CN104363641A - 基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，包括S1.初始化各节点以及监控中心，各终端采集节点、协调器节点和监控中心通过无线网络组网并对各节点进行地址分配；S2.各终端采集节点处于激活状态后，若各终端采集节点无报警信息和通信信息，则终端采集点进入休眠模式；S3.当某个区域有外界入侵，被入侵区域的终端采集节点恢复为激活状态，终端采集节点并入侵信息上传到协调器节点，并由协调器节点传输到监控中心；S4.当无入侵信息或者通信信息激发时，则终端采集节点重新进入到休眠模式，能够有效避免各监测节点存在过多的数据通信和网络时延，有效均衡整个网络的能量消耗。

Description

基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法

技术领域

本发明涉及数据传输方法，尤其涉及一种基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法。

背景技术

电缆作为电力传输或者通信信号的传输渠道，经常发生被盗现象，传统的方法采用人工巡视，但是巡视周期长，成本高，因此提出了自动报警式的监测系统，比如红外线探测器、电容探测法等，但传统的自动报警式的监测系统通过线路进行数据交互，随着无线网络的发展，因此人们又逐渐提出了无线的监测系统，比如ZigBee网络，其由低功耗、低成本、低数据率等特点可应用于形如电缆沟道的环境，但是电缆沟道的特殊地形状态，使得组建的无线传感器网络呈现链式结构，采用信息的多跳链式传递方式，势必会造成离协调器节点越近的节点数据转发量越高，负载越重，同时，由于入侵事件发生的随机性和事件信息的冗余性，使得节点能量消耗不均衡，从而造成无线监测系统的数据传输的稳定不好，进而导致最终不能准确监测电缆防盗状况。

因此，需要提出一种新的电缆防盗报警信息低功耗的传输方法，能够有效避免各监测节点存在过多的数据通信和网络时延，有效均衡整个网络的能量消耗，保证准确实时地将入侵报警信息传输到监控中心，并有效延长网络的寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，能够有效避免各监测节点存在过多的数据通信和网络时延，有效均衡整个网络的能量消耗，保证准确实时地将入侵报警信息传输到监控中心，并有效延长网络的寿命。

本发明提供的一种基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，包括链式结构的多个用于采集电缆入侵状态的终端采集节点、与终端采集节点连接的协调器节点以及监控中心，所述终端采集节点和协调器节点以ZigBee网络进行数据交互，协调器节点和监控中心通过无线网络进行数据交互；所述方法包括如下步骤：

S1.初始化各节点，各终端采集节点、协调器节点和监控中心通过无线网络组网并对各节点进行地址分配；

S2.各终端采集节点处于激活状态后，若各终端采集节点无报警信息和通信信息，则终端采集点进入休眠模式；

S3.当某个区域有外界入侵，被入侵区域的终端采集节点恢复为激活状态，终端采集节点将入侵信息上传到协调器节点，并由协调器节点传输到监控中心；或

当前终端采集节点被当前终端采集节点以外的终端采集节点选择为路由中转传输节点时，该终端采集节点恢复为激活状态，其他终端采集节点传输的数据转送到协调器节点；

S4.当无入侵信息或者通信信息激发时，则终端采集节点重新进入到休眠模式。

进一步，步骤S2中，各终端采集节点处于激活状态后，在本终端采集节点的通信范围内广播本节点的地址信息并接受前向终端采集节点的节点信息，并根据单跳最大可达距离，建立下一跳的备选节点集。

进一步，步骤S3中，当终端采集节点为一跳的区域存在外界入侵，对于入侵报警信息的传输包括如下步骤：

S31.当存在外界入侵时，最先感应到入侵的终端采集节点被激活，且该终端采集节点采集异常信息，并生成入侵信息数据包；

S32.最先感应到入侵的终端采集节点向前一终端采集节点以及后一终端采集节点广播入侵信息数据包，前一终端采集节点和后一终端采集节点反馈数据包，最先感应到入侵的终端采集节点根据反馈的数据包判断前一终端采集节点和后一终端采集节点是否有入侵发生；

S33.若最先感应到入侵的终端采集节点判断在前一终端采集节点和后一终端采集节点有入侵发生，则确定该一跳的区域内离协调器节点最近的终端采集节点为源节点，且该区域内的其他终端采集节点将入侵报警信息发送到源节点，源节点将入侵报警信息上传到协调器节点；

S34.若最先感应到入侵的终端采集节点判断前一终端采集节点和后一终端采集节点没有入侵发生，则最先感应到入侵的终端采集节点作为源节点并上传入侵报警信息到协调器节点。

