CN108737980A - 一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，包括数据转发器、无线传感器网络以及由多个数据校验节点组成的数据校验平台；所述的无线传感器网络用于对电力变压器室环境进行监测，获取电力变压器室环境数据并发送至数据转发器，无线传感器网络包括用于采集电力变压器室环境数据的多个传感器节点和用于与数据转发器通信的基站；所述数据转发器在接收到基站发送的电力变压器室环境数据后，转发至所述数据校验平台；所述数据校验平台中的多个数据校验节点负责对所述数据转发器转发的所述电力变压器室环境数据进行校验并保存；各所述数据校验节点为区块链节点，多个所述数据校验节点组成一个分布式数据库。

Description

一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理 系统

技术领域

本发明涉及电力变压器室环境监测领域，具体涉及一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统。

背景技术

相关技术中，电力变压器在安全可靠性方而还存在一些问题。主要是由于电力变压器所在的变电站一般运行在户外，变压器容易受到外界环境的影响。变压器室的温度若超过一定限度，则会影响出力。为了保护变压器免受外界环境的影响，需要对变压器室进行实时环境监测。现有的监测装置采用有线的方式布置监测设备，然而传输范围有限，布线繁琐，可扩展性不足，传输方式单一，实用效果不好。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，包括数据转发器、无线传感器网络以及由多个数据校验节点组成的数据校验平台；所述的无线传感器网络用于对电力变压器室环境进行监测，获取电力变压器室环境数据并发送至数据转发器，无线传感器网络包括用于采集电力变压器室环境数据的多个传感器节点和用于与数据转发器通信的基站；所述数据转发器在接收到基站发送的电力变压器室环境数据后，转发至所述数据校验平台；所述数据校验平台中的多个数据校验节点负责对所述数据转发器转发的所述电力变压器室环境数据进行校验并保存；各所述数据校验节点为区块链节点，多个所述数据校验节点组成一个分布式数据库。

进一步地，系统还包括认证中心，认证中心对所述数据转发器、所述传感器节点、基站和所述数据校验节点进行授权认证。

优选地，传感器节点在通过认证中心的授权认证后成为合法传感器节点，并获取唯一的传感器节点数字证书和对称密钥；基站在通过认证中心的授权认证后成为合法基站，并获取唯一的基站数字证书和对称密钥；所述数据转发器在通过认证中心的授权认证后，获取唯一的数据转发器数字证书和对称密钥；所述数据校验节点在通过认证中心的授权认证后成为合法数据校验节点，并获取唯一的公钥、私钥、数据校验节点数字证书和对称密钥；所述公钥，用于通过所述数据转发器向所述数据校验平台和所述无线传感器网络广播；所述私钥，用于通过人为在所述数据校验节点间共享。

本发明的有益效果为：采用无线传感器网络技术获取电力变压器室环境数据，无需布线，节省人力物力，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用；利用数据校验节点来完成数据校验任务，将校验工作从数据转发器分发给校验节点，可以克服由于校验任务过于集中而带来的校验效率低、速度慢、传输时延高、易受攻击等问题。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明一个示例性实施例的系统结构连接框图；

图2是本发明一个示例性实施例的数据处理平台的结构示意图。

附图标记：

数据转发器1、无线传感器网络2、数据校验平台3、数据处理平台4、预处理单元10、聚类处理单元20、存储单元30。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供了一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，包括数据转发器1、无线传感器网络2以及由多个数据校验节点组成的数据校验平台3；所述的无线传感器网络2用于对电力变压器室环境进行监测，获取电力变压器室环境数据并发送至数据转发器1，无线传感器网络2包括用于采集电力变压器室环境数据的多个传感器节点和用于与数据转发器通信的基站；所述数据转发器1在接收到基站发送的电力变压器室环境数据后，转发至所述数据校验平台3；所述数据校验平台3中的多个数据校验节点负责对所述数据转发器1转发的所述电力变压器室环境数据进行校验并保存；各所述数据校验节点为区块链节点，多个所述数据校验节点组成一个分布式数据库。

进一步地，如图1、图2所示，系统还包括与数据校验平台3连接的数据处理平台4，所述数据处理平台4用于对校验后的电力变压器室环境数据依次进行预处理、聚类处理，将聚类处理后的电力变压器室环境数据存入存储单元。所述数据处理平台4包括依次连接的预处理单元10、聚类处理单元20和存储单元30。

