一种基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法和系统技术方案

一种基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集方法，包括：S1、构建基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集系统，所述基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集系统包括设置在地面的用于数据采集的传感器和与所述传感器进行通信的无人机，其中所述传感器上附着RFID标签以存储采集数据，所述无人机上装载RFID阅读器；S2、所述无人机飞越部署区域时，基于帧时隙算法通过ATG信道接收所述传感器上的RFID标签上存储的采集数据。实施本发明专利技术的基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集方法和系统，通过控制无人机进行数据采集的帧长，可以获得最佳能量效率。更进一步地，通过调节无人机的飞行速度、高度以及帧长，可以获得最佳能量效率。

A Data Acquisition Method and System for UAV-IOT Based on Optimal Energy Efficiency

【技术实现步骤摘要】
一种基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法和系统
本专利技术涉及无人机-物联网领域，更具体地说，涉及一种基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法和系统。
技术介绍
在过去的二十年中，无线技术，微传感器，RFID和嵌入式系统的巨大进步，加上工业自动化和智能家居网络的巨大需求，推动了物联网的激增。在物联网系统中，传感器或RFID标签附加到数据收集目标上，大量物理和虚拟“事物”无缝集成到互联网中，实现远程监控和智能控制这些相关目标。虽然物联网的应用看起来很吸引人，但必须首先在网络边缘侧收集数据，以便在云中心进行进一步分析和处理。在拥有丰富基础设施支持的地区，数据收集很容易。但是，在电信和电力基础设施部署成本非常高的偏远地区，或者这些地区的工作环境充满敌意和无法进入的情况下，数据收集是非常困难或者难以实现的。例如，大量的物联网传感器被放置在恶劣的地形中用于环境监测或野生动物追踪，物联网数据收集的数据无法传递到外部世界，因为这些遥远的区域不在蜂窝网络的覆盖范围内；又例如在牧场中，RFID标签附着在每只牛的耳朵上，不断收集其生理和位置数据，由于畜群的高度随机流动性，以人工方式采集数据是不可行的；又例如在部署了物联网的无人自动码头中，工作人员不允许进入危险的货物处理区域，需采用自动装置用于从码头操作员急需的集装箱中安装的传感器/标签收集信息。在上述应用场景中，在移动自组织网络中的传统多跳中继方法是不可行的，因为IoT传感器由微型电池供电并且具有弱的通信和计算能力，因此大量IoT数据将很快使得网络饱和。因此，其内在的物理性限制和严苛的环境限制极大制约了物联网的部署应用。为了实现这些边缘地区的数据信号的采集，可以采用无人机-物联网数据采集系统进行数据采集。然而，如何才能使得无人机-物联网数据采集系统的能量效率最大是一个难以解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法，通过控制无人机进行数据采集的帧长，其能够使得整个系统在最佳能量效率下进行工作。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，构造一种基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法，包括：S1、构建基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统，所述基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统包括设置在地面的用于数据采集的传感器和与所述传感器进行通信的无人机，其中所述传感器上附着RFID标签以存储采集数据，所述无人机上装载RFID阅读器；S2、所述无人机飞越部署区域时，基于帧时隙算法通过ATG信道接收所述传感器上的RFID标签上存储的采集数据；其中，步骤S2进一步包括：S21、基于所述基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统的最佳能量效率计算所述无人机接收所述采集数据的最佳能量效率帧长系数；S22、基于所述最佳帧长系数控制所述无人机接收所述采集数据。在本专利技术所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法中，所述步骤S21进一步包括：S211、依据以下公式(7)和(10)分别计算系统效率和能量效率；其中ηE表示能量效率；ηs表示系统效率，EO表示传感器在每个时隙开始因监听QueryRep的能量，Es表示传感器在成功时隙中的能量消耗，Ec表示传感器在冲突时隙中的能量消耗，L表示帧长，N表示传感器个数，αt表示归一化空时隙周期，βt表示归一化冲突时隙周期；S212、基于帧长和传感器个数远大于1改写等式(7)和(10)为等式(13)S213、根据公式(13)获取最佳能量效率以获得最佳能量效率帧长LE_opt；S214、根据公式(13)最大化系统效率求解最佳能量效率帧长系数其中αe表示传感器时隙时序中同步监听的归一化能量消耗；βe表示传感器在冲突时隙中的归一化能量消耗。在本专利技术所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法中，所述步骤S2进一步包括：S23、计算所述无人机的最低飞行速度；S24、控制所述无人机以所述最低飞行速度飞越部署区域，其中所述最低飞行速度为vmin＝(da1e1/β)-1，其中a1＝T0βe-1/β+TSe-1/β+TC(β-e-1/β-βe-1/β)；所述β＝βE_opt；d表示地面布置的传感器的密度，β表示帧长系数，T0，Tc和Ts分别表示空、冲突、成功时隙的时间长度。在本专利技术所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法中，所述步骤S2进一步包括：S25、控制所述无人机以最低飞行高度飞越部署区域。