进一步，在步骤S33和步骤S34中，源节点上传入侵报警信息包括如下步骤：

S301.激活节点检查下一跳的备选节点集，并定义单跳最大可达距离处节点为边界节点,若边界节点为备选节点集中的协调器节点，则转入步骤S304,否则，激活节点扫描下一跳的备选节点集的能量状态，并计算局部能量均衡指标值δ；

S302.若指标值δ在设定的阈值范围内，则采用多跳传输方式，当前激活节点将RREQ分组沿着网络前向链路传送到边界节点，此时，边界节点被激活，转向步骤S301；

S303.若指标值δ不在设定的阈值范围内，则当前节点的下一跳的备选节点集中最大剩余能量的节点作为下一跳的节点，则当前激活节点采用单跳方式将RREQ分组传送到下一跳节点并激活该节点，转向步骤S301；

S304.协调器节点接收到RREQ分组后就沿着反向路由发送路由回复分组RREP到源节点，并沿途更新中转节点的备选节点集列表信息；

S305.源节点接收到RREP分组后，沿着RREQ分组的路径传输入侵报警信息。

进一步，步骤S301中，局部能量均衡指标值δ根据如下公式计算：

$\mathrm{\δ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(E_i-\stackrel{\‾}{E})}^2}{n}$

其中，n为备选节点集的节点个数，为n个节点的剩余能量均值，且当δ在设定的阈值范围内或者等阈值范围的边界值为局部能量均衡。

进一步，所述终端采集节点为用于检测入侵发生的电缆防盗检测装置，且至少包括用于检测入侵的传感器模块、用于无线传输的ZigBee模块Ⅰ以及中央控制电路，传感器模块向中央控制电路发送信号，中央控制电路通过Zigbee模块Ⅰ上传数据。

进一步，所述协调器节点包括主控单元、ZigBee模块Ⅱ、GPRS模块以及预留接口模块，所述ZigBee模块Ⅱ接收终端采集节点传送的入侵报警信息并发送到主控单元，主控单元将入侵报警信息发送到监控中心，所述预留接口模块与主控单元连接。

本发明的有益效果：本发明能够有效避免各监测节点存在过多的数据通信和网络时延，有效均衡整个网络的能量消耗以及降低数据传输的能量消耗，保证准确实时地将入侵报警信息传输到监控中心，并有效延长网络的寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明的第一实施例的流程图。

图3为本发明的第二实施例的流程图。

图4为本发明入侵报警信息传输的第一示意图。

图5为本发明入侵报警信息传输的第二示意图。

图6为本发明的各节点连接的原理框图。

图7为电缆防盗系统安装的示意图。

具体实施方式

图1为本发明的方法流程图，图2为本发明的第一实施例的流程图，图3为本发明的第二实施例的流程图，图4为本发明入侵报警信息传输的第一示意图，图5为本发明入侵报警信息传输的第二示意图，图6为本发明的各节点的连接的原理框图，图6中仅仅针对一个终端采集节点和一个协调器节点的连接，多个终端采集节点与协调器节点的关系如图4和图5所示，如图所示，本发明提供的一种基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，包括链式结构的多个用于采集电缆入侵状态的终端采集节点、与终端采集节点连接的协调器节点以及监控中心，所述终端采集节点和协调器节点以ZigBee网络进行数据交互，协调器节点和监控中心通过无线网络进行数据交互；所述方法包括如下步骤：

S1.初始化各节点以及监控中心，各终端采集节点、协调器节点和监控中心通过无线网络组网并对各节点进行地址分配，即是说：终端采集节点和协调器节点加入到ZigBee网络中，然后对各节点进行地质分配，；

S2.各终端采集节点处于激活状态后，若各终端采集节点无报警信息和通信信息，则终端采集点进入休眠模式；

S3.当某个区域有外界入侵，被入侵区域的终端采集节点恢复为激活状态，终端采集节点并将入侵信息上传到协调器节点，并由协调器节点传输到监控中心；或

当前终端采集节点被当前终端采集节点以外的终端采集节点选择为路由中转传输节点时，该终端采集节点恢复为激活状态，并其他终端采集节点传输的数据转送到协调器节点；

S4.当无入侵信息或者通信信息激发时，则终端采集节点重新进入到休眠模式；本发明能够有效避免各监测节点存在过多的数据通信和网络时延，有效均衡整个网络的能量消耗，保证准确实时地将入侵报警信息传输到监控中心，并有效延长网络的寿命。