进一步地，系统还包括认证中心，认证中心对所述数据转发器1、所述传感器节点、基站和所述数据校验节点进行授权认证。在一个实施例中，传感器节点在通过认证中心的授权认证后成为合法传感器节点，并获取唯一的传感器节点数字证书和对称密钥；基站在通过认证中心的授权认证后成为合法基站，并获取唯一的基站数字证书和对称密钥；所述数据转发器1在通过认证中心的授权认证后，获取唯一的数据转发器1数字证书和对称密钥；所述数据校验节点在通过认证中心的授权认证后成为合法数据校验节点，并获取唯一的公钥、私钥、数据校验节点数字证书和对称密钥；所述公钥，用于通过所述数据转发器1向所述数据校验平台3和所述无线传感器网络2广播；所述私钥，用于通过人为在所述数据校验节点间共享。

本发明上述实施例采用无线传感器网络技术获取电力变压器室环境数据，无需布线，节省人力物力，可扩展性好，适合构建大规模的监测系统，适合推广应用；利用数据校验节点来完成数据校验任务，将校验工作从数据转发器1分发给校验节点，可以克服由于校验任务过于集中而带来的校验效率低、速度慢、传输时延高、易受攻击等问题。

在一个实施例中，预处理单元10用于对电力变压器室环境数据进行预处理，具体为：对存在0值或负值的电力变压器室环境数据进行预处理，将0值或负值替换为预先设定的替代值。本实施例能够防止电力变压器室环境数据中的0值或负值对后续的电力变压器室环境数据聚类处理造成影响。聚类处理单元20对预处理后的电力变压器室环境数据进行聚类，并将聚类后的电力变压器室环境数据发送至存储单元30进行存储。其中，聚类的方法采用现有的聚类算法，如K-means聚类算法等。

在一个实施例中，无线传感器网络2中，基站汇聚传感器节点采集的电力变压器室环境数据，并将汇聚的电力变压器室环境数据通过数据转发器1转发至数据校验平台3，网络初始化或基站重新构建多路径路由时，基站向网络中的传感器节点广播邻居列表构建消息，传感器节点在收到的邻居列表构建消息时执行：

(1)检查邻居列表构建消息中上一跳传感器节点的标识是否在自己的邻居列表中，若不在，则添加该上一跳传感器节点到邻居列表，若存在，则丢弃邻居列表构建消息；

(2)检查邻居列表构建消息中路由列表是否包含本传感器节点，若没有则将自身的标识添加到邻居列表构建消息的路由列表中，否则丢弃该邻居列表构建消息；当网络中无邻居列表构建消息转发或超过设定的时间阈值时，每个传感器节点都存储了本传感器节点到基站的多条路由路径。

在一个实施例中，传感器节点根据路由路径的优选值由大到小的顺序对所存储的其到基站的多条路由路径进行排序，形成自身的路由路径列表，并在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行电力变压器室环境数据包的发送，其中，由传感器节点计算所存储的其到基站的各条路由路径的优选值，设W_ij为第j条传感器节点i到基站的路由路径的优选值，W_ij的计算公式为：

式中，V_ij为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点个数，M为部署的传感器节点个数，Q为设定的调节因子，为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点的平均剩余能量，P_ij-min为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点中的最小剩余能量，P_i为传感器节点i的剩余能量。

本实施例创新性地提出了优选值的概念，基于路径长短和能量因素进行考虑，设定了优选值的计算公式，为评判路由路径的优劣提供了一个较好的衡量指标。由优选值的计算公式可知，所包含的传感器节点个数越少，而平均剩余能量和最小能量越多的路由路径将具有较大的优选值，这意味着采用优选值越大的路由路径进行电力变压器室环境数据传输，则传输电力变压器室环境数据的过程中能量消耗将更少且更有保障。

本实施例的传感器节点根据路由路径的优选值由大到小的顺序对所存储的其到基站的多条路由路径进行排序，形成自身的路由路径列表，并在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行电力变压器室环境数据包的发送，有利于节省电力变压器室环境数据传输的能耗，降低电力变压器室环境数据采集及处理系统的通信成本。

由于传感器节点的剩余能量不是一成不变的，设定传感器节点定期计算自身路由路径列表中各条路由路径的优选值，并相应调整各条路由路径在路由路径列表中的排序。

在一个实施例中，传感器节点在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行电力变压器室环境数据包的发送，具体包括：

