一種分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，屬于無線能量傳輸 和無線傳感器網絡的技術領域。
【背景技術】
[0002] 在無線傳感器網絡的應用中，傳感器節(jié)點的電池容量問題是制約其發(fā)展的關鍵因 素。在無線傳感器網絡的應用領域(軍事領域和環(huán)境監(jiān)測領域等），對電池能量耗盡的無線 傳感器節(jié)點進行一一更換是不現實的；雖然無線傳感器節(jié)點已趨于功耗和體積越來越小， 如果只靠自身電源供電其小而靈活的優(yōu)勢將會受到限制。
[0003]利用能量獲取(Energy Harvesting)技術可以使無線傳感器節(jié)點從環(huán)境中獲取能 量，具有能量補充的能力，從而使無線傳感器節(jié)點可以持續(xù)工作。能量獲取的來源包括:光 (由光伏電池捕獲）、振動或壓力（由壓電元件捕獲）、溫差（由熱電發(fā)生器捕獲）、電磁波能量 (微波)等。其中利用微波來傳輸和獲取能量是一種使節(jié)點可以無線獲取能量的新興方式， 現在的無線傳感器節(jié)點能以微瓦級平均功率工作并為無線傳感器節(jié)點供電。
[0004] 利用微波來傳輸和獲取能量涉及到無線能量傳輸(Wireless Power Transfer, WPT)，無線能量傳輸是指能量從能量源傳輸到電負載的過程，該過程通過無線傳輸實現。電 磁波在能量傳輸過程中存在能量損耗大，傳輸效率低的問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對現有技術的不足，本發(fā)明提供一種分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方 法。
[0006] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] 為直觀的描述本發(fā)明所述工作在分時工作無線傳感器網絡中能量中繼的工作方 法，現構建系統(tǒng)模型(如圖1所示），所述系統(tǒng)模型包含源節(jié)點、目的節(jié)點和中繼節(jié)點，源節(jié)點 至忡繼節(jié)點以及中繼節(jié)點到目的節(jié)點的距離分別為tcb;假設信道模型是基于理想條件下 的自由空間電波傳播模型。
[0008] -種分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，包括步驟如下：
[0009] 1)源節(jié)點為中繼節(jié)點發(fā)送能量;源節(jié)點通過微波向對中繼節(jié)點不間斷傳輸能量； [0010] 2)中繼節(jié)點將接收到的能量儲存在中繼節(jié)點蓄電池中；當中繼節(jié)點蓄電池的電量 大于等于閾值Px時，中繼節(jié)點開始向目的節(jié)點發(fā)送能量；
[0011] 3)目的節(jié)點接收中繼節(jié)點發(fā)送過來的能量并將其用于自身的正常工作。目的節(jié)點 接收中繼節(jié)點發(fā)送過來的能量，該能量的瞬時功率滿足目的節(jié)點的正常工作需求功率，從 而維持目的節(jié)點能夠長時間正常工作。
[0012] 優(yōu)選的，源節(jié)點為中繼節(jié)點發(fā)送能量的方式，中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送能量的方 式均為存儲轉發(fā)(store and forward，SF)方式。
[0013] 優(yōu)選的，中繼節(jié)點的接收功率和中繼節(jié)點的發(fā)射功率應滿足的條件為：
[0014] (?11-?。41^?*4，其中，？^為中繼節(jié)點的接收功率，？。為中繼節(jié)點自身的消耗功 率，μ為中繼節(jié)點蓄電池的轉化效率，P t2為中繼節(jié)點的發(fā)射功率，T為源節(jié)點為中繼節(jié)點供能 時間，t為目的節(jié)點的工作時間。在中繼節(jié)點放大轉發(fā)能量的過程中能量是有損耗的。
[0015] 進一步優(yōu)選的，中繼節(jié)點的接收功率和目的節(jié)點的接收功率的計算方法為，利用 Friis傳輸公式計算
，其中，Ρι·2為目的節(jié)點的 接收功率，Pd為目的節(jié)點自身工作消耗的功率。
[0016] 優(yōu)選的，中繼節(jié)點在分時工作的目的節(jié)點的工作時間為目的節(jié)點傳輸能量。利用 SF方式對能量進行中繼來擴大能量的傳輸距離中間存在能量損耗，所以在這種方式下中繼 節(jié)點很難(除非距離足夠近)一直為目的節(jié)點提供能量，采用分時轉發(fā)的方式可以解決上述 問題。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：
[0018] 1、本發(fā)明所述分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，利用微波為無線傳感 器網絡中的節(jié)點提供能量，通過引入中繼(Relay)來擴大無線能量的傳輸距離，并有效克服 了傳輸過程中能量損耗大、傳輸效率低等問題；
[0019] 2、本發(fā)明所述分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，利用SF方式提高對目 的節(jié)點的能量供給，即中繼節(jié)點將從源節(jié)點接收得到的能量先儲存在中繼節(jié)點蓄電池中， 再以提高后的特定功率發(fā)射給目的節(jié)點；擴大了無線能量傳輸的距離，提高目的節(jié)點獲取 到的瞬時能量功率，從而保證目的節(jié)點能夠持續(xù)正常工作。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明所述系統(tǒng)模型的結構示意圖；
[0021 ]圖2為無線能量中繼的結構示意圖；
[0022] 圖3為使用中繼和未使用中繼時目的節(jié)點所接收到能量瞬時功率的對比圖；
[0023] 圖4為目的節(jié)點所接收到的能量瞬時功率隨距離的變化關系圖；
[0024]圖5為中繼節(jié)點為目的節(jié)點的供能時間圖；
[0025] 圖6為中繼節(jié)點位置對到達目的節(jié)點的能量瞬時功率的影響。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做詳細的說明，但不限于此。
[0027] 實施例1