如图7所示，以变电站一条T字型的电缆沟道为例，共有1#，2#，3#三条电缆沟道，电缆沟道的每个井盖入口处下方安装一个终端采集节点，并且在每条沟道的一端安装一个协调器节点，也就是说，一个协调器节点是对应多个终端采集节点的，鉴于电缆沟道实际特殊的地理环境，终端采集节点组成链式的传感器网络，协调器节点负责处理和向上传报警信息，也就是说：终端采集节点为最下层，协调器节点为第二层，监控中心为最高层，并且终端采集节点向协调器节点发送信息。

本实施例中，如图4和图5所示，n1为协调器节点，n2-n8共7个终端采集节点为例，且将n1-n8均简称为节点，步骤S2中，各终端采集节点处于激活状态后，即是说n1-n8节点均处于激活状态，在本终端采集节点的通信范围内广播本节点的地址信息并接受前向终端采集节点的节点信息，并根据单跳最大可达距离dmax，建立下一跳的备选节点集，其中，备选节点集均为前向节点，其中以一个d的距离为一跳，两个节点之间的即为一跳，加入单跳的最大距离dmax为4d，那么n7的在单跳最大距离4d的情况下，备选的节点集为n3-n6共四个节点，若n1-n7没有采集到入侵信息，也没有接收到其他节点发送的通信信息，那么n1-n7均进入到休眠模式，其中n1到n7仅仅是指其中央控制电路进入到休眠模式。

本实施例中，如图2所示和图4所示，步骤S3中，当终端采集节点为一跳的区域存在外界入侵，被入侵的区域亦可称为事件区域，以n6、n7和n8三个节点为事件区域对于入侵报警信息的传输包括如下步骤：

如图4(a)所示，S31.当存在外界入侵时，最先感应到入侵的终端采集节点被激活，且该终端采集节点采集异常信息，并生成入侵信息数据包；

S32.最先感应到入侵的终端采集节点向前一终端采集节点以及后一终端采集节点广播入侵信息数据包，前一终端采集节点和后一终端采集节点反馈数据包，并最先感应到入侵的终端采集节点根据反馈的数据包判断前一终端采集节点和后一终端采集节点是否有入侵发生；

S33.若最先感应到入侵的终端采集节点判断在前一终端采集节点和后一终端采集节点有入侵发生，则确定该一跳的区域内离协调器节点最近的终端采集节点为源节点，且该区域内的其他终端采集节点将入侵报警信息发送到源节点，源节点将入侵报警信息上传到协调器节点；

S34.若最先感应到入侵的终端采集节点判断前一终端采集节点和后一终端采集节点没有入侵发生，则最先感应到入侵的终端采集节点作为源节点并上传入侵报警信息到协调器节点。

如图4(a)所示，n1为协调器节点，n2-n8共7个终端采集节点为例，且将n1-n8均简称为节点，比如节点n7最先检测到入侵发生，那么节点n7将入侵报警信息生成数据包，且该数据包为入侵通知数据包，并且n7向前一节点n6和后一节点n8发送入侵通知数据包，节点n7通过前一节点n6和后一节点n8对入侵通知数据包的应答(即反馈数据包或者反馈信息)判断在本区域内(或者邻域内)的采集终端节点(n7和n8)是否有入侵发生，如果节点n6和节点n8均由检测到入侵发生，那么节点n7具有编码机会，即是说：节点n6和节点n8能够作为源节点，那么此时，选择里协调器节点最近的节点n6作为源节点(或者称为事件簇头节点)，同时，节点n7和节点n8将入侵报警信息发送到节点n6，然后由节点n6上传入侵报警信息，其中，节点n6采用基于机会的网络编码感知(cope)机制融合入侵报警信息数据包，并进行上传；

其中，节点n6、节点n7和节点n8数据分组进行异或编码可以认为是数据分组剔除的冗余信息，进行重新组合后形成新的数据分组。

从上述可知：这三个节点(指n6、n7和n8)发送入侵报警信息就只需要1/3的发送代价，定义源节点需要转发n个数据分组在节点ni的编码代价函数为：

若节点ni将k比特数据包发送到d米的能耗为E_Tx(n_i)，接受一个k比特的数据包的能耗为E_Rx(n_i)，那么由于ni处编码的影响，最终，k比特数据包在ni处的总能耗为：TE(n_i)＝E_Tx(n_i)*Cost(n_i)+E_Rx(n_i)，因此，通过上述的数据传送原理，能够有效减少数据发送的能耗。

