基于能量采集無線傳感器網絡的能量管理方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于能量采集無線傳感器網絡的能量管理方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，簡稱WSN)是一種新興的信息獲取平 臺，由部署在監測區域內的大量微型傳感器節點組成，這些傳感器節點通過無線通信的方 式形成多跳自組織網絡系統，能夠相互協調地進行實時監測以及采集各種所監控環境或對 象的感興趣信息，其信息通過嵌入式系統進行一定處理后，通過自組織的無線通信網絡將 信息以多跳中繼方式發送到基站，以供用戶終端使用，從而使目標檢測與跟蹤功能得以在 復雜的指定范圍內實現。無線傳感器網絡具有低成本、低功耗、快速展開、抗毀性強、有自組 織能力、分布式協助工作、不需要有線網絡支持等特點，可被廣泛應用于環境監測、醫療健 康、現代化工農業、軍事與安全救援、智能交通、智能家居等多個領域，是當前國內外備受關 注的新興研究熱點領域，是信息感知和采集領域的一場重大變革，并于2003年被美國《商 業周刊》列為未來四大新技術之一，無線傳感器網絡將會極大地影響人類未來的生活和生 產。
[0003] 然而，傳統的傳感器節點一般采用鋰電池供電，其生命周期主要決定于電池電能 容量，同時，受無線傳感器網絡工作環境的限制，若要為網絡中的傳感器節點更換電池需要 花費大量的人力物力，這顯然是不可能而且是得不償失的。因此傳統的無線傳感器網絡研 究的主要問題就是通過各種節能手段來延長整個網絡的生命周期，WSN的其他性能指標通 常都需要以節能和能量高效利用作為基礎來考慮。為了達到延長WSN生命周期的目的，網 絡中的傳感器節點采取低占空比的周期性工作模式（工作/休眠）。占空比越低，節能效果 越明顯，但是這樣的節能工作模式就會與WSN的必要性能產生尖銳的矛盾，例如傳感器節 點不能及時地采集和發送數據，這與無線傳感器網絡作為一個信息采集網絡的要求是明顯 不相符的。
[0004] 無線傳感器網絡的相關性能隨著微電子和微機技術的發展而得到提高，但是僅僅 依靠傳感器節點固定的電池電能容量來維持WSN的能量損耗是遠遠不夠的，這些能量問題 極大地制約了無線傳感器網絡的性能以及限制了其發展和應用范圍。
[0005] 隨著目前環境能量采集技術的迅速發展，越來越多的研究人員開始專注研究無線 傳感器網絡中的環境能量采集技術，如果無線傳感器網絡能在工作環境中為自身補給能 量，就可以緩解WSN在節能和保證性能之間的尖銳矛盾，更有利于滿足WSN的應用需求。因 此，傳感器節點通過自主采集環境能量實現自身的能量補給成為了延長WSN的生命周期和 提高WSN的性能的一個有效方法。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于提供一種基于能量采集無線傳感器網絡的能量管理方法，包括 傳感器節點的剩余能量和環境能量采集情況的實時感知，在不違背無線傳感器網絡低功耗 特性的前提下，結合網絡流優化的相關知識和原則，充分有效利用了傳感器節點在工作環 境中采集的能量，一方面保證了 WSN的壽命要求，另一方面可大限度改善WSN的性能。
[0007] 為實現上述目的，本發明可以通過以下技術方案予以實現：
[0008] -種基于能量采集無線傳感器網絡的能量管理方法：
[0009] 結合容差修正網絡最大流FF算法，對數據傳輸量進行網絡流鏈路增廣，同時簇首 的選舉機制引入容差因素，保證增廣鏈路有足夠的容量即保證信道帶寬可供數據流傳輸。 [0010] 可選的，根據無線傳感器網絡所工作于三個不同時期的傳感器節點能量特點，綜 合考慮傳感器節點的剩余能量、能量采集速率、能耗速率以及路由信息，節能模式引入傳感 器節點的剩余能量作為簇首選舉的主要因素，在能量充裕期工作時，多余的能量會被用于 進行增廣網絡的數據流，并根據信道帶寬計算最佳數據流量，增加無線傳感器網絡的能耗， 使能耗速率與能量采集速率保持相對穩定，充分利用環境補給的能量，提高網絡性能。
