CN110381560A - 适用于电力现场的无线传感器网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力通信技术领域，具体公开一种适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，所述方法包括：各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头；对各节点进行剩余能量分级，根据各节点自身的剩余能量等级分配该节点所需承担的负载；各节点通过与之对应的簇头与汇聚结点进行通信；动态调整各簇头的通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡。本发明提供一种适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，能降低整个无线传感器网络的能耗，从而延长网络的生命周期。

Description

适用于电力现场的无线传感器网络通信方法

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，尤其涉及一种适用于电力现场的无线传 感器网络通信方法。

背景技术

目前电力行业面临面对运维检修工作的新挑战，电力部门需要创新现有 输变电运维检修工作模式，运用信息化手段，在运维检修现场和后方的管控 指挥中心之间，需要研发变电站运维辅助便携设备，实现输变电运检的科学 化、精细化与规范化的管理目标。电力设备在运行期间，由于结构复杂、腐 蚀、灾害等原因的综合作用，会造成电力设备结构出现安全隐患。为了保证 电力设备的安全运行，对电力设备的结构进行安全监测就非常必要。

电力设备的安全监测系统通过布设在电力设备的关键位置布置传感器， 对电力设备的结构参数及环境参数进行实时测量，通过通信技术将这些参数 传送到数据中心，数据中心对这些数据进行分析处理及存储，通过分析定期 采集的动力响应数据来观察结构体系随时间推移产生的变化，从分析提取的 损伤敏感特征值来确定电力设备的健康状态。对于长期的电力设备结构健康 监测，主要通过数据定期更新来估计结构老化和恶劣服役环境对工程结构的 影响，并确定电力设备是否能继续实现设计功能能。通过对电力设备的结构 安全监测，可以及时发现电力设备存在的问题，减少人员伤亡及财产损失。

可穿戴设备为目前电力现场作业提供了大量现场数据，为电网的管理、 分析和决策提供实时、准确的海量数据支撑，为生产作业一线人员提供基于 行为告警的智能化作业工具，保障变电站带电作业安全、标准、高效、智能， 其中可穿戴式电力巡检终端设备的硬件部分主要包括无线传感器组和主控芯 片，无线传感器网络系统的路由优化问题己经成为现代智能电力设备相关领 域的研究重点。路由协议从逻辑上划分了网络的拓扑结构，负责建立从传感 器节点到汇聚结点的数据传输路径。为了延长网络生命周期，路由协议必须能够降低各个节点的能耗和整个网络的能耗，并达到均衡整个网络的能耗负 载的目的。无线传感器网络的路由协议根据网络的拓扑结构可以划分为平面 路由协议和分簇路由协议。

无线传感器网络路由协议不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且 要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。传感器节 点的资源有限，无线传感器网络的路由机制要能够简单而且高效地实现信息 传输。

为了保障重要电力设备的安全，对电力设备的结构安全监测是必不可缺 的，无线传感器网络相对于有线传感网络具有部署的灵活性、低成本的维护 性及监测精度高等特点，在设备结构的安全监测应用中具有更好的应用前景。

因此，为满足电力设备结构安全监测的应用需求，需要提出一种优化方 法，能降低整个无线传感器网络的能耗，从而延长网络的生命周期。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种适用于电力现场的无线传感器网络通 信方法，能降低整个无线传感器网络的能耗，从而延长网络的生命周期。

为达以上目的，本发明提供一种适用于电力现场的无线传感器网络通信 方法，包括：

各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头；

对各节点进行剩余能量分级，根据各节点自身的剩余能量等级分配该节 点所需承担的负载；

各节点通过与之对应的簇头与汇聚结点进行通信；

动态调整各簇头的通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡。

优选的，所述各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头包括：

各节点产生一个0至1之间的随机数，对于节点n，若该随机数比随机阈 值T(n)小，则节点向全网广播自己成为簇头的消息：

其中：

P为预设的簇头节点占全部节点的比例；

r为当前的轮数；

G为候选簇头节点集合，是在前面连续1/P轮中没有当选过簇头的节点的 集合；

mod为取余操作。

优选的，所述各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头还包括：

各节点在收到第一个簇头发送的广播消息后，加入到该簇，后续，若该 节点能够接收到新簇头发送的广播消息，将会比较自身与两簇头距离，如果 新簇头距离该节点更近，则该节点将加入新簇，反之，忽略该新簇头的广播 消息。

