CN109040954A - 一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统及其路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统及其路由方法。结合无线传感器网络对杆塔状态进行监测，很好的克服了人工巡检的缺点，设计合理，易于部署，智能化程度高，能实时/定时采集杆塔的杆状数据并及时将杆塔的状态并传给监控中心；同时采用自定义的三维多跳路由协议，能有效的降低节点能量，均衡整个网络的能量，很大程度上延长网络的寿命。

Description

一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统及其路由方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统及其路由方法。
背景技术
目前，无线传感器网络已经运用到杆塔状态监测领域，逐渐代替了以前繁琐的人工巡检法，但现在监测系统基本都是重点考虑监测数据的准确，本没有考虑监测系统寿命的长短，而对于大部分杆塔都是处于大山之中，对于监测设备的更换十分困难。传统的监测系统数据传输基本都是采用平面二维路由算法，这样没有考虑杆塔所处的实际三维环境，这样监测系统在传输数据时会产生大量的能量消耗，这样会使得监测系统使用寿命的变短，大大增加监测成本。目前三维主要运用于水下监测它与杆塔三维分布有很大的不同，因此不适用于杆塔监测系统。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统及其路由方法解决了的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统，包括无线传感器网络终端节点、网关和监控中心，所述无线传感器网络终端节点之间相互通信连接，每个所述无线传感器网络终端节点均通过网关与监控中心相连；
所述无线传感器网络终端节点用于采集杆塔的数据，接收网关传来的命令并通过节点上的RF模块将杆塔数据以多跳路由的方式发送到对应的网关；
所述网关用于对接收到的数据进行处理，并通过internet网络与监控中心相互通信；
所述监控中心包括服务器和上位机，所述服务器用于接收网关传来的数据并进行处理，将处理后的数据显示到上位机。
一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统的路由方法，包括以下步骤：
S1、确定监测区域的范围，将该范围内确定的杆塔位置构成一个不规则的三维拓扑结构，并通过笛卡尔坐标表示无线传感器节点的位置；
S2、将监测区域内位于最高点的杆塔设置为sink节点，并将该范围内的所有无线传感器节点向上采用多跳路由的方式向sink节点传输数据；
S3、选择传感器节点i的下一跳有效节点j，并计算节点i到节点j的距离、节点i到sink节点的距离dis和跳数、直线ij与直线is的夹角；
S4、通过节点i和节点j的距离计算节点i传输K比特数据到节点j的总能耗、节点剩余能量和发射功率；
S5、通过S3和S4的计算结果计算t时刻节点i到节点j路径上的启发因子和信息素；
S6、通过t时刻节点i到节点j路径上的启发因子和信息素计算节点i上的蚂蚁k到下一跳节点j的转移概率；
S7、通过转移概率选择下一跳节点，并进行迭代找出节点i到sink节点的最佳路径。
进一步地：所述步骤S3中节点i和节点j距离dij的计算公式为：
在公式(1)中，ix为节点i的横坐标，jx为节点j的横坐标，iy为节点i的纵坐标，jy为节点j的纵坐标，iz为节点i的竖坐标，jz为节点j的竖坐标。
进一步地：所述步骤S4中节点i传输K比特数据到节点j的总能耗和节点的剩余能量Eresidue的计算公式为：
Eresidue＝Einit-Eexpend (3)
上式中，为节点i传输K比特数据到节点j的损耗，m1为与电子特性有关的常数，α为传输损耗系数，为节点i到节点j的发射功率，为节点接收K比特数据的能耗，D为节点密度，lre为节点的接收功率，2Kε为节点i与节点j处理数据的能耗，ε为节点处理1比特数据所消耗的能量，Einit为节点的初始能量，Eexpend为节点消耗的能量，
进一步地：所述步骤S5中t时刻节点i到节点j路径上的启发因子μij(t)和信息素Tij(t)的计算公式为：
