基于WRSN的无线充电小车的充电调度算法的优化设计

随着无线通信和微电子技术的迅速发展，一种由大量低成本微型传感器节点组成、通过无线通信方式通信、部署在监测区内的自组织的分布式网络系统，即无线传感器网络应运而生［1］。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）能够协作感知、采集和处理监测区中感知对象的信息，并发送给观察者。近年来，无线传感器网络在战争情报传递、仓储管理、供应链及环境监测、健康医疗协助、自然灾害预警等领域具有广泛的应用前景［2］。

化学需氧量（COD）：450mg/l；生化需氧量（BOD5）：200mg/l；悬浮物（SS）：300mg/l；氨氮（以 N 计）：35mg/l；总氮（以 N 计）：50mg/l；总磷（以 P 计）：5mg/l。（2）一期设计出水指标

在无线传感器网络中，能量非常重要，影响着无线传感器网络的生命周期。由于分布的传感器节点体积小，搭载的电池体积和存储的电能比小，而且电池是无线传感器网络的主要供电来源，但是通过更换传感器节点电池来维护无线传感器网络的生命周期的维护成本非常高，严重制约了无线传感器网络的发展应用。目前，已有的研究多数是通过平衡电源消耗负载［3］、建造省电的资料收集树［4］、移动式传感器及移动式收集器［4］、使用多个收集器［5］等方法来延长无线传感器网络的生命周期。但这些方法只能暂缓能量消耗的速度，并不能实质性地延长无线传感器网络的生命周期。

近年来，随着无线充电技术的迅速发展，可以利用无线传递的方式传递电能从而提供给无线传感器网络全新的能源，因此这种无线可充电传感器网络将会成为未来许多应用的发展平台。无线可充电传感器网络（Wireless Rechargeable Sensor Networks，WRSN）就是配置可无线充电设备的无线传感器网络，主要包括若干个无线可充电及无线通信的传感器节点及若干台可移动的无线充电器［6］（如将无线充电器装载在移动小车或行动机器人上）。无线可充电传感器网络架构如图1所示。

在每天精疲力尽的劳作之后，同伴们都早早进入了梦乡，而习近平却就着煤油灯昏暗的灯光阅读，直到深夜。这样的生活，日复一日，他不以为苦，反而独得其乐，还风趣地说：“我找到了众人‘皆睡’我独醒的感觉。”

  

图1 无线可充电传感器网络架构

1 WRSN的移动充电方案研究

移动充电方案主要是利用可移动的载体（如移动小车或移动机器人）对分布在WRSN上的传感器进行充电［7］。充电方式主要采用电磁波共振的原理产生电能的无线传输方式进行感应充电。移动小车需移动到有充电需求的传感器附近进行无线充电。目前涉及的充电方案主要有以下三种。

胰腺原发性平滑肌瘤应注意与以下疾病相鉴别：(1)胰腺神经内分泌肿瘤：功能性肿瘤伴有独特的激素综合征，无功能性肿瘤的血液测定或组织切片仍显示激素水平升高。影像表现为实性密度(信号)，边界清晰，可出现囊变、坏死，增强后显著强化，信号高于周围胰腺组织[4]。(2)胰腺实性假乳头状瘤：好发于年轻女性，多为囊实性肿块，边界清楚，钙化常见，增强后的强化程度始终低于正常胰腺实质[3]。(3)良性转移性平滑肌瘤：几乎都发生于女性，多有子宫平滑肌瘤手术史，转移部位以肺多见，瘤组织表达ER和PR[5]。

（1）区域巡逻充电方案（Region Patrol Charge Scheme， RPC）

RPC方案把WSN分割成若干个矩形区块，每个区块配置一台移动充电小车。PRC会在每个区块内规划一条固定路径，移动充电小车能够把区块内的每一个传感器节点都巡逻一遍。当移动充电小车在巡逻经过某个传感器节点时，收到该节点发出的充电请求，小车立即停下为该节点充电。此时，小车只能等待该节点充电完成，才可继续开始巡逻下一个节点。RPC能够定时检查每一个传感器节点的充电需求，不会产生遗漏。但是，若有急需充电的节点需要及时充电时，该方案无法实时完成充电任务，这有可能使得相关节点在等待充电小车到来的过程中，能量耗尽，从而造成WRSN网络中断。

