本發(fā)明屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于傳感節(jié)點(diǎn)能量獲取的電力物聯(lián)網(wǎng)路由方法。

背景技術(shù)：

電力物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)一樣，在應(yīng)用過程中，能源需求受到嚴(yán)格限制。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能源供給將決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。傳統(tǒng)的電力物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用電池供電,但是更換電池因受成本或工作環(huán)境限制而不可能或得不償失。若節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)補(bǔ)給能量,則可緩解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)節(jié)能與性能之間的矛盾,有利于滿足應(yīng)用需求。因此,節(jié)點(diǎn)自主從環(huán)境采集能量實(shí)現(xiàn)電能補(bǔ)給已成為提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能、延長(zhǎng)生命周期的必要和有效途徑。在人們研究利用采能技術(shù)開發(fā)的光、熱、風(fēng)和機(jī)械運(yùn)動(dòng)等環(huán)境能源中,太陽能和機(jī)械振動(dòng)式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用環(huán)境中普遍存在的。能充分、適時(shí)地將具有環(huán)境能量采集的節(jié)點(diǎn)從環(huán)境獲得的能量在通信等耗能環(huán)節(jié)加以有效利用并轉(zhuǎn)化為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能改善,結(jié)合節(jié)點(diǎn)能量采集技術(shù)來研究有能量與采集感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由問題,將會(huì)取得更高的能效和收益。

太陽能技術(shù)目前相對(duì)成熟,但太陽能電池能否取代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的化學(xué)電池還取決于光照強(qiáng)度和采光面積。太陽能技術(shù)在具體環(huán)境中的時(shí)空局限和節(jié)點(diǎn)全天候的使用需求使太陽能只宜作為輔助能源,不可完全取代電池。太陽能的能量供給特點(diǎn)是：同一天中,夜間無太陽光照,無能量補(bǔ)給,正午左右太陽光照最強(qiáng),能量補(bǔ)給率達(dá)到最大,從日出到正午到日落,太陽能補(bǔ)給隨時(shí)間的變化為上升到達(dá)一天中最大值持續(xù)一段時(shí)間再下降；同一時(shí)間,不同位置的節(jié)點(diǎn)由于可能受到遮蔽、太陽入射角不同等外界因素影響,采光率會(huì)不同。

振動(dòng)也是環(huán)境中普遍存在的一種現(xiàn)象,它并沒有像太陽能那樣充足,且受地理位置影響隨機(jī)性大。因此路由算法的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮讓得到能量補(bǔ)給的節(jié)點(diǎn)盡可能多的充當(dāng)簇首,充分利用補(bǔ)給的能量,充分考慮太陽能和振動(dòng)能的不同特性，同時(shí)也要達(dá)到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能耗均衡且能效顯著的目的。

振動(dòng)能的能量供給特點(diǎn)是：節(jié)點(diǎn)具有環(huán)境振動(dòng)能量采集的能力后,其能量水平因補(bǔ)給而發(fā)生起伏變化,不再是單一降低,但是振動(dòng)能量補(bǔ)給并不像太陽能那樣充足并有一定規(guī)律可循,振動(dòng)采能受地理位置影響,不穩(wěn)定因素多,隨機(jī)性很大,可能有的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充了大量能量,而有的節(jié)點(diǎn)則無能量補(bǔ)給。由于振動(dòng)能量補(bǔ)給本身的隨機(jī)性,會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量分布不均衡,而且振動(dòng)能量補(bǔ)給并不像太陽能那樣充足。但是，振動(dòng)能不像太陽能那樣只有白天可以工作，只要條件許可，晚上也可以獲取能量。因此將太陽能收集與振動(dòng)能收集結(jié)合起來，將更能夠保障物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量供給。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身方面,隨著節(jié)點(diǎn)技術(shù)的研究和發(fā)展提高,傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗也進(jìn)一步降低,到現(xiàn)在為止,一些無線傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品的工作時(shí)期能耗和休眠時(shí)期能耗己經(jīng)分別降到了幾十毫瓦特和幾微瓦特的級(jí)別。這就意味著可以廣泛的在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的低功耗設(shè)備中應(yīng)用振動(dòng)機(jī)械能量的采集來滿足能源的供應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種基于傳感節(jié)點(diǎn)能量獲取的電力物聯(lián)網(wǎng)路由方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于傳感節(jié)點(diǎn)能量獲取的電力物聯(lián)網(wǎng)路由方法，包括步驟如下：