[0011] 可選的，把無線傳感器網絡看作是一個有向容量網絡，把無線傳感器網絡的數據 傳輸量問題轉化為網絡流優化問題，在分簇的無線傳感器網絡中，簇成員作為源點，簇首作 為中間頂點，基站作為匯點，應用容差修正網絡最大流FF算法進行網絡流優化，選取中間 頂點容差大的鏈路進行增廣，選擇容差大的節點作為簇首，保證數據流增廣后鏈路有足夠 的帶寬來進行數據傳輸。
[0012] 可選的，在耗能期和儲能期，無線傳感器網絡工作于節能模式，簇首選擇機制引入 傳感器節點的能量信息來作為主要考慮因素，同一個簇的傳感器節點以均勻概率在簇內循 環輪流擔任簇首，節點剩余能量和能量采集值較大的節點擔任簇首的概率比較大，并且設 定剩余能量低于閾值的節點不能擔任簇首。
[0013] 可選的，在能量充裕期，無線傳感器網絡進行網絡流優化階段，需要對數據流進行 增廣，引用容差修正網絡最大流FF算法，選擇容差較大的傳感器節點作為簇首。
[0014] 可選的，分簇階段，若基站發布按網絡流優化分簇命令，傳感器節點計算自己的容 差并在簇內廣播自己的容差信息，簇內的所有傳感器節點都知道鄰節點的容差信息并各自 建立成表，在此表中容差最大的節點自動擔任本輪的簇首，并按基站提供的最優數據流量 信息制定本簇的TDM調度表。
[0015] 可選的，基于能量采集無線傳感器網絡的能量管理方法，包括以下步驟：
[0016] ⑴每輪開始，基站根據上一輪WSN傳感器節點的能量信息計算網絡的平均剩余 能量值U、平均能耗值U、平均能量采集值·
[0017] (2)基站判斷WSN處于耗能期、儲能期還是能量充裕期并廣播信息，
[0018] 3',
，則WSN進入網絡流優化階段，轉⑷；
[0019] 否則，WSN進入網絡能耗均衡優化階段，轉（3);
[0020] (3)節點接收基站網絡能耗均衡優化分簇命令，計算閾值T(i)，產生0~1的隨機 數α，若a < T(i)，則擔任簇首；否則，則為簇成員；
[0021] (4)節點接收基站網絡流優化分簇命令和基站計算的最優數據流量Itest，節點在 簇內廣播自己的能量信息并根據鄰節點的能量信息計算容量和容差，廣播各自容差信息并 建立成表，選舉容差最大節點擔任簇首，其余成為簇成員；
[0022] (5)簇首建立TDM調度表并在簇內廣播，簇成員按TDM調度表安排時隙進行工 作；
[0023] (6)開始數據傳輸階段。節點采集環境信息數據，并將數據發送到簇首，數據包內 容包含節點ID、剩余能量E rast、能耗值E_、能量采集值Eup、環境信息數據；
[0024] (7)簇首進行數據融合并采用簇首間多跳的方式轉發給基站，第η層簇首i將數據 包轉發給第（n-1)層簇首」，按<
中的簇首j作 為下一跳節點；
[0025] (8)基站接收全網數據，本輪循環結束，并準備下一輪循環。
[0026] 無線傳感器網絡的主要能耗在于網絡通信和拓撲結構控制方面，其能量管理的核 心技術之一就是"路由算法"，因此本發明提供的基于能量采集無線傳感器網絡的能量管理 方法的創新點在于結合了網絡流優化的相關理論知識和原則，根據所設定的具體太陽能采 集模型，設計傳感器節點相應的工作模式，在整個無線傳感器網絡能量充裕時期在數據流 方面對網絡性能進行優化。本發明可兼顧維持網絡能耗均衡，保證網絡的生命周期，同時可 以尚效地利用環境能量，提尚網絡性能。
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發明實施例無線傳感器網絡的網絡模型示意圖；
[0028] 圖2是本發明實施例容量網絡G模型示意圖；
[0029] 圖3是本發明實施例流程不意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面將結合附圖以及【具體實施方式】對本發明作進一步的說明：
[0031] 網絡模型
[0032] 由于可供研究的資源受限，為了本發明所提出的網絡流優化分簇路由協議在 Matlab仿真中較容易實現，本發明假設無線傳感器網絡的工作區域是一個邊長為a的正方 形區域，在此區域內隨機散布N個傳感器節點，每個簇的工作區域是一個邊長為b的正方