（2）传感器的设计

RIC方案和RPC类似，也是把WRSN分割成若干个矩形区块，每个区块配置一台移动充电小车，同时每个区块内也事先规划一条固定路径。与RPC不同的是，当充电小车巡逻到某个传感器节点时，会询问该节点附近传感器节点的充电需求。如果附近节点有充电需求的应答，则小车会先移动到有充电需求应答的节点处充电。与RPC相比，RIC方案的网络延时更短，但也有可能会存在急需充电的传感器位于巡逻路径的末段，造成相关节点在等待充电小车到来的过程中，能量耗尽，从而造成WRSN网络中断。

本文主要研究了新型的WRSN网络中的无线充电小车接到传感器节点充电请求后进行的一个调度计算，使得充电小车能够得到一个最佳的可行性调度。仿真结果表明，REDF算法无论是在充电成功率、节点消亡率还是充电效率，其性能都要优于EDDF算法。

DEC方案直接在WRSN上分配数台移动充电小车，每台移动充电小车无固定巡逻区域。当一个传感器节点的能量低于其设定的阀值时，发送充电请求。移动充电小车接收到该请求，即移动到相关节点为其充电。在充电过程中，如果有其他节点发送充电请求，则不予理会。如果小车同时收到多个节点的充电请求，则通过公式（1）来计算充电需求度从而决定节点的充电优先次序。

 

其中e是全部能量，tn是目前时间，t是发送请求时间，v是能量消耗比率，d是距离。

DEC方案中，节点与移动充电小车的通信需要大量的数据包，从而造成能源的浪费。并且，在分布式的环境中，等待充电的时间不易估计，有可能造成相关节点能量耗尽，从而造成WRSN网络中断。

由于上述三种方案都存在一定的缺陷，因此，本文考虑在WRSN上采取充电小车的有效的调度算法，减少空间上小车的移动距离，避免移动能源的损耗，缩短大部分有充电需求的传感器节点的充电等待时间。

2 WRSN的移动充电小车调度算法研究

本方案针对一个给定的WRSN，对一台可移动充电小车进行无线充电调度算法的设计，从而延长WRSN的生命周期［8］。本算法解决的首要问题是，对同时出现充电需求的传感器节点设计一个充电调度方案，使得每一个节点都能在能量低于阀值前得到充电从而延长了WRSN的生存期。其次要解决的问题是，在确保首要问题得到解决的前提下，保证可以在尽可能短的时间内完成充电工作，使得充电小车可以尽早返回基地执行新的充电任务。

2.1 新型WRSN系统架构

新型的WRSN系统架构如图2所示，该系统由若干个传感器节点、一辆可移动充电小车、基站等构成。

周大国啊一声说：“这种医患纠纷在哪家医院都是有的，毛主任还是算少的，他是我们院糖尿病领域的首席专家，他治好了许多病人，获赠的锦旗多得放不下，偶然的患者家属不理解也是有的。”

  

图2 新型的WRSN系统架构

 

公式中pr是指接收到RF信号的强度，p0是指发送端RF信号的强度，d是指发送端到接收端的距离，Gs是指发送天线的增益，Gr是接收天线的增益，λ是波长，Lp是极化损耗。

（2）区域查询充电方案（Region Inquire Charge Scheme， RIC）

该系统构架中，传感器设计成具有通信、感测、充电状态、充电请求状态这四种功能。

（3）电池选择

目前，临床诊断越来越依赖先进的技术和实验室检查，而不是床边临床检查。这种理念导致了查房形式转变，从床边转换到会议室，以更方便地获得各种影像学和实验室的检测结果[4]。

