移动式无线充电的无线传感器网络的数据收集分析

马朋飞 史树斌 张小领

1.中国船舶工业系统工程研究院；2.中船电子科技(三亚)有限公司

采用无线充电的方式可以保证无线传感器网络在网络正常工作的同时进行数据收集和能量补充，然而无线充电和数据收集需要相互协同。本文分析了无线传感器网络无线充电以及数据收集问题，考虑了无线传感器网络无线充电的影响因素，将无线充电和数据收集同时进行，结合移动装置移动速度控制，在数据收集的同时较好地对节点进行无线充电。

无线传感器网络中的节点往往采用干电池供电，在一些大规模的无线传感器网络应用中，有些地方不易到达，有些地方存在危险，不容易更换电池。当电池能量耗尽的时候，网络会从连通变成非连通，特别是在传感器分布不均匀或传感器部署密度较小的情况。

近年来关于无线充电的研究和应用，有的是将移动Sink数据收集和无线充电相结合。在应用移动Sink的无线传感器网络中节点通过一跳或多跳的方式将数据传送到移动Sink。此外，移动Sink的关键问题之一是停留位置的优化选择，这与无线充电和数据收集密切相关。在不影响网络工作的情况下完成充电需要采用无线充电的方式。无线传感器网络将可移动的数据收集装置和无线充电装置集中于一体，需要同时便于数据收集也便于充电，这种装置称为SenCar。由于传感器能量有限，需要最小化能耗，通过无线充电的方式保证网络中没有传感器能量耗尽而失效。无线充电是一种灵活的充电方式，比如可在一个房间内实现对手机的无线充电，手机可在房间内的任意位置而且不影响使用。高效的无线充电方式可以使尽可能多的能量被接收到。难度较大的是充电与被充电双方都在移动中，这种情况需要设计出SenCar合理的停留位置，从而更好地优化能量接收和数据传输。通过装备有传感器的小型车辆SenCar速度控制补充节点能量，减小节点能耗，并快速完成数据收集。

本文分析通过控制移动装置的移动速度，即在移动的过程中同时完成无线充电和数据收集，减少传感器的能耗并且确保没有传感器耗尽能量，建立高效的可实现无线充电的无线传感器网络数据收集方法，从而增大网络生存时间。该问题中移动轨迹的选择至关重要，合理的移动轨迹可以使静态节点能耗小，便于高效进行无线充电，数据收集的移动轨迹与无线充电路径高度匹配，并且移动轨迹长度较小。

1 影响因素

在一个区域中随机部署节点，采用移动的方式进行数据收集和节点的能量补充。总的时间消耗包含SenCar移动时间、数据收集时间以及无线充电时间。SenCar移动的目的是数据收集或者对节点进行无线充电，或者两者兼有。

无线传感器网络需要避免和减少网络中节点能量耗尽。SenCar的移动减少了网络平均跳数，因而减少了节点的能量消耗。移动轨迹的长度等于对节点进行无线充电的移动和进行数据收集的移动。要减少静态节点的能耗会增大SenCar移动的轨迹长度。缩短SenCar移动的轨迹长度和静态节点的能耗之间存在一种平衡，即因为数据收集的移动以及因为对节点进行无线充电的移动和静态节点的能耗之间存在一种平衡。

无线可充电无线传感器网络目前的研究要达到的目标主要有两个，包括减少静态节点能耗和减少时延。减小时延需要减小数据收集和无线充电时间，减小SenCar移动距离。本文研究最小化静态节点能耗的同时，对节点进行无线充电，前提条件是没有节点能量耗尽，从无线传感器网络的分簇方式和SenCar移动路径规划对数据收集和无线充电问题进行分析。

1.1 能量制约

传感器包括感知模块、通信模块、存储模块、电源模块以及计算模块等。传感器的感知模块功能强大，可实现对于多种事物和量的感知和辨别，例如温度、湿度、压力、速度以及加速度等。传感器的感知功能主要依赖敏感材料，这涉及物理学和材料科学。相对于感知模块，其他模块功能一般，原因是传感器受限于成本和体积等因素。传感器通常由电池供电，传感器的能量消耗主要是通信和工作的时候，因此需要让传感器大多数时候处于空闲的状态。电池能量有限，工作环境恶劣，一次部署难以做到终生使用，有时需要维修传感器节点，有时需要更换电池。目前主要采用的方法是在传感器节点表面加装小型太阳能电池板，但该方法受传感器节点部署环境影响较大。如何节约传感器节点能耗和最大化无线传感器网络的生命周期是一个难点也是一项关键技术。

目前一部分传感器节点采用两节五号电池供电，可支持数月左右的使用时间。有一些传感器节点为了延长工作时间，加载了太阳能电池板，但遇到恶劣环境或气候，太阳能电池板的作用有限，难以对传感器节点进行可靠的能量补充。因此需要尽可能减少传感器节点的能量消耗。另外，也需要提高电池的容量，或者找到一种更好的为传感器节点电池充电的方式。

电池在现代社会生活中的多个方面发挥着很大作用。由于便携式电子电器类产品便于移动，受到人们的喜爱，应用极为广泛。便携式电子电器类产品需要电池供电，电池发挥着极为重要的作用。关于电池技术的发展，一方面是要提高电池的容量；另一方面是要缩短充电的时间。充电可分为有线和无线两种方式，无线充电由于充电方式灵活，近年来获得了快速发展。无线充电的效率与充电距离密切相关，提高无线充电的效率目前仍然是一个难点。