优选的，所述对各节点进行剩余能量分级包括：

为整个无线传感器网络设置一个初始能量为E₀；

定义每个节点的能量级别数量m，计算出每个等级的能量为E_average＝ E₀/m；其中，所述能量级别m可以根据所述无线传感器网络的节点密度预定 义；

设每个节点i的当前的剩余能量为E_{i_cur}，则可以得到计算得到任一时刻网 络中某个节点i的剩余能量级别为：

REL_{i_cur}＝[E_{i_cur}/E_average]；

其中：

E_{i_cur}为每个节点i的当前剩余能量；

[E_{i_cur}/E_average]表示大于E_{i_cur}/E_average的最小整数。

优选的，所述动态调整各簇头的通信半径，降低能量的消耗，实现负载 均衡包括：

若簇头密度超过密度阈值上限，则减少通信半径；若簇头密度超过密度 阈值下限，则增大通信半径。

优选的，调整前后的通信半径之间的关系如下：

R_c＝(1-Q_i)×R；

其中：

R_c为调整后的通信半径；

R为调整前的通信半径；

Q_i为节点i的节点密度：

进一步地，

N_{neighbor_i}为节点i的邻居节点数量，N_{wsn_alive}为无线传感器网络内存活的节点 数量

本发明的有益效果在于：在LEACH协议的基础上，提供一种适用于电力 现场的无线传感器网络通信方法，降低各个节点和整个网络的能耗，达到均 衡整个网络的能耗负载的目的，最终延长网络生命周期；具体如下：

首先，本发明使用的簇头选择机制，可以帮助网络节点快速且动态地找 到簇头，提高了自组织成簇的速度，这是实现整个网络负载均衡的基础；

其次，本发明提供的通信方法引入节点剩余能量级别，根据节点剩余能 量来分配负载，避免因局部网络负载过重崩溃而导致网络重建而消耗更多的 能量，从而实现整个网络的能耗负载均衡；

再次，本发明提供的通信方法采用动态调整各簇头的通信半径策略，通 过适当减少通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡，延长网络的寿命；

最后，本发明提供的通信方法支持稳定的通信功能，可以保障通信的可 靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例 或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的适用于电力现场的无线传感器网络通信方 法的流程图；

图2为实施例提供的无线传感器节点分布图；

图3为实施例提供的网络存活节点数量对比图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合 本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，适用于 电力通信领域中的应用场景，能降低整个无线传感器网络的能耗，从而延长 网络的生命周期，所述适用于电力现场的无线传感器网络通信方法由一种通 信装置来执行，通过软件和/或硬件实现。

图1是本实施例一提供的适用于电力现场的无线传感器网络通信方法的 流程图。

参见图1，所述适用于电力现场的无线传感器网络通信方法包括如下步骤：

S10：各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头。

与LEACH协议相同，本实施例中，节点自组织成簇，簇头节点负责将簇 内节点采集到的数据融合并转发到汇聚结点。由于要进行数据的融合处理和 转发，所以簇头消耗的能量要高于其他节点。

具体地，S10包括：

S101：各节点产生一个0至1之间的随机数，对于节点n，若该随机数比 随机阈值T(n)小，则节点向全网广播自己成为簇头的消息：

其中：

P为预设的簇头节点占全部节点的比例；

r为当前的轮数；

G为候选簇头节点集合，是在前面连续1/P轮中没有当选过簇头的节点的 集合；

mod为取余操作。

S102：各节点在收到第一个簇头发送的广播消息后，加入到该簇，后续， 若该节点能够接收到新簇头发送的广播消息，将会比较自身与两簇头距离， 如果新簇头距离该节点更近，则该节点将加入新簇，反之，忽略该新簇头的 广播消息。

S20：对各节点进行剩余能量分级，根据各节点自身的剩余能量等级分配 该节点所需承担的负载。

本实施例定义的节点邻居距离是指每个节点的邻居节点集内的节点距该 节点的距离。每个节点最初的邻居节点集是处于初始设定的传感节点功率发 送范围内即通信半径的节点的集合。初始化时可通过节点对周围节点发送一 个测试信号来记录邻居节点数目及各邻居节点到该节点的距离。