(1)传感器节点发送一个电力变压器室环境数据包时，当路由路径列表中的路由路径个数大于设定的门限值n时，传感器节点在其路由路径列表中选择前n个路由路径，将电力变压器室环境数据包拆分成n个数据项，给每个数据项按1～n进行编号，并给每个数据项从所述前n个路由路径中选择一个不同的路由路径进行发送，并记录下每个数据项所选择的路由路径；

当路由路径列表中的路由路径个数不大于设定的门限值n时，传感器节点在其路由路径列表中选择第一个路由路径进行电力变压器室环境数据传输；

(2)下一跳的传感器节点k在接收到上一跳传感器节点发送的数据项时，在上一跳传感器节点选择的路由路径中找到自身的标志ID_k，将数据项转发给标志为ID_k+1的传感器节点，以此类推，直至所有数据项传送到基站；

(3)基站记录接收到的数据项个数r以及相应的数据项编号，并根据r值执行相应操作，具体为：

若r＝n，基站将不进行任何信息反馈；

若n-μ≤r<n，基站随机选择一条已接收数据项的路由路径发送一个反馈通知消息给始发数据项的传感器节点，反馈通知消息包括已接收到的数据项的编号，其中μ为设定的个数阈值，且满足基站只要收到不少于μ个数据项便能还原出原始电力变压器室环境数据包的条件；

若r<n-μ，基站重新构建多路径路由；

(4)在设定的时间周期内，始发数据项的传感器节点收到来自基站的反馈通知消息时，则对反馈通知消息中不包括的数据项的编号所在的路由路径进行标记，当标记次数达到设定的标记次数阈值时，传感器节点将对应的路由路径从路由路径列表中删除。

本实施例设定了传感器节点的路由路径选择传输机制，该机制中传感器节点在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行电力变压器室环境数据包的发送，在网络中可能存在恶意节点的情况下，能够有效减少路由路径中恶意节点带来的破坏。

本实施例在传感器节点发送电力变压器室环境数据时，通过路由路径个数的大小自适应地将电力变压器室环境数据拆分成多个数据项，每个数据项从不同的路由路径进行传输，能够有效降低电力变压器室环境数据包被恶意节点整体拦截的概率；该机制还建立了汇聚节点接收数据的反馈机制，传感器节点根据汇聚节点的反馈对出错的路由路径进行删除，极大程度上提高了电力变压器室环境数据传输的可靠性和安全性。

在一个实施例中，网络每运行一个时间段后，基站计算各传感器节点的信任值H_i，当H_i小于设定的信任值阈值时，基站将对应的传感器节点i判定为恶意节点，并向所有传感器节点广播恶意节点的标识，各传感器节点将包含该恶意节点的路由路径从自己的路由路径列表中删除；

其中，传感器节点的信任值H_i的计算公式为：

式中，H_i(t)表示传感器节点i在网络运行的第t个时间段的信任值，H_i(t-1)为传感器节点i在网络运行的第t-1个时间段的信任值，每个传感器节点皆设有初始信任值，x为设定的信任值衰减系数，Z_i为传感器节点i的邻居节点个数，b_c为传感器节点i的第c个邻居节点在前一个时间段内删除的路由路径中包含传感器节点i的路由路径数目，B_c为传感器节点i的第8个邻居节点在前一个时间段内删除的路由路径数目。

本实施例创造性地通过基站对各传感器节点的信任值进行定期检测，其中仅仅利用传感器节点原有的路由路径信息以及在运行过程中删除的路由路径的信息来判定传感器节点的受信任程度，具备一定的鲁棒性，且无需收集更多关于传感器节点的其他信息就能进行恶意节点的判断，简单便捷。

