用于智能电网的有差别射频充电传感器网络*

王 杰, 何怡刚

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)通常是指由一组带有嵌入式处理器、传感器和无线收发装置的节点以自组织的方式构成的无线网络，通过节点间的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息[1]。由于WSNs自身的特点，使其在智能电网中的应用存在很多技术瓶颈，节点寿命短是WSNs最大的挑战。节点通常是由电池供电的，当电池电量用完时节点就失效，给节点更换电池是极其困难的。为了提高节点的寿命，目前已经被大量研究的有节点硬件低功耗设计、低功耗协议和周围能量获取技术[2]等。节点硬件低功耗设计和低功耗协议所降低电池的能耗是有限的，只能延长传感器节点的寿命，不能使传感器节点长久有效。周围能量主要是指太阳能、风能、振动能和生物化学能等，目前由太阳能提供能量的传感器网络被研究的最多，但是，如太阳能等周围的能源的使用对环境的依赖性比较大，如在室外的输电线路的监测可以用太阳能为节点供能，但若需要监视的设备在室内，就无法利用太阳能为节点供电。

本文使用无线射频充电技术为传感器节点充电，由于其是人工控制的，不受环境的影响，可靠性高。有文章已经提出可持续无线充电传感器网络(sustainable wireless rechargeable sensor networks，SWRSNs)技术[3]，该技术可以从根本上解决节点寿命短的问题，但是充电效率低。基于此技术改进后的有差别射频充电传感器网络(differentiatedRF rechargeable sensor networks，DRRSNs)，在传感器网络中选定一些相对比较重要的节点作为关键性节点，在充电的时候为关键性节点充更多的电，该方法可以提高充电效率。

1 无线射频充电技术简介

(1)

式中λ为表示波长；Gr为线性增益；PtGt为发射的能量。

接收器将接收到的射频信号转换成直流电压,并且保存在超级电容器里面，因此,只要传感器节点包含射频接收器、电能转换模块和超级电容器，就可以无线获取能量并且储存在电池里以供节点使用。

2 SWRSNs

2.1 SWRSNs介绍

SWRSNs是基于无线射频充电技术的，在WSNs监控的区域中布置一些可以无线射频充电的传感器节点，首先在WSNs中指定一些标志性节点，标志性节点是移动充电机器人便于停靠的监控区域中的一个位置，移动充电机器人在该位置为其一定范围内相邻区域中的传感器节点发射能量信号为其充电，为了使移动充电机器人所经过的路径最短，移动充电机器人按照最优的哈密尔顿圈访问这些标志性节点。当传感器节点的电量不足时，监控系统派出距离其最近的移动充电机器人去为其无线充电，当标志性节点附近的所有的传感器节点充满电后，此时移动机器人离开该标志性节点，前往下一个标志性节点为其他传感器节点充电。

2.2 SWRSNs构建

SWRSNs构建分为两步:1)根据传感器的位置和充电的要求选择最少的标志性节点;2)根据标志性节点靠近移动无线充电机器人停放处的程度被分成簇，每个簇被单独的移动充电机器人服务，移动充电机器人经过最短的哈密尔顿圈访问被分配的簇中的标志性节点，为其附近的传感器节点充电，哈密尔顿圈是最优的访问路径[5]。

图1中展示一个矩形区域中的簇，簇中包含有26个传感器节点和7个标志性节点，封闭的虚线表示一个哈密尔顿圈，一个移动充电机器人通过该哈密尔顿圈访问一部分标志性节点，并为其附近的传感器节点充电。

图1 SWRSNs中一个簇的标志性节点、传感器节点和哈密尔顿圈

3 DRRSNs

3.1 DRRSNs介绍

以上提到的SWRSNs把每个传感器节点的重要程度看作是相同的，移动充电机器人平均的为每个传感器节点充电，但实际上是各个传感器节点的重要程度往往是不同的。监控关键设备的传感器节点就比较重要，而监控不太重要的设备的传感器节点的重要程度就小点。比如:变压器和电容器阵列是变电站中的关键设备，其故障将会导致配电网的大面积崩溃，但同一个变电站的周围的设备相对来说可能没有那么重要，在这种情况下，监控关键设备的传感器就需要比监控周围次要设备的传感器更加频繁地更新收集到的监控数据并上传，其消耗的能量更大，如果平均为每个传感器节点充电的话，那些消耗能量比较高的节点就会早早的耗完电池的电量，其节点失效，该节点负责监控的区域也无法得到监控，这样的传感器网络很不可靠。所以，在SWRSN的基础上，根据传感器节点的重要程度进行分类，设置不同的优先级，目标是优先为那些监控关键设备的传感器节点提供更多的能量供其电池充电，因此，有差别的射频充电策略会使高优先级的节点接收到的能量最大化。