如图4(b)所示，节点n7的事件范围内的后一节点没有感知到入侵发生，则节点n6只融合n7的信息进行上传。

如图4(c)所示节点n7的事件范围内其他节点没有感知到入侵发生，n7为源节点，其中，每次入侵报警信息的上传，终端采集节点可以为一个或者多个，但是源节点仅仅只有一个。

本实施例中，在步骤S33和步骤S34中，源节点上传入侵报警信息包括如下步骤：

S301.激活节点检查下一跳的备选节点集，并定义单跳最大可达距离处节点为边界节点,若边界节点为备选节点集中的协调器节点，在图4(c)中，在本实施例的链路中，节点的单跳最大可达距离dmax为4d，1个d为一跳的距离；被激活的节点首先检查下一跳的备选节点集，还是以节点n7为例，以单跳最大可达距离dmax处为边界节点，图5(a)中，n7的下一跳备选节点集包括节点(n6、n5、n4、n3)，图5(b)中，节点n6的下一跳备选节点集为(n5、n4、n3、n2)，若备选的边界节点为协调器节点，如图5(c)所示，节点n4的下一跳备选节点集包括(n3、n2、n1)，而n1节点即是协调器节点，则转入步骤S304,否则，当前激活节点扫描下一跳的备选节点集的能量状态，并计算局部能量均衡指标值δ；

其中，局部能量均衡指标值δ根据如下公式计算：

$\mathrm{\δ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(E_i-\stackrel{\‾}{E})}^2}{n}$

其中，n为备选节点集的节点个数，为n个节点的剩余能量均值，且当δ在设定的阈值范围内或者等阈值范围的边界值为局部能量均衡,在图3中，用β表示阈值；

S302.若指标值δ在设定的阈值范围内，即是说局部能量均衡，则采用多跳传输方式，如图4(a)中所示，当前节点将RREQ分组沿着网络前向链路传送到边界节点，此时，边界节点被激活，转向步骤S301；

S303.若指标值δ不在设定的阈值范围内，则当前激活节点的下一跳的备选节点集中最大剩余能量的节点作为下一跳的节点，则被激活的节点采用单跳方式将RREQ分组传送到下一跳节点并激活该节点，转向步骤S301；其中，RREQ是路由请求分组，如图4(b)-图4(c)以及图5(a)-图5(d)中所示，仍然以n7节点为例，n7节点的前向链路的能量不均衡，则节点n7将RREQ分组传送到最大剩余能量的n6节点，此时，节点n6被激活，转步骤S301，再次对n6的备选节点集进行判断，节点n6的前向链路的局部能量也不均衡，选择最大剩余能量的节点n4作为下一跳节点，节点n6采用单跳方式将RREQ分组传递下一跳节点n4，此时节点n4被激活；

S304.协调器节点接收到RREQ分组后就沿着反向路由发送路由回复分组RREP到源节点，并沿途更新中转节点的备选节点集列表信息；

S305.源节点接收到RREP分组后，沿着RREQ分组的路径传输入侵报警信息，其中，RREP是路由应答分组。

本实施例中，所述终端采集节点为用于检测入侵发生的电缆防盗检测装置，且至少包括用于检测入侵的传感器模块、用于无线传输的ZigBee模块Ⅰ以及中央控制电路，传感器模块向中央控制电路发送信号，中央控制电路通过Zigbee模块Ⅰ上传数据，所述传感器模块包括多个测量入侵的传感器，比如震动传感器，光敏传感器，中央控制电路采用现有的芯片或者单片机。

本实施例中，所述协调器节点包括主控单元、ZigBee模块Ⅱ、GPRS模块以及预留接口模块，所述ZigBee模块Ⅱ接收终端采集节点传送的入侵报警信息并发送到主控单元，主控单元将入侵报警信息发送到监控中心，所述预留接口模块与主控单元连接，所述主控单元可以采用现有的芯片、单片机或者微控制器，通过GPRS模块，方便协调器节点将入侵报警信息发送到监控中心，其中，监控中心可以为监控电脑或者工作人员的手机，终端采集节点和协调器节点均通过ZigBee模块实现信息的传递，预留接口模块用于后续的扩展，通过上述的终端采集节点和协调器节点，能够实现无线数据的传输及报警，避免了繁复的线路连接，降低使用成本，当然，协调器节点还可以采用以太网模块与监控中心进行数据交互。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，其特征在于：包括链式结构的多个用于采集电缆入侵状态的终端采集节点、与终端采集节点连接的协调器节点以及监控中心，所述终端采集节点和协调器节点以ZigBee网络进行数据交互，协调器节点和监控中心通过无线网络进行数据交互；所述方法包括如下步骤：