(l)每輪開始,節(jié)點(diǎn)接收基站廣播的上一輪節(jié)點(diǎn)的電池電量以及能源獲取狀態(tài)；

(2)判斷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于哪種工作狀態(tài)，如果電池電量達(dá)到最大值，且此時(shí)還有能源補(bǔ)充，則為性能優(yōu)先狀態(tài)；如果電池電量大于閾值，且此時(shí)有能源補(bǔ)充，則處于正常工作狀態(tài)；如果電池電量大于閾值，但無能源補(bǔ)充，則進(jìn)入節(jié)能優(yōu)先狀態(tài)；如果電池電量低于閾值，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入節(jié)能優(yōu)先狀態(tài)；

(3)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，確定無線傳輸半徑，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率；

(4)計(jì)算組網(wǎng)，選擇簇首閾值；確定簇首；

(5)數(shù)據(jù)傳輸開始，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)包發(fā)送到簇首,簇首節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；

(6)簇首節(jié)點(diǎn)將融合后數(shù)據(jù)傳遞到基站,數(shù)據(jù)傳輸采用簇間多跳的方式；

(7)基站接收到全網(wǎng)數(shù)據(jù),根據(jù)傳來數(shù)據(jù)包中的節(jié)點(diǎn)剩余能耗和存儲(chǔ)能量信息計(jì)算這一輪的節(jié)點(diǎn)平均能耗值和儲(chǔ)能值。

而且，所述步驟(3)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，確定無線傳輸半徑，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率，具體方法為：

①用能耗與儲(chǔ)能比控制簇?cái)?shù)目，從而控制通信距離，充分利用補(bǔ)充的能量，使能耗與儲(chǔ)能處于平衡狀態(tài)，避免了能量溢出浪費(fèi)和儲(chǔ)能設(shè)備附加損耗；

②設(shè)置能量上升閾值E，使得節(jié)點(diǎn)在耗能期進(jìn)入儲(chǔ)能期后，沒有立即擴(kuò)大通信半徑，能有時(shí)間補(bǔ)充自身能量；

③成簇時(shí)，節(jié)點(diǎn)判斷與簇首和基站的距離大小，使得一些距基站較近的節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送數(shù)據(jù)到基站而非經(jīng)過簇首，在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分機(jī)制中，設(shè)置不同通信半徑，并且外層通信半徑>中層通信半徑>里層通信半徑，以此節(jié)省的能量用于轉(zhuǎn)發(fā)大量的外層節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而平衡網(wǎng)絡(luò)能量分布；

④每十輪分簇，每輪簇內(nèi)選簇首；

⑤網(wǎng)絡(luò)從無能量補(bǔ)給到充足能量補(bǔ)給再到無能量補(bǔ)給為一個(gè)周期，在一個(gè)周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)能量變化。

而且，所述步驟(4)計(jì)算組網(wǎng)，選擇簇首閾值；確定簇首，具體方法為：

①節(jié)點(diǎn)接收基站的初始廣播數(shù)據(jù)包,根據(jù)時(shí)間差計(jì)算出所在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域；

②基站計(jì)算各區(qū)域的簇首與區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)比率p_k,并廣播到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；

③各區(qū)域節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己所在區(qū)域的p_k值,計(jì)算閾值T_k(i)，產(chǎn)生0-1之間的隨機(jī)數(shù)a，若a小于閾值T_k(i)，則i節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首，并廣播當(dāng)選信息，廣播數(shù)據(jù)包格式為：ID，距基站距離，剩余能量，存儲(chǔ)能量，所處區(qū)域及通信半徑；

其中，在節(jié)能工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的閾值為:

$T\left(i\right)=\frac{p}{1-p\·\mathrm{mod}(r,round(1/p\left)\right)}\·\frac{E{\left(i\right)}_{residual}}{E{\left(i\right)}_{direct-to-\sin k}}$

公式中，p為簇首節(jié)點(diǎn)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的百分比，r為當(dāng)前輪次,E(i)_residual為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量，E(i)_{direct-to-sink}為節(jié)點(diǎn)與基站直接通信需消耗的能量，