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，构造一种基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统，包括设置在地面的用于数据采集的传感器和与所述传感器进行通信的无人机，其中所述传感器上附着RFID标签以存储采集数据，所述无人机上装载RFID阅读器；所述无人机飞越部署区域时，基于帧时隙算法通过ATG信道接收所述传感器上的RFID标签上存储的采集数据；其中所述无人机包括处理器和存储在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：S21、基于所述基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统的最佳能量效率计算所述无人机接收所述采集数据的最佳能量效率帧长系数；S22、基于所述最佳帧长系数控制所述无人机接收所述采集数据。在本专利技术所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统中，所述步骤S21进一步包括：S211、依据以下公式(7)和(10)分别计算系统效率和能量效率；其中ηE表示能量效率；ηs表示系统效率，EO表示传感器在每个时隙开始因监听QueryRep的能量，Es表示传感器在成功时隙中的能量消耗，Ec表示传感器在冲突时隙中的能量消耗，L表示帧长，N表示传感器个数，αt表示归一化空时隙周期，βt表示归一化冲突时隙周期；S212、基于帧长和传感器个数远大于1改写等式(7)和(10)为等式(13)S213、根据公式(13)获取最佳能量效率以获得最佳能量效率帧长LE_opt；S214、根据公式(13)最大化系统效率求解最佳能量效率帧长系数其中αe表示传感器时隙时序中同步监听的归一化能量消耗；βe表示传感器在冲突时隙中的归一化能量消耗。在本专利技术所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统中，所述步骤S2进一步包括：S23、计算所述无人机的最低飞行速度；S24、控制所述无人机以所述最低飞行速度飞越部署区域，其中所述最低飞行速度为vmin＝(da1e1/β)-1，其中a1＝T0βe-1/β+TSe-1/β+TC(β-e-1/β-βe-1/β)；所述β＝βE_opt；d表示地面布置的传感器的密度，β表示帧长系数，T0，Tc和Ts分别表示空、冲突、成功时隙的时间长度。在本专利技术所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统中，所述步骤S2进一步包括：S25、控制所述无人机以最低飞行高度飞越部署区域。实施本专利技术的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法和系统，通过控制无人机进行数据采集的帧长，可以获得最佳能量效率。更进一步地，通过调节无人机的飞行速度、高度以及帧长，可以获得最佳能量效率。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统的第一实施例的流程图；图2示出无人机高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集方法，其特征在于，包括：S1、构建基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集系统，所述基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集系统包括设置在地面的用于数据采集的传感器和与所述传感器进行通信的无人机，其中所述传感器上附着RFID标签以存储采集数据，所述无人机上装载RFID阅读器；S2、所述无人机飞越部署区域时，基于帧时隙算法通过ATG信道接收所述传感器上的RFID标签上存储的采集数据；其中，步骤S2进一步包括：S21、基于所述基于最佳能量效率的无人机‑物联网数据采集系统的最佳能量效率计算所述无人机接收所述采集数据的最佳能量效率帧长系数；S22、基于所述最佳帧长系数控制所述无人机接收所述采集数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法，其特征在于，包括：S1、构建基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统，所述基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统包括设置在地面的用于数据采集的传感器和与所述传感器进行通信的无人机，其中所述传感器上附着RFID标签以存储采集数据，所述无人机上装载RFID阅读器；S2、所述无人机飞越部署区域时，基于帧时隙算法通过ATG信道接收所述传感器上的RFID标签上存储的采集数据；其中，步骤S2进一步包括：S21、基于所述基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集系统的最佳能量效率计算所述无人机接收所述采集数据的最佳能量效率帧长系数；S22、基于所述最佳帧长系数控制所述无人机接收所述采集数据。2.根据权利要求1所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法，其特征在于，所述步骤S21进一步包括：S211、依据以下公式(7)和(10)分别计算系统效率和能量效率；其中ηE表示能量效率；ηs表示系统效率，EO表示传感器在每个时隙开始因监听QueryRep的能量，Es表示传感器在成功时隙中的能量消耗，Ec表示传感器在冲突时隙中的能量消耗，L表示帧长，N表示传感器个数，αt表示归一化空时隙周期，βt表示归一化冲突时隙周期；S212、基于帧长和传感器个数远大于1改写等式(7)和(10)为等式(13)S213、根据公式(13)获取最佳能量效率以获得最佳能量效率帧长LE_opt；S214、根据公式(13)最大化能量效率求解最佳能量效率帧长系数其中αe表示传感器时隙时序中同步监听的归一化能量消耗；βe表示传感器在冲突时隙中的归一化能量消耗。3.根据权利要求2所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：S23、计算所述无人机的最低飞行速度；S24、控制所述无人机以所述最低飞行速度飞越部署区域，其中所述最低飞行速度为vmin＝(da1e1/β)-1，其中a1＝T0βe-1/β+TSe-1/β+TC(β-e-1/β-βe-1/β；所述β＝βE_opt；d表示地面布置的传感器的密度，β表示帧长系数，T0，Tc和Ts分别表示空、冲突、成功时隙的时间长度。4.根据权利要求2所述的基于最佳能量效率的无人机-物联网数据采集方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：S25、控制所述无人机以最低...

【专利技术属性】
技术研发人员：林晓辉，代明军，毕宿志，王晖，苏恭超，陈彬，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44