1.2 路径规划

路径规划是一项组合优化技术，需要从多段路径组合中寻找一条最优路径，而最优路径需要结合不同的应用场景和需求。对于移动式无线充电的无线传感器网络的数据收集，合理的路径规划可以减少数据收集和无线充电时间。

路径规划在很多领域都具有广泛的应用。在日常生活领域的应用有路线导航、道路规划、城市道路网设计等。在高新科技领域的应用有无人机的避障突防飞行、机器人的自主无碰行动、扫地机器人的清扫移动路线等。通信技术领域的路由问题、通信网架设等。最短路径有的涉及到成本，有的涉及到时间，往往需要找到某种平衡。在不同的应用场景或应用需求中，最短路径也是不同的。最短路径在无线传感器网络中是一个动态变化的过程，这是由于无线传感器网络当中的节点有的会故障或能量耗尽而失效，有的能量消耗过大不能继续承担数据中继转发任务。因此需要不定期地寻找最短路径，进行路径优化。路径规划中一个常见问题是寻找遍历所有点的最短路径问题。移动式无线充电的无线传感器网络的数据收集的路径规划要求SenCar的移动路径要使静态节点能耗小，便于高效进行无线充电和数据收集，并且移动轨迹长度较小。

1.3 短距离无线通信

无线通信利用电磁波而不通过线缆进行通信。无线通信应用范围广，无线通信主要依赖电磁波。电磁波的传输速度等于光速，即每秒30万公里。因而无线通信表现出比较低的时延，特别是5G通信，可以数秒钟下载一部高清电影。高的通信速度和低的时间延误对于实时控制有着重要的作用。短距离通信有多种技术，它与嵌入式设备密切结合，功耗往往比较低，可以采用电池进行供电，可携带便于移动。有时需要综合使用多种短距离无线通信技术，例如蓝牙技术和超宽带技术等同时应用在一个系统中。

单个传感器节点通信距离只有几十米，如何在有限的通信能力条件下，完成感知数据的传输，通常采取多跳的方式，采取功率控制也是一种常用方法。通信设备可以用小的发射功率就能实现通信。低发射功率可以延长节点工作时间。

2 移动式无线充电和数据收集

2.1 移动式无线充电和数据收集的分簇

传感器节点既采集感知数据，又要作为中继转发数据。可无线充电的无线传感器网络需要减少静态节点能耗。在进行新一轮数据收集前，寻找剩余能量最低的节点，预测其在不充电情况下是否能将数据全部地发送到SenCar，如果不能则寻找剩余能量次低节点。能量预测就是要防止能量耗尽了数据还没有全部地发送到SenCar。

分簇是一种层次型结构，是无线传感器网络中最常采用的方式。分簇影响数据的传输、传感器节点的能耗和网络的寿命。分簇的优点是便于管理和网络拓展。缺点是担任簇头的节点能量消耗过大，往往会在较短时间内消耗完能量从而导致失效。常用的一种应对方法是周期性地选择不同的节点担任簇头。关于簇头选择有两种情况：（1）是剩余能量最低节点担任簇头，有利的是进行数据收集的同时对该节点进行无线充电，不利的是有可能突然没电；（2）是剩余能量的节点不担任簇头，有利的是不会突然没电，不利的是不能在进行数据收集的同时对该节点进行无线充电。

节点密度大时，网络平均度会大，从而可以同时对最小剩余能量的节点无线充电；节点密度小时，网络平均度会小，从而可能无法同时对最小剩余能量的节点无线充电。簇的规模小有利于数据收集的同时对该节点进行无线充电，但可能会增多簇头个数，从而增大SenCar移动距离。传感器节点通信半径一般远大于无线充电距离。一个具有良好中心化分布的簇在二维平面上是以簇头为圆心的簇。簇头是动态变化的，不同的周期或轮数选举不同的簇头，这造成SenCar移动轨迹也是动态变化的。

2.2 SenCar移动的路径规划和速度控制

SenCar移动轨迹的优化要能够使网络平均跳数减少的同时缩短SenCar移动距离。SenCar移动路径的规划是一个动态规划问题。由于无线充电距离远小于传感器节点通信半径，所以如果需要进行无线充电的节点和簇头是同一个节点，只需考虑无线充电距离。如果需要进行无线充电的节点和簇头不是同一个节点，需要综合考虑无线充电距离和传感器节点通信半径。

要能够较好完成数据收集和无线充电，主要有两点：（1）可以较好地完成对数据的收集；（2）进一步降低了能耗以及缩短了SenCar移动轨迹。在整个区域中添加若干个虚拟点，虚拟点和传感器节点共同组成一个连通图。从连通图的角度进行分析，得出数据收集以及无线充电的一系列合理的点的位置，将这些点连接起来形成SenCar移动轨迹。此外，还需要对SenCar移动进行严格的速度控制，以确保数据收集和无线充电的完成。

假设收集相同的数据，节约能耗的同时减小了时延。因为从图论的角度进行分析得出优化的SenCar移动路径，最大限度地减小了网络的平均跳数以及SenCar移动轨迹长度，所以较好地减小了网络的能耗和时延。

3 结语

无线充电是目前的研究热点之一，一方面是要拓展无线充电的距离；另一方面是要缩短无线充电的时间。目前需要用到电池的设备越来越多，传感器的使用也越来越多，这就凸显了充电技术的重要性。可移动设备特别是无人机投入到无线传感器网络当中可以很好地同时实现无线充电和数据收集。本文分析四个方面，即缩短路径、减少静态节点能耗、无线充电和数据收集。合理的分簇方式和优化移动装置的轨迹可较好解决无线充电无线传感器网络数据收集问题。