上式中，λ0、λ1、λ2均为调节系数，dis为节点i与sink节点的距离，θ为直线ij和直线is的夹角，djs为节点j到sink节点的距离，Eresidue(t)为t时刻节点j的剩余能量，Eavg(t)为t时刻节点i通信范围内所有节点能量的平均值，En(t)为t时刻n节点的剩余能量，N为节点i传输半径内所有的节点数，Q为节点最大通信范围的信号强度，r为节点的最大传输半径，ρ为信息素蒸发率，0≤ρ≤1，Eor为节点所具有的初始能量，m为蚂蚁的数量，MECk(t)为最小能耗路由，totalk(t)为蚂蚁k从节点i到sink节点的总跳数，(dij*sinθ)k为蚂蚁k在本次循环中经过路径(i,j)到直线is的垂线，ΔTij(t)为t时刻信息素在路径(i,j)上的增量，ΔTij(0)＝c2，为t时刻第k只蚂蚁搜索过程中在路径(i,j)上的信息素增量，c2和c3均为常数。
进一步地：所述步骤S6中节点i上的蚂蚁k到下一跳节点j的转移概率的计算公式为：
在公式(6)中，α和β分别为控制信息素和启发因子相对重要性的参数，α≥0，β≥0，M为蚂蚁k下一步可以选择的节点集合，该集合为节点通信内上半球所有节点的集合，Tis(t)为t时刻节点i到sink节点路径上的信息素，μis(t)为t时刻节点i到sink节点路径上的启发因子。
本发明的有益效果为：在本发明中，结合无线传感器网络对杆塔状态进行监测，很好的克服了人工巡检的缺点，设计合理，易于部署，智能化程度高，能实时/定时采集杆塔的杆状数据并及时将杆塔的状态并传给监控中心；同时采用自定义的三维多跳路由协议，能有效的降低节点能量，均衡整个网络的能量，很大程度上延长网络的寿命。
本发明根据山区杆塔所处的位置为杆塔监测系统的数据传输提供一个三维多跳传输路径，相比于采用传统的二维多跳路由协议的杆塔监测系统，本发明可以很大程度上降低数据在传输时消耗的能量，延长杆塔监测系统的生命周期，节约大量的成本。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2为本发明方法流程图；
图3为本发明路由示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统，包括无线传感器网络终端节点、网关和监控中心，所述无线传感器网络终端节点之间相互通信连接，每个所述无线传感器网络终端节点均通过网关与监控中心相连；
所述无线传感器网络终端节点用于采集杆塔的数据，接收网关传来的命令并通过节点上的RF模块将杆塔数据以多跳路由的方式发送到对应的网关，终端节点硬件结构包括高精度沉降仪、倾角传感器、微处理器CC2650、滤波模块、功率放大模块、天线、电源；
所述网关用于对接收到的数据进行处理，并通过internet网络与监控中心相互通信，网关硬件结构包括射频接收模块、微处理器STM32F103RCT6、以太网模块、存储模块、显示模块、按键模块、电源；
所述监控中心包括服务器和上位机，所述服务器用于接收网关传来的数据并进行处理，将处理后的数据显示到上位机。
本发明的工作过程为：
当监控中心需查看某个区域杆塔的状态时，系统包括四个阶段：入网、数据采集、数据路由、后台数据处理。
入网阶段包括网关入网和节点入网。
网关入网流程：网关向服务器发起连接请求，服务器收到网关发起的连接信息进行认证后，查看是否在服务网关列表中，认证成功后分配服务器IP和服务号给网关；服务器每隔一段时间向网关发送应答包，网关接收到应答包后需立即发送数据包给服务器。服务器与网关保持连接，一方面可以对网关发送控制命令，另一方面可接收网关上报的监控信息。
节点入网流程：网关与服务器建立连接后，需要相应的终端节点与网关建立连接加入网络。但网络初始化只能是由网关发起，在组建网络前，需要判断节点是否已与其他网络建立连接，若节点还未加入网络，则终端节点首先向网关提出请求，网关接收到节点的连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的节点做出响应，节点与网关立连接后，网关为节点分配节点IP地址，则终端节点便入网成功。
入网成功后，系统需定期的判断节点和网关是否连接中断，若连接中断，则需重复入网操作，建立连接关系。
数据采集阶段：监控中心发起采集命令，位于杆塔上的终端节点接收到命令后开始采集杆塔的状态信息，数据通过RS458/232将数据传输到微处理器，微处理器对数据进行处理，判断数据是否正确；若数据正确，则通过RF射频模块对信号进行滤波、放大、调制等处理后在2.4GHZ的频段上通过天线发送到下一跳节点；若错误，则重新采集杆塔状态数据。