该系统架构选择具有记忆功能的镍氢电池。当传感器电量不足时，才进行充电，但会使得充电等待时间缩短，从而对充电调度算法提出更高要求。

（4）无线充电小车的配置

无线充电小车配有定位系统（GPS），可以按照基站计算出的充电调度路线匀速行驶，待到达传感器节点处进行充电。并且当任务完成就返回基地更换电池，等待下一轮新的充电调度。

1) 当爬坡高度不变时，爬坡管段的局部阻力损失系数均随狄恩数增加而减小；当泥浆成分和输送速度不变时，爬坡管段的局部阻力损失系数随爬坡高度近似为线性增长，且增长速率随混合物流速或泥浆体积分数的减小而增加。

（5）基地的配置

基地为固定设施，配有多个超大容量电池及充电设备。基地能够给无线充电小车更换电池，并且基地集中了WRSN的信息，能够根据信息进行充电调度计算。

（1）系统的无线充电模式

取一定量的粉煤灰提取氧化铝后的白泥，水洗3～5次用于去除其吸附的氯离子，于120 ℃烘箱中烘干。准确称量60 g白泥固体加入三颈烧瓶中，加入4.0 mol/L的NaOH溶液240 mL，采用加热套加热，温度为80 ℃，磁力搅拌时间为2.5 h，过滤后获得滤液通过ICP测定成分。

系统采用的无线充电模式如公式（2）所示。

2.2 新型WRSN系统的无线充电小车调度算法设计

本文利用作业调度并结合图论相关技术设计有效的无线充电小车的充电调度算法。假设目前获得充电的传感器节点数目为k，可移动充电小车数目为1，则每一个请求充电工作Ji将获得充电请求传感器节点坐标（xi，yi）、每个节点需要的充电时间pi、节点的充电请求工作发生时间ri、节点的充电工作期限di及充电小车在节点si到sj之间移动所需时间sij等信息。由于WRSN布属的区域是一个平面无障碍的空间，因此可移动充电小车的在传感器节点之间移动所需的距离成本可以抽象成用图3所示的完全图表示，图的边上的权重就是移动所需时间sij，即欧基里得距离（Euclidean distance）除以小车移动速度得到的。图中节点上的数字表示为di／pi。

  

图3 可移动充电小车在传感器之间移动所需时间示意图

（1）EDDF 调度算法

乾隆五十五年（1790年），他初次参与政治，走出了议政的第一步。三月朝臣袁镐欲在服丧期间违例为子完婚，女方系官员李封之孙，后者认为丧事未毕举行婚礼有违律例，袁以退婚相威胁逼其就犯，双方僵持不下。御史初彭龄认为袁身居高位，却“不遵定制，任性乖张，应请交部严加议处以示惩儆”［6］。这次弹劾事项无足轻重，但初步形成了初彭龄以后的参政风格。

若涉及数量或程度，可用“as much+不可数名词+as”和“as many+可数名词复数+as”。如：

  

图4 EDDF算法调度结果示意图

从表1中可以看出，利用EDDF算法得到的调度结果显示，可移动充电小车完成这次充电任务所需时间为55 s。其中传感器节点的充电需要的总时间为20 s，小车在节点间移动需要的总时间为35 s。

EDDF算法能够满足调度需要解决的首要问题，即使得每一个发出充电请求的节点都能在能量低于阀值前得到充电。但是EDDF算法得到的调度结果的耗时并非最少，有可能会造成在节点间移动所花费的时间较多，从而影响了WRSN的充电效率。

本报讯10月25日，史丹利发布2018年三季报，公司2018年1-9月实现营业收入42.91亿元，同比增长9.03%；化学制品行业已披露三季报个股的平均营业收入增长率为4.70%；归属于上市公司股东的净利润1.97亿元，同比下降17.87%，化学制品行业已披露三季报个股的平均净利润增长率为41.17%；公司每股收益为0.17元。

 

表1 EDDF调度算法结果表

  

次 序 1 2 3 4 5 6节点 b d c e a f 基地期限／s 14 20 26 39 42 47到达时间／s 5 13 22 31 39 47 55离开时间／s 8 17 26 34 42 50