本实施例的传感器节点将包含判定的恶意节点的路由路径从自己的路由路径列表中删除，有利于进一步提高电力变压器室环境数据传输的可靠性和安全性，能够有效延长电力变压器室环境数据收集的工作周期，提高无线传感器网络2的寿命。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，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实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，其特征是，包括数据转发器、无线传感器网络以及由多个数据校验节点组成的数据校验平台；所述的无线传感器网络用于对电力变压器室环境进行监测，获取电力变压器室环境数据并发送至数据转发器，无线传感器网络包括用于采集电力变压器室环境数据的多个传感器节点和用于与数据转发器通信的基站；所述数据转发器在接收到基站发送的电力变压器室环境数据后，转发至所述数据校验平台；所述数据校验平台中的多个数据校验节点负责对所述数据转发器转发的所述电力变压器室环境数据进行校验并保存；各所述数据校验节点为区块链节点，多个所述数据校验节点组成一个分布式数据库。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，其特征是，还包括认证中心，认证中心对所述数据转发器、所述传感器节点、基站和所述数据校验节点进行授权认证。

3.根据权利要求2所述的一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，其特征是，传感器节点在通过认证中心的授权认证后成为合法传感器节点，并获取唯一的传感器节点数字证书和对称密钥；基站在通过认证中心的授权认证后成为合法基站，并获取唯一的基站数字证书和对称密钥；所述数据转发器在通过认证中心的授权认证后，获取唯一的数据转发器数字证书和对称密钥；所述数据校验节点在通过认证中心的授权认证后成为合法数据校验节点，并获取唯一的公钥、私钥、数据校验节点数字证书和对称密钥；所述公钥，用于通过所述数据转发器向所述数据校验平台和所述无线传感器网络广播；所述私钥，用于通过人为在所述数据校验节点间共享。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，其特征是，无线传感器网络中，基站汇聚传感器节点采集的电力变压器室环境数据，并将汇聚的电力变压器室环境数据通过数据转发器转发至数据校验平台；网络初始化或基站重新构建多路径路由时，基站向网络中的传感器节点广播邻居列表构建消息，传感器节点在收到的邻居列表构建消息时执行：

(1)检查邻居列表构建消息中上一跳传感器节点的标识是否在自己的邻居列表中，若不在，则添加该上一跳传感器节点到邻居列表，若存在，则丢弃邻居列表构建消息；

(2)检查邻居列表构建消息中路由列表是否包含本传感器节点，若没有则将自身的标识添加到邻居列表构建消息的路由列表中，否则丢弃该邻居列表构建消息；

当网络中无邻居列表构建消息转发或超过设定的时间阈值时，每个传感器节点都存储了本传感器节点到基站的多条路由路径。

5.根据权利要求4所述的一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，其特征是，传感器节点根据路由路径的优选值由大到小的顺序对所存储的其到基站的多条路由路径进行排序，形成自身的路由路径列表，并在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行电力变压器室环境数据包的发送。

6.根据权利要求5所述的一种基于区块链技术的电力变压器室环境数据采集及处理系统，其特征是，传感器节点在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行电力变压器室环境数据包的发送，具体包括：

(1)传感器节点发送一个电力变压器室环境数据包时，当路由路径列表中的路由路径个数大于设定的门限值n时，传感器节点在其路由路径列表中选择前n个路由路径，将电力变压器室环境数据包拆分成n个数据项，给每个数据项按1～n进行编号，并给每个数据项从所述前n个路由路径中选择一个不同的路由路径进行发送，并记录下每个数据项所选择的路由路径；

当路由路径列表中的路由路径个数不大于设定的门限值n时，传感器节点在其路由路径列表中选择第一个路由路径进行电力变压器室环境数据传输；

(2)下一跳的传感器节点k在接收到上一跳传感器节点发送的数据项时，在上一跳传感器节点选择的路由路径中找到自身的标志ID_k，将数据项转发给标志为ID_k+1的传感器节点，以此类推，直至所有数据项传送到基站；

(3)基站记录接收到的数据项个数r以及相应的数据项编号，并根据r值执行相应操作，具体为：

若r＝n，基站将不进行任何信息反馈；

若n-μ≤r<n，基站随机选择一条已接收数据项的路由路径发送一个反馈通知消息给始发数据项的传感器节点，反馈通知消息包括已接收到的数据项的编号，其中μ为设定的个数阈值，且满足基站只要收到不少于μ个数据项便能还原出原始电力变压器室环境数据包的条件；

若r<n-μ，基站重新构建多路径路由；

(4)在设定的时间周期内，始发数据项的传感器节点收到来自基站的反馈通知消息时，则对反馈通知消息中不包括的数据项的编号所在的路由路径进行标记，当标记次数达到设定的标记次数阈值时，传感器节点将对应的路由路径从路由路径列表中删除。