数据路由阶段：终端节点将采集到的数据无线发送到网关，节点到网关的路径呈现出三维拓扑结构，如图3所示，区域内所有节点采用本发明自定义的三维无线传感器网络路由协议，将数据传到网关；网关接收其区域内所有节点的数据，并将数据储存到存储单元，通过网关微处理器将数据转化为TCP/IP协议的格式，通过Internet将数据上传到服务器；若数据上传失败，则重新上传。
后台数据处理：服务器对多个网关传来的数据进行存储、处理、解析，按需存储在相应数据库数据表中，确保信息的存储和查询，最后将处理后的数据与其对应阈值进行比较，如数值超过其对应阈值时向用户发送报警，显示到上位机，提示工作人员对杆塔进行检修；如数值在正常范围内，则在界面上显示该杆塔为正常杆塔。上位机还为用户提供用户登录和数据显示等图形化界面，方便用户实时了解杆塔状态。
如图2所示，一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统的路由方法，包括以下步骤：
S1、确定监测区域的范围，将该范围内确定的杆塔位置构成一个不规则的三维拓扑结构，并通过笛卡尔坐标表示无线传感器节点的位置；
S2、将监测区域内位于最高点的杆塔设置为sink节点，并将该范围内的所有无线传感器节点向上采用多跳路由的方式向sink节点传输数据；
S3、如果节点通信范围内上半球存在有效节点，则将下一跳节点选择限制在上半球；如果上半球不存在有效节点，则将下一跳节点的选择范围扩大到整个通信范围；这样可以减少了节点寻找最佳路由时所需的能耗。选择传感器节点i的下一跳有效节点j，并计算节点i和节点j的距离，计算公式为：
在公式(1)中，ix为节点i的横坐标，jx为节点j的横坐标，iy为节点i的纵坐标，jy为节点j的纵坐标，iz为节点i的竖坐标，jz为节点j的竖坐标。
S4、通过节点i和节点j的距离计算节点i传输K比特数据到节点j的总能耗和节点的剩余能量Eresidue，计算公式为：
Eresidue＝Einit-Eexpend (3)
上式中，为节点i传输K比特数据到节点j的损耗，m1为与电子特性有关的常数，α为传输损耗系数，为节点i到节点j的发射功率，为节点接收K比特数据的能耗，D为节点密度，lre为节点的接收功率，2Kε为节点i与节点j处理数据的能耗，ε为节点处理1比特数据所消耗的能量，Einit为节点的初始能量，Eexpend为节点消耗的能量，
当节点i需将数据传到Sink节点，则i节点向上层传感器发送请求，上层节点收到请求后向i节点返回应答消息；i节点根据下一跳节点的能量损耗比及自身发射强度等因素选择上层相应的节点作为自己的下一跳节点，并将数据发送给该节点，如图3所示；为延长杆塔监测的寿命及减少成本，本发明以蚁群算法为基础，对其启发因子和信息素进行优化改进，选出各节点的下一跳最佳路由。
S5、通过总能耗和剩余能量计算t时刻节点i到节点j路径上的启发因子和信息素，计算公式为：
上式中，λ0、λ1、λ2均为调节系数，dis为节点i与sink节点的距离，θ为直线ij和直线is的夹角，djs为节点j到sink节点的距离，Eresidue(t)为t时刻节点j的剩余能量，Eavg(t)为t时刻节点i通信范围内所有节点能量的平均值，En(t)为t时刻n节点的剩余能量，N为节点i传输半径内所有的节点数，Q为节点最大通信范围的信号强度，r为节点的最大传输半径，ρ为信息素蒸发率，0≤ρ≤1，Eor为节点所具有的初始能量，m为蚂蚁的数量，MECk(t)为最小能耗路由，totalk(t)为蚂蚁k从节点i到sink节点的总跳数，(dij*sinθ)k为蚂蚁k在本次循环中经过路径(i,j)到直线is的垂线，ΔTij(t)为t时刻信息素在路径(i,j)上的增量，ΔTij(0)＝c2，为t时刻第k只蚂蚁搜索过程中在路径(i,j)上的信息素增量，c2和c3均为常数。
S6、通过t时刻节点i到节点j路径上的启发因子和信息素计算节点i上的蚂蚁k到下一跳节点j的转移概率，计算公式为：
在公式(6)中，α和β分别为控制信息素和启发因子相对重要性的参数，α≥0，β≥0，M为蚂蚁k下一步可以选择的节点集合，该集合为节点通信内上半球所有节点的集合，Tis(t)为t时刻节点i到节点s路径上的信息素，μis(t)为t时刻节点i到节点s路径上的启发因子。
S7、通过转移概率选择下一跳节点，并进行迭代找出节点i到sink节点的最佳路径。

Claims (6)