[0028] 如1-6圖所示。
[0029] -種分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，包括步驟如下：
[0030] 1)源節(jié)點為中繼節(jié)點發(fā)送能量;源節(jié)點通過微波向對中繼節(jié)點不間斷傳輸能量；
[0031] 2)中繼節(jié)點將接收到的能量儲存在中繼節(jié)點蓄電池中；當中繼節(jié)點蓄電池的電量 大于等于閾值P x時，中繼節(jié)點開始向目的節(jié)點發(fā)送能量；
[0032] 3)目的節(jié)點接收中繼節(jié)點發(fā)送過來的能量并將其用于自身的正常工作。目的節(jié)點 接收中繼節(jié)點發(fā)送過來的能量，該能量的瞬時功率滿足目的節(jié)點的正常工作需求功率，從 而維持目的節(jié)點能夠長時間正常工作。
[0033] 實施例2
[0034] 如實施例1所述分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其區(qū)別在于，源節(jié)點 為中繼節(jié)點發(fā)送能量的方式，中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送能量的方式均為放大轉發(fā)方式。
[0035] 實施例3
[0036] 如實施例1所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其區(qū)別在于，中繼 節(jié)點的接收功率和中繼節(jié)點的發(fā)射功率應滿足的條件為：（Pri-Pc)yT 2 pt2t，其中，prl為中 繼節(jié)點的接收功率，P。為中繼節(jié)點自身的消耗功率，μ為中繼節(jié)點蓄電池的轉化效率，P t2S 中繼節(jié)點的發(fā)射功率，T為源節(jié)點為中繼節(jié)點供能時間，t為目的節(jié)點的工作時間。在中繼節(jié) 點放大轉發(fā)能量的過程中能量是有損耗的。
[0037] 實施例4
[0038] 如實施例3所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其區(qū)別在于，中繼 節(jié)點的接收功率和目的節(jié)點的接收功率的計算方法為，利用Fri is傳輸公式計算：
其中，Pr2為目的節(jié)點的接收功率，Pd為目的節(jié) 點自身工作消耗功的率。
[0039] 實施例5
[0040] 如實施例1所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其區(qū)別在于，中繼 節(jié)點在分時工作的目的節(jié)點的工作時間為目的節(jié)點傳輸能量。利用SF方式對能量進行中繼 來擴大能量的傳輸距離中間存在能量損耗，所以在這種方式下中繼節(jié)點很難(除非距離足 夠近)一直為目的節(jié)點提供能量，采用分時轉發(fā)的方式可以解決上述問題。
[0041] 如圖4的比可知，通過實施例1-5所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方 法能對目的節(jié)點進行供能產生較好的效果。
【主權項】
1. 一種分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其特征在于，包括步驟如下： 1) 源節(jié)點為中繼節(jié)點發(fā)送能量;源節(jié)點通過微波向對中繼節(jié)點不間斷傳輸能量； 2) 中繼節(jié)點將接收到的能量儲存在中繼節(jié)點蓄電池中；當中繼節(jié)點蓄電池的電量大于 等于閾值Px時，中繼節(jié)點開始向目的節(jié)點發(fā)送能量； 3) 目的節(jié)點接收中繼節(jié)點發(fā)送過來的能量并將其用于自身的正常工作。2. 根據權利要求1所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其特征在于，源 節(jié)點為中繼節(jié)點發(fā)送能量的方式，中繼節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送能量的方式均為存儲轉發(fā)方 式。3. 根據權利要求1所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其特征在于，中 繼節(jié)點的接收功率和中繼節(jié)點的發(fā)射功率應滿足的條件為：（Pri-Pc)yT2 pt2t，其中，PrlS 中繼節(jié)點的接收功率，P。為中繼節(jié)點自身的消耗功率，μ為中繼節(jié)點蓄電池的轉化效率，Pt2 為中繼節(jié)點的發(fā)射功率，T為源節(jié)點為中繼節(jié)點供能時間，t為目的節(jié)點的工作時間。4. 根據權利要求3所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其特征在于，中 繼節(jié)點的接收功率和目的節(jié)點的接收功率的計算方法為，利用Friis傳輸公式計算：其中，Pr2為目的節(jié)點的接收功率，Pd為目 的節(jié)點自身工作消耗功的率。5. 根據權利要求1所述的分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法，其特征在于，中 繼節(jié)點在分時工作的目的節(jié)點的工作時間為目的節(jié)點傳輸能量。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分時工作無線傳感器網絡中的能量中繼方法。本發(fā)明所述工作在分時工作無線傳感器網絡中能量中繼的工作方法，利用SF方式提高對目的節(jié)點的能量供給，即中繼節(jié)點將從源節(jié)點接收得到的能量先儲存在中繼節(jié)點蓄電池中，再以提高后的特定功率發(fā)射給目的節(jié)點；擴大了無線能量傳輸的距離，提高目的節(jié)點獲取到的瞬時能量功率，從而保證目的節(jié)點能夠持續(xù)正常工作。
【IPC分類】H02J50/50
【公開號】CN105529840
【申請?zhí)枴緾N201511023300
【發(fā)明人】陳滌, 趙森, 梁昊, 常銀惠, 侯學輝, 范聰聰
【申請人】山東大學
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2015年12月30日