S1.初始化各节点以及监控中心，各终端采集节点、协调器节点和监控中心通过无线网络组网并对各节点进行地址分配；

S2.各终端采集节点处于激活状态后，若各终端采集节点无报警信息或通信信息，则终端采集点进入休眠模式；

S3.当某个区域有外界入侵，被入侵区域的终端采集节点恢复为激活状态，终端采集节点将入侵信息上传到协调器节点，并由协调器节点传输到监控中心；或

当前终端采集节点被当前终端采集节点以外的终端采集节点选择为路由中转传输节点时，该终端采集节点恢复为激活状态，且其他终端采集节点传输的数据转送到协调器节点；

S4.当无入侵信息或者通信信息激发时，则终端采集节点重新进入到休眠模式。

2.根据权利要求1所述基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，其特征在于：步骤S2中，各终端采集节点处于激活状态后，在本终端采集节点的通信范围内广播本节点的地址信息并接受前向终端采集节点的节点信息，并根据单跳最大可达距离，建立下一跳的备选节点集。

3.根据权利要求2所述基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，其特征在于：步骤S3中，当终端采集节点为一跳的区域存在外界入侵，对于入侵报警信息的传输包括如下步骤：

S31.当存在外界入侵时，最先感应到入侵的终端采集节点被激活，且该终端采集节点采集异常信息，并生成入侵信息数据包；

S32.最先感应到入侵的终端采集节点向前一终端采集节点以及后一终端采集节点广播入侵信息数据包，前一终端采集节点和后一终端采集节点反馈数据包，最先感应到入侵的终端采集节点根据反馈的数据包判断前一终端采集节点和后一终端采集节点是否有入侵发生；

S33.若最先感应到入侵的终端采集节点判断在前一终端采集节点和后一终端采集节点有入侵发生，则确定该一跳的区域内离协调器节点最近的终端采集节点为源节点，且该区域内的其他终端采集节点将入侵报警信息发送到源节点，源节点将入侵报警信息上传到协调器节点；

S34.若最先感应到入侵的终端采集节点判断前一终端采集节点和后一终端采集节点没有入侵发生，则最先感应到入侵的终端采集节点作为源节点并上传入侵报警信息到协调器节点。

4.根据权利要求3所述基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，其特征在于：在步骤S33和步骤S34中，源节点上传入侵报警信息包括如下步骤：

S301.激活节点检查下一跳的备选节点集，并定义单跳最大可达距离处节点为边界节点,若边界节点为备选节点集中的协调器节点，则转入步骤S304,否则，当前激活节点扫描下一跳的备选节点集的能量状态，并计算局部能量均衡指标值δ；

S302.若指标值δ在设定的阈值范围内，则采用多跳传输方式，当前激活节点将RREQ分组沿着网络前向链路传送到边界节点，此时，边界节点被激活，转向步骤S301；

S303.若指标值δ不在设定的阈值范围内，则当前激活节点最大剩余能量的的节点作为下一跳的节点，则被激活的节点采用单跳方式将RREQ分组传送到下一跳节点并激活该节点，转向步骤S301；

S304.协调器节点接收到RREQ分组后就沿着反向路由发送路由回复分组RREP到源节点，并沿途更新中转节点的备选节点集列表信息；

S305.源节点接收到RREP分组后，沿着RREQ分组的路径传输入侵报警信息。

5.根据权利要求4所述基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，其特征在于：步骤S301中，局部能量均衡指标值δ根据如下公式计算：

$\mathrm{\δ}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(E_i-\stackrel{\‾}{E})}^2}{n}$

其中，n为备选节点集的节点个数，为n个节点的剩余能量均值，且当δ在设定的阈值范围内或者等阈值范围的边界值为局部能量均衡。

6.根据权利要求1所述基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，其特征在于：所述终端采集节点为用于检测入侵发生的电缆防盗检测装置，且至少包括用于检测入侵的传感器模块、用于无线传输的ZigBee模块Ⅰ以及中央控制电路，传感器模块向中央控制电路发送信号，中央控制电路通过Zigbee模块Ⅰ上传数据。

7.根据权利要求1所述基于无线网络的电力电缆防盗报警信息低功耗传输方法，其特征在于：所述协调器节点包括主控单元、ZigBee模块Ⅱ、GPRS模块以及预留接口模块，所述ZigBee模块Ⅱ接收终端采集节点传送的入侵报警信息并发送到主控单元，主控单元将入侵报警信息发送到监控中心，所述预留接口模块与主控单元连接。