无人机物联网系统以及均衡其中传感器的能耗和寿命的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法，所述无人机物联网系统包括多个传感器和与所述多个传感器分别进行通信的至少一个无人机，所述方法包括以下步骤：S1、基于每个传感器的数据载荷计算最小系统节点传输能耗；S2、基于每个传感器的剩余节点能量和传输能耗计算传感器寿命：S3、基于公平性指数来描述所述传感器之间的能量公平性；S4、基于最大公平性指数、所述最小系统节点传输能耗、所述数据载荷和所述剩余节点能量调节所述传感器的带宽和/或所述无人机的悬停位置以均衡系统能耗和传感器寿命。置以均衡系统能耗和传感器寿命。置以均衡系统能耗和传感器寿命。

【技术实现步骤摘要】
无人机物联网系统以及均衡其中传感器的能耗和寿命的方法


[0001]本专利技术涉及无人机
‑
物联网领域，更具体地说，涉及一种均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法以及无人机物联网系统。

技术介绍

[0002]物联网(IoT)系统的兴起使我们能够访问周围环境的实时信息。然而，由于与微型传感器相关的固有物理限制，在没有基础设施支持的敌对和无法访问区域收集物联网数据是一个具有挑战性的问题。这个问题的一个可行解决方案是使用灵活可控的无人机(UAV)收集地面数据，并将其转发到远程云端进行进一步处理。在这种无人机物联网场景下，必须有效利用微型传感器携带的有限电池电源，从而延长物联网系统的使用寿命。
[0003]为了延长物联网系统的使用寿命，目前采用的方法大多是最小化传感器的总能耗。但是，在总能耗最小化的方案中，实际上忽略了传感器之间的不均匀性，这将导致能耗的不平衡，进而导致“弱”传感器电源过早耗尽而导致节点失效。因此，由于传感器之间的能耗不平衡，最小化总能耗不能有效地延长系统寿命，并且实际上会导致一些过载节点过早地耗尽其电池能量。