其中，在正常的工作狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的閾值為：

$T_w\left(i\right)=T\left(i\right)\·\left(\frac{C}{E_{up-eve}-E_{use-\min }}\right)$

其中,E_up-eve為本次分簇距上次分簇時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均儲(chǔ)能值,E_use-min為節(jié)能模式工作時(shí)節(jié)點(diǎn)平均能耗值，C取決于電池的儲(chǔ)能能力為電池最大采能值。

其中，網(wǎng)絡(luò)工作在性能優(yōu)先狀態(tài)下，某些節(jié)點(diǎn)具有持久穩(wěn)定的外界能源供給，同時(shí)電池已經(jīng)充滿電，此時(shí)此類節(jié)點(diǎn)被選為簇首的概率為1，因此設(shè)定a＝0。

④未當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)成為非簇首節(jié)點(diǎn)，等待來自簇首節(jié)點(diǎn)的廣播信息，接收到簇首節(jié)點(diǎn)廣播信息的節(jié)點(diǎn)，選擇離自己最近的節(jié)點(diǎn)作為自己的簇首節(jié)點(diǎn)，向該簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)加入信息，等待簇首的調(diào)度信息；

⑤簇首節(jié)點(diǎn)接收鄰節(jié)點(diǎn)信息，若為非簇首節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入簇信息，轉(zhuǎn)⑥步；若為鄰簇首節(jié)點(diǎn)信息，轉(zhuǎn)⑦步；

⑥將該節(jié)點(diǎn)加入簇內(nèi)成員信息表中，并發(fā)送確認(rèn)信息；所有節(jié)點(diǎn)都加入簇后，簇首節(jié)點(diǎn)建立TDMA調(diào)度表，并發(fā)送給成員節(jié)點(diǎn)；

⑦判斷是否為同一區(qū)域的鄰簇簇首節(jié)點(diǎn)信息，若為同一區(qū)域，則將該簇首節(jié)點(diǎn)加入鄰簇簇首節(jié)點(diǎn)信息表中，并向該鄰簇簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息；若為不同區(qū)域簇首信息，轉(zhuǎn)⑧；

⑧判斷區(qū)域位置，若為自己所處區(qū)域外層區(qū)域，則增大發(fā)送功率，以此外圍區(qū)域的通信半徑向該簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送成為鄰居確認(rèn)信息，并將此簇首加入鄰居簇首信息表中；若為所處區(qū)域內(nèi)層區(qū)域，則向該鄰簇簇首發(fā)送確認(rèn)信息，并將此簇首加入鄰居簇首信息表中；

⑨節(jié)點(diǎn)開始數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

本發(fā)明方法根據(jù)節(jié)點(diǎn)的能量以及能源獲取的情況，自動(dòng)判斷節(jié)點(diǎn)自身狀態(tài)，選擇不同的工作模式。這種設(shè)計(jì)能夠高效利用環(huán)境的太陽能和振動(dòng)能補(bǔ)給能量，節(jié)約能量的同時(shí)增加了網(wǎng)絡(luò)的生存能力、工作效率和魯棒性。

具體實(shí)施方式

以下對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述：需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其它實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

一種基于傳感節(jié)點(diǎn)能量獲取的電力物聯(lián)網(wǎng)路由方法，該方法包括步驟如下：

(l)每輪開始,節(jié)點(diǎn)接收基站廣播的上一輪節(jié)點(diǎn)的電池電量以及能源獲取狀態(tài)；

(2)判斷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于哪種工作狀態(tài)，如果電池電量達(dá)到最大值，且此時(shí)還有能源補(bǔ)充，則為性能優(yōu)先狀態(tài)，如果電池電量大于閾值，且此時(shí)有能源補(bǔ)充，則處于正常工作狀態(tài)，如果電池電量大于閾值，但無能源補(bǔ)充，則進(jìn)入節(jié)能優(yōu)先狀態(tài)，如果電池電量低于閾值，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入節(jié)能優(yōu)先狀態(tài)；

(3)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，確定無線傳輸半徑，調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率；具體方法為：

(4)計(jì)算組網(wǎng)，選擇簇首閾值；確定簇首，

B，其中，選擇簇首閾值；確定簇首的具體方法為：

①節(jié)點(diǎn)接收基站的初始廣播數(shù)據(jù)包,根據(jù)時(shí)間差計(jì)算出所在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域；