1.一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统，其特征在于，包括无线传感器网络终端节点、网关和监控中心，所述无线传感器网络终端节点之间相互通信连接，每个所述无线传感器网络终端节点均通过网关与监控中心相连；
所述无线传感器网络终端节点用于采集杆塔的数据，接收网关传来的命令并通过节点上的RF模块将杆塔数据以多跳路由的方式发送到对应的网关；
所述网关用于对接收到的数据进行处理，并通过intemet网络与监控中心相互通信；
所述监控中心包括服务器和上位机，所述服务器用于接收网关传来的数据并进行处理，将处理后的数据显示到上位机。
2.一种基于无线传感网络的杆塔状态监测系统的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定监测区域的范围，将该范围内确定的杆塔位置构成一个不规则的三维拓扑结构，并通过笛卡尔坐标表示无线传感器节点的位置；
S2、将监测区域内位于最高点的杆塔设置为sink节点，并将该范围内的所有无线传感器节点向上采用多跳路由的方式向sink节点传输数据；
S3、选择传感器节点i的下一跳有效节点j，并计算节点i到节点j的距离、节点i到sink节点的距离dis和跳数、直线ij与直线is的夹角；
S4、通过节点i到节点j的距离计算节点i传输K比特数据到节点j的总能耗、节点剩余能量和发射功率；
S5、通过S3和S4的计算结果计算t时刻节点i到节点j路径上的启发因子和信息素；
S6、通过t时刻节点i到节点j路径上的启发因子和信息素计算节点i上的蚂蚁k到下一跳节点j的转移概率；
S7、通过转移概率选择下一跳节点，并进行迭代找出节点i到sink节点的最佳路径。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络的杆塔状态监测系统的路由方法，其特征在于，所述步骤S3中节点i和节点j距离dij的计算公式为：
在公式(1)中，ix为节点i的横坐标，jx为节点j的横坐标，iy为节点i的纵坐标，jy为节点j的纵坐标，iz为节点i的竖坐标，jz为节点j的竖坐标。
4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的杆塔状态监测系统的路由方法，其特征在于，所述步骤S4中节点i传输K比特数据到节点j的总能耗和节点的剩余能量Eresidue的计算公式为：
Eresidue＝Einit-Eexpend (3)
上式中，为节点i传输K比特数据到节点j的损耗，m1为与电子特性有关的常数，α为传输损耗系数，为节点i到节点j的发射功率，为节点接收K比特数据的能耗，D为节点密度，lre为节点的接收功率，2Kε为节点i与节点j处理数据的能耗，ε为节点处理1比特数据所消耗的能量，Einit为节点的初始能量，Eexpend为节点消耗的能量，
5.根据权利要求4所述的基于无线传感网络的杆塔状态监测系统的路由方法，其特征在于，所述步骤S5中t时刻节点i到节点j路径上的启发因子μij(t)和信息素Tij(t)的计算公式为：
上式中，λ0、λ1、λ2均为调节系数，dis为节点i与sink节点的距离，θ为直线ij和直线is的夹角，djs为节点j到sink节点的距离，Eresidue(t)为t时刻节点j的剩余能量，Eavg(t)为t时刻节点i通信范围内所有节点能量的平均值，En(t)为t时刻n节点的剩余能量，N为节点i传输半径内所有的节点数，Q为节点最大通信范围的信号强度，r为节点的最大传输半径，ρ为信息素蒸发率，0≤ρ≤1，Eor为节点所具有的初始能量，m为蚂蚁的数量，MECk(t)为最小能耗路由，totalk(t)为蚂蚁k从节点i到sink节点的总跳数，(dij*sinθ)k为蚂蚁k在本次循环中经过路径(i，j)到直线is的垂线，ΔTij(t)为t时刻信息素在路径(i，j)上的增量，ΔTij(0)＝c2，为t时刻第k只蚂蚁搜索过程中在路径(i，j)上的信息素增量，c2和c3均为常数。
6.根据权利要求5所述的基于无线传感网络的杆塔状态监测系统的路由方法，其特征在于，所述步骤S6中节点i上的蚂蚁k到下一跳节点j的转移概率的计算公式为：
在公式(6)中，α和β分别为控制信息素和启发因子相对重要性的参数，α≥0，β≥0，M为蚂蚁k下一步可以选择的节点集合，Tis(t)为t时刻节点i到sink节点路径上的信息素，μis(t)为t时刻节点i到sink节点路径上的启发因子。
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