3.2 DRRSNs构建

首先构建整数线性规划模型，为使高优先级节点接收的能量最大化，建立目标函数

(2)

目标函数的求解有以下一些限制条件。假设所有的标志性节点的数量限制在Nl以内，标志性节点总数的最大值由下式确定

(3)

为了避免标志性节点多余，必须保证至少有一个传感器节点从(x，y)处的标志性节点获取能量，即

(4)

为了在每个充电周期里为传感器节点提供充足的能量，移动充电机器人提供的能量应该大于等于传感器节点需要接补充的能量，即

(5)

式中δ为传感器节点i需要补给的能量，τl为移动充电机器人提供的能量。

为确保当坐标(x，y)处有标志性节点时，传感器节点能从该标志性节点接收能量，有

(6)

式(7)表示高优先级的节点能比低优先级的节点能接收更多的能量

(7)

最少标志性节点、簇和路径的选择与之前提到的SWRSNs的方法相同。

4 DRRSNs性能评估

使用CPLEX最优化求解方法通过求解之前介绍的整数线性规划模型确定标志性节点的位置。在50 m×50 m的矩形区域中随机的部署20～30个数量随机变化的传感器节点，假设每个传感器节点所需要的能量是一样的，设置为2 kJ，每个充电机器人所能输出的最大能量为10 kJ，标志性节点不超过10个，无线充电的半径设为5 m。定义ψ为高优先级节点数与节点总数之比。

图2展示了当ψ分别为0.2和0.5时有差别射频充电技术、节点接收的能量，以及SWRSNs节点接收的能量随节点数变化而变化的情况。可以看出:2个ψ值下的DRRSNs每个节点接收的能量均比SWRSNs每个节点接收的能量多，平均高出约105 %。

图2 SWRSNs和DRRSNs(ψ=0.2和ψ=0.5)中每个节点接收的能量

图3展示了ψ从0.2变化到0.5时不同节点能量接收效率的变化。从图中可以看出:对于所有的ψ值，高优先级节点接收的能量要比低优先级节点接收的能量都要多，平均高出约43 %，所以,有差别射频充电技术可以使每个传感器节点所充的能量不同。

图4展示了当节点数量变化时，DRRSNs和SWRSNs的移动充电机器人的路径访问效率的变化情况。路径访问效率定义为移动充电机器人仅访问标志性节点时所通过的路径长度与移动充电机器人访问所有的传感器节点时所通过的路径长度之比。通过图4可以看出:SWRSNs比DRRSNs移动充电机器人所通过的路径更短，DRRSNs的路径访问效率约降低14 %，因此,DRRSNs的高能量接收效率是以降低路径访问效率为代价的。

图3 不同ψ值下的能量接收效率

图4 SWRSNs和DRRSNs下的路径访问效率

5 结 论

无线射频充电技术为WSNs中的节点补充能量提供了一种新思路，该方法能根本解决传感器节点寿命短的问题。根据电网中的各种设备重要程度的不同，增设了监控各设备传感器节点的优先级，建立基于DRRSNs模型，用CPLEX软件求解该整数线性规划模型，把求解的结果用图像展示出来，结果表明:DRRSNs中节点比SWRSNs中的节点能够平均多接收105 %能量，并且高优先级的节点比低优先级节点平均多接收43 %的能量，有效地提高了充电效率，提高了WSNs的可靠性，但是DRRSNs节点的路径访问效率平均要降低14 %。

参考文献:

[1] 王阳光,尹项根,游大海.无线传感器网络应用于智能电网的探讨[J].电网技术,2010,34(5):7-11.

[2] Sujesha S,Purushottam K.Energy harvesting sensor nodes:Survey and implications[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials,2011,13(3):443-461.

[3] Melike E K,Hussein T M.Suresense: Sustainable wireless rechargeable sensor networks for the smart grid[J].IEEE Wireless Communications,2012,1(3):30-36.

[4] He Shibo,Chen Jiming,Jiang Fachang,et al.Energy provisioning in wireless rechargeable sensor networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,12(10):1931-1942.

[5] Shi Yi,Xie Liuguang,Hou Y T,et al.On renewable sensor networks with wireless energy transfer[C]∥Proc of IEEE INFOCOM,Shanghai,China,2011:1350-1358.