技术实现思路

[0004]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，提供一种可控无人机物联网系统中平衡传感器能耗的方法和系统，其能够适当解决传感器之间的能量平衡问题，从而尽可能延长系统寿命。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法，所述无人机物联网系统包括多个传感器和与所述多个传感器分别进行通信的至少一个无人机，所述方法包括以下步骤：
[0006]S1、基于每个传感器的数据载荷计算最小系统节点传输能耗；
[0007]S2、基于每个传感器的剩余节点能量和能耗计算传感器寿命：
[0008]S3、基于公平性指数来描述所述传感器之间的能量公平性；
[0009]S4、基于最大公平性指数、所述最小系统节点传输能耗、所述数据载荷和所述剩余节点能量调节所述传感器的带宽和/或所述无人机的悬停位置以均衡系统能耗和传感器寿命。
[0010]本专利技术解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种无人机物联网系统，包括多个传感器和与所述多个传感器分别进行通信的至少一个无人机，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所述的均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法。
[0011]实施本专利技术的均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法以及无人机物联网系统，通过讨论传感器的数据载荷以及剩余节点能量对传感器最小能耗和寿命的影响，通过调节所述传感器的带宽和/或所述无人机的悬停位置实现传感器的能耗和寿命的
均衡。
附图说明
[0012]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：
[0013]图1是本专利技术的均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法的流程图；
[0014]图2示了图1所示的方法中采用的符号的含义；
[0015]图3示出了包括两个传感器的数据采集系统；
[0016]图4A
‑
4C示出了传感器在不同数据载荷、剩余节点能量下在最大公平性指数时的无人机悬停位置；
[0017]图5A
‑
5C示出了传感器在不同数据载荷、剩余节点能量下在最大公平性指数时的传感器带宽；
[0018]图6A
‑
6C示出了效用函数对传感器带宽、发送功率和寿命的影响；
[0019]图7示出了能效与公平性指数的关系图；
[0020]图8示出了无人机的最佳飞行轨迹的相应搜索算法；
[0021]图9示出了采用块坐标下降法联合优化带宽、功率水平和飞行规定的搜索算法；
[0022]图10示出了无人机在不同公平级别下的飞行轨迹；
[0023]图11示出了随公平级别变化的传感器寿命；
[0024]图12示出了能效和公平的均衡；
[0025]图13示出了本专利技术的另一优选实施例的无人机优化飞行轨迹；
[0026]图14示出了优化后的传感器寿命与α变化的关系示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0028]在本专利技术中，我们假设M个传感器分散在地面上，传感器i的坐标由(x
i
，y
i
)表示，其中1≤i≤M。为了收集地面信息，派遣一架无人机(UAV)从多个传感器收集数据。根据安全规定，我们假设无人机以恒定高度H飞行。无人机投影在地面上的坐标表示为(Ux，Uy)。因此，无人机与传感器i之间的距离为：
[0029][0030]由于无人机高度较高，为了便于说明，我们假设无人机和地面传感器之间的信道符合视距传输模型。此外，假设无人机飞行引起的多普勒效应得到了完美补偿。因此，UAV和传感器i之间的信道功率增益可以通过以下自由空间路径损耗模型来表征：
[0031][0032]其中β0是参考距离d0＝1m处的信道功率。N0表示白噪声功率密度，P
i
表示传感器i的发送功率，B
i
表示传感器i的带宽，则ATG信道容量可写为：
[0033][0034]对于物联网传感器，能效严重影响系统的寿命。因此，给定节点数据量，传统解决方案旨在最小化系统节点总传输能耗，从而最大限度地提高系统能效。然而，如前所述，总能耗的最小化可能会导致传感器之间的能耗不平衡。因此，本专利技术的方法旨在讨论如何均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命。
[0035]图1是本专利技术的均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法的流程图。如图1所示，在步骤S1中，首先基于每个传感器的数据载荷计算最小系统节点传输能耗。
[0036]为了在系统中公平分配能耗，应考虑每个传感器的数据载荷和剩余节点能量。具体而言，总能耗的最小化可表示为：
[0037][0038][0039]0≤P
i
≤P
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0040][0041]其中，A
i
表示传感器i的数据载荷，B
i
表示传感器i的带宽，g
i
表示传感器i的信道增益，N0表示白噪声功率密度，P
i
表示传感器i的发送功率，B表示系统带宽，M表示传感器数量，T表示数据传输时限，P
max
表示传感器的最大发送功率，1≤i≤M，i和M均为正整数；约束式(4)表示系统带宽在M个传感器之间的正交带宽分配，因此内部不存在传输干扰。约束式(5)要求每个传感器的发送功率不得超过最大值P
max
。约束式(6)是性能要求，这意味着每个传感器应在数据传输时限T内上传其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法，所述无人机物联网系统包括多个传感器和与所述多个传感器分别进行通信的至少一个无人机，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、基于每个传感器的数据载荷计算最小系统节点传输能耗；S2、基于每个传感器的剩余节点能量和传输能耗计算传感器寿命：S3、基于公平性指数来描述所述传感器之间的能量公平性；S4、基于最大公平性指数、所述最小系统节点传输能耗、所述数据载荷和所述剩余节点能量调节所述传感器的带宽和/或所述无人机的悬停位置以均衡系统能耗和传感器寿命。2.根据权利要求1所述的均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括以下步骤：S11、根据以下公式基于每个传感器的所述数据载荷计算所述最小系统节点传输能耗：(P1)：(P1)：0≤P
i
≤P
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，A
i
表示传感器i的数据载荷，B
i
表示传感器i的带宽，g
i
表示传感器i的信道增益，N0表示白噪声功率密度，P
i
表示传感器i的发送功率，B表示系统带宽，M表示传感器数量，T表示数据传输时限，P
max
表示传感器的最大发送功率，1≤i≤M，i和M均为正整数；S12、基于计算每个传感器i的发送功率P
i
：S13、将发送功率P
i
带入(P1)以计算所述最小系统节点传输能耗：(P2)：3.根据权利要求2所述的均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括以下步骤：S21、基于每个传感器的所述数据载荷计算每个传感器的每次数据传输的能耗：S22、基于每个所述传感器的剩余节点能量和能耗计算传感器寿命：
4.根据权利要求3所述的均衡无人机物联网系统中传感器的能耗和寿命的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括以下步骤：S31、基于公平...

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