個目的地點D前，當(dāng)執(zhí)行器i到達(dá)那里時，對其進行充電。一旦執(zhí)行器i移動到遠(yuǎn)離MV的充電范圍，要繼續(xù)進行充電，MV要檢查distance(MV,i)小于V與Ti,s的乘積是否成立。

式(6)中v'為執(zhí)行機構(gòu)的移動速度，Ti,D為在D點的停留時間，如果式(6)為真，MV應(yīng)移動到D點，繼續(xù)給執(zhí)行機構(gòu)i充電；如果不移動，MV必須停留在S點，因為當(dāng)MV到達(dá)D點時，執(zhí)行機構(gòu)i不在那里。只有當(dāng)MV獲得下一個目的地的地理信息時，它將移動到那里來充電。當(dāng)執(zhí)行器i離開時，MV會繼續(xù)尋找下一個執(zhí)行器。根據(jù)公式(6)，在充電位置對執(zhí)行器i進行充電，直到其剩余的電量達(dá)到一定程度，能量達(dá)到上限。

4 仿真實驗

以Java作為EMC功能測試的對象，與FCFS、NJNP和FEMER相比，從傳感器故障率（%）、平均充電延遲（單位s）兩個方面通過對比來對EMC的性能實行評定。在仿真中，我們將執(zhí)行器節(jié)點的數(shù)量從一增加到十個。如圖2所示，四種算法的傳感器故障率隨著執(zhí)行器節(jié)點數(shù)量的增長而增長。EMC的表現(xiàn)優(yōu)于FCFS、NJNP和FEMER策略，首先，這是因為我們設(shè)置了執(zhí)行器的充電上限閾值，可以有效降低執(zhí)行器充電時間過長而導(dǎo)致的傳感器節(jié)點故障。其次，這是因為我們可以對能量貯存的情況進行估計，根據(jù)預(yù)測值合理選擇下一個充電節(jié)點。四種方案的平均充電延時如圖2。除了FCFS的充電延遲先增加后減少外，其他方案的充電延遲隨充電節(jié)點數(shù)量的增加而增加。在EMC中，由于執(zhí)行器節(jié)點有充電上限，可避免傳感器死亡，所以它在四種算法中具有明顯的優(yōu)勢。

結(jié)論：本文描述了一種新型的移動能量補充方法，根據(jù)預(yù)測各節(jié)點當(dāng)前的能量狀況及其與MV的距離進行充電節(jié)點選擇。EMC有效減少了平均充電延遲，降低了傳感器的故障率。