（2）REDF（ Revised Earliest Deadline First）算法

REDF算法对EDDF算法做了修正，考虑在满足首要问题可行性的前提下，选择距离最短，耗时最少的充电调度，并且降低了算法执行的时间复杂度。

图5和表2是REDF算法执行的调度结果。可以看出，利用REDF算法得到的调度结果显示，无线充电小车完成这次充电任务所需时间为47 s。其中传感器节点的充电所需的总时间仍为20 s，小车在节点间移动的所需的总时间为27 s，比EDDF算法得到的调度总时间少8 s，原因就是缩短了节点间移动的距离，使得充电小车能够尽早返回基地，进行下一轮充电调度，提高了WRSN的运行效率。

 

其中 为小车从基地出发到离开节点x的上一个节点所需时间，dx为节点x的充电工作期限。

该算法设计如下所示：

  

?

令Δ为节点间的平均距离，α为节点的充电时间，则Δ+α代表小车完成对单个节点充电所需的时间。预估节点x的调度位置γ如公式（3）所示：

  

图5 REDF调度算法示意图

 

表2 REDF调度算法结果表

  

注：时间单位取距离除以小车速度的相对单位时间

 

次序 1 2 3 4 5 6节点 c b d a e f 基地期限／s 26 14 20 42 39 47到达时间／s 3 10 18 25 33 39 47离开时间／s 7 13 22 28 36 42

2.3 调度算法性能仿真结果及分析

通过仿真实验可以验证不同调度算法的性能。仿真环境采用新型WRSN系统架构，仿真的区域面积设置为100 m×100 m，在该仿真区域随机投放50个传感器节点。则EDDF和REDF算法的性能比较结果如图 6（a）、图 6（b）和图 6（c）所示。

  

图6（a） 充电成功率仿真结果

  

图6（b） 节点消亡率仿真结果

从图中可以看出，REDF调度算法充电成功率高于EDDF调度算法的成功率，REDF调度算法的节点消亡率低于EDDF算法的消亡率，REDF调度算法的充电成功率要高于EDDF算法的成功率。

3 结论

过去的几十年间，无线传感器网络受到了众多学者的关注与研究。然而，传统的传感器网络受其能量的制约，发展应用比较缓慢。这一瓶颈随着无线可充电传感器网络的发展而使得其应用有了一定的突破，并且目前的研究也取得了一定的成果。

  

图6（c） 充电效率仿真结果

（3）能量感知充电方案（Distance and Energy Aware Charge Scheme， DEC）

EDDF（Earliest Due Date First）算法设计就是将期限di最短的传感器节点优先排入调度中，优先充电［9-11］。对图3所示的案例进行EDDF算法，得到的充电小车的调度结果如图4及表1所示。其中，图4上的c→d（e），c表示出发时间，d表示到达时间，e表示移动时间。

参考文献：

学习曲线可用于评价某项技术的难易程度，学习曲线短说明该技术易于掌握。影响学习曲线的因素包括：患者的选择、术者的解剖知识和心理素质等［13］。患者选择方面，新术式的探索初期，外科医师往往倾向选择年轻、只有单侧症状的腰椎间盘突出症患者，容易导致并发症发生率的低估；术者的知识方面，外科医师通过不断总结手术经验，及时领悟术式的操作要点，有利于缩短学习曲线和降低并发症；此外，术者良好的心理素质、尸体上的操作练习对缩短学习曲线具有促进作用。

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［2］胡诚，汪芸，王辉.无线可充电传感器网络中充电规划研究进展［J］.软件学报，2016，27（1）：4.

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通常中频滤波器常用LC滤波器、介质滤波器、声表滤波器、晶体滤波器等根据不同的频率与其它参数来选择滤波器的种类。但如果设计要求的指标过高，任何一级模拟滤波器都实现不到，这时候就需要两级滤波级联来实现指标要求。但用滤波器级联的方案来实现高矩形系数，不能简单的把两只滤波器简单级联来实现，否则不仅不能实现高矩形系数的目的，甚至在滤波器带内波动、带宽都会发生恶化的现象。要用两级滤波器实现高矩形系数，应满足以下设计原则和措施：

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