②基站計(jì)算各區(qū)域的簇首與區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)比率p_k,并廣播到全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；

③各區(qū)域節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己所在區(qū)域的p_k值,計(jì)算閾值T_k(i)，產(chǎn)生0-1之間的隨機(jī)數(shù)a，若a小于閾值T_k(i)，則i節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首，并廣播當(dāng)選信息，廣播數(shù)據(jù)包格式為：ID，距基站距離，剩余能量，存儲(chǔ)能量，所處區(qū)域及通信半徑；

其中，在節(jié)能工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的閾值為:

$T\left(i\right)=\frac{p}{1-p\·\mathrm{mod}(r,round(1/p\left)\right)}\·\frac{E{\left(i\right)}_{residual}}{E{\left(i\right)}_{direct-to-\sin k}}$

公式中，p為簇首節(jié)點(diǎn)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)的百分比，r為當(dāng)前輪次,E(i)_residual為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量，E(i)_{direct-to-sink}為節(jié)點(diǎn)與基站直接通信需消耗的能量，

其中，在正常的工作狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇首的閾值為：

$T_w\left(i\right)=T\left(i\right)\·\left(\frac{C}{E_{up-eve}-E_{use-\min }}\right)$

其中,E_up-eve為本次分簇距上次分簇時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均儲(chǔ)能值,E_use-min為節(jié)能模式工作時(shí)節(jié)點(diǎn)平均能耗值，C取決于電池的儲(chǔ)能能力為電池最大采能值。

其中，網(wǎng)絡(luò)工作在性能優(yōu)先狀態(tài)下，某些節(jié)點(diǎn)具有持久穩(wěn)定的外界能源供給，同時(shí)電池已經(jīng)充滿電，此時(shí)此類節(jié)點(diǎn)被選為簇首的概率為1，因此設(shè)定a＝0。

④未當(dāng)選簇首的節(jié)點(diǎn)成為非簇首節(jié)點(diǎn)，等待來自簇首節(jié)點(diǎn)的廣播信息，接收到簇首節(jié)點(diǎn)廣播信息的節(jié)點(diǎn)，選擇離自己最近的節(jié)點(diǎn)作為自己的簇首節(jié)點(diǎn)，向該簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)加入信息，等待簇首的調(diào)度信息；

⑤簇首節(jié)點(diǎn)接收鄰節(jié)點(diǎn)信息，若為非簇首節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入簇信息，轉(zhuǎn)⑥步；若為鄰簇首節(jié)點(diǎn)信息，轉(zhuǎn)⑦步；

⑥將該節(jié)點(diǎn)加入簇內(nèi)成員信息表中，并發(fā)送確認(rèn)信息；所有節(jié)點(diǎn)都加入簇后，簇首節(jié)點(diǎn)建立TDMA調(diào)度表，并發(fā)送給成員節(jié)點(diǎn)；

⑦判斷是否為同一區(qū)域的鄰簇簇首節(jié)點(diǎn)信息，若為同一區(qū)域，則將該簇首節(jié)點(diǎn)加入鄰簇簇首節(jié)點(diǎn)信息表中，并向該鄰簇簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息；若為不同區(qū)域簇首信息，轉(zhuǎn)⑧；

⑧判斷區(qū)域位置，若為自己所處區(qū)域外層區(qū)域，則增大發(fā)送功率，以此外圍區(qū)域的通信半徑向該簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送成為鄰居確認(rèn)信息，并將此簇首加入鄰居簇首信息表中；若為所處區(qū)域內(nèi)層區(qū)域，則向該鄰簇簇首發(fā)送確認(rèn)信息，并將此簇首加入鄰居簇首信息表中；

⑨節(jié)點(diǎn)開始數(shù)據(jù)傳輸。

(5)數(shù)據(jù)傳輸開始，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)包發(fā)送到簇首,簇首節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；

(6)簇首節(jié)點(diǎn)將融合后數(shù)據(jù)傳遞到基站,數(shù)據(jù)傳輸采用簇間多跳的方式；

(7)基站接收到全網(wǎng)數(shù)據(jù),根據(jù)傳來數(shù)據(jù)包中的節(jié)點(diǎn)剩余能耗和存儲(chǔ)能量信息計(jì)算這一輪的節(jié)點(diǎn)平均能耗值和儲(chǔ)能值。