整个无线传感器网络初始时刻每个节点的功率发送范围半径为R₀，即为 节点i的广播域或通信半径。节点i的周围节点的集合即为当前节点i的邻居节 点集，通过测试信号节点i记录各邻居节点到该节的距离即节点邻居距离d_i：

d_i＝Dist(node i，node i_{neig bork})；

其中，k表示第k个邻居节点。

由于无线传感器网络为自组网络，网络初始化时每个节点的剩余能量均 不同，为了节约能量和增大生命周期，为每个节点进行负载均衡，即考虑剩 余能量多的节点可以负载多一些，而剩余能量少的节点负载相对少一些，这 样可以有效地延长整个网络的生命周期，避免因局部网络负载过重崩溃而导 致网络重建而消耗更多的能量。为了衡量各个节点之间的剩余能量的差异， 本实施例引入节点剩余能量级别REL，引入REL的好处是相当于对能量进行了 归一化，避免了繁琐的计算，为传感节点节省了存储空间和能量消耗，并运 用在判别能量级别对应的负载数目。

具体地，对各节点进行剩余能量分级包括：

S201：为整个无线传感器网络设置一个初始能量为E₀；

S202：定义每个节点的能量级别数量m，计算出每个等级的能量为 E_average＝E₀/m；其中，所述能量级别m可以根据所述无线传感器网络的节点 密度预定义；

S203：设每个节点i的当前的剩余能量为E_{i_cur}，则可以得到计算得到任一 时刻网络中某个节点i的剩余能量级别为：

REL_{i_cur}＝[E_{i_cur}/E_average]；

其中：

E_{i_cur}为每个节点i的当前剩余能量；

[E_{i_cur}/E_average]表示大于E_{i_cur}/E_average的最小整数。

由此可知，每个节点的剩余能量级别的取值范围[E_{i_cur}，E_average]内的正整 数。能量级别m的选取对整个优化协议的性能有重要影响，可依据整个网络平 均节点密度来设置，根据不同网络对通信质量的要求m可以灵活设置。若m取 值较小则不能体现出每个节点剩余能量的差异，根据剩余能量级设定的负载 数目不会有明显改变，负载均衡的效果会很不明显。

S30：各节点通过与之对应的簇头与汇聚结点进行通信。

可以理解的是，无线传感器网络在完成分簇及节点入簇后，网络进行到 稳定的通信过程，传感器节点负责收集监测数据，并将数据发送给簇头，簇 头在完成对收到的数据进行数据融合之后，将数据发送给汇聚结点。

S40：动态调整各簇头的通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡。

可以理解的是，若簇头密度超过密度阈值上限，则减少通信半径；若簇 头密度超过密度阈值下限，则增大通信半径。具体地，调整前后的通信半径 之间的关系如下：

R_c＝(1-Q_i)×R；

其中：

R_c为调整后的通信半径；

R为调整前的通信半径；

Q_i为节点i的节点密度：

进一步地，

N_{neighbor_i}为节点i的邻居节点数量，N_{wsn_alive}为无线传感器网络内存活的节点 数量。

需要说明的是，为了分析比较路由通信方法的性能，本发明在MATLAB环 境下对LEACH协议及本发明提出通信方法进行数据建模。在面积为 1000m*1000m的范围内，随机部署400个传感器节点，如图2所示。

由于无线传感器网络为自组网络，网络初始化时每个节点的初始能量均 不同，而一般已选的汇聚结点是能量比较充足的节点，考虑到以上情况，将 汇聚结点的初始能量设为1.00，为了可以突出剩余能量级别的差异，将其余 普通节点的初始能量设为0.50～1.00之间的随机值。可根据下表1设置其他 仿真参量。

表1仿真参量设置

参量	设置
		传感区域大小	1000m×1000m
传感节点数量	400个
		汇聚结点初始能量	1
普通节点初始能量	0.50～1.00
		广播能量消耗	0.0001
发送信息能量消耗	d*Dist<sup>3</sup>

发送信息能量消耗采用无线通信距离与能量消耗的模型E＝d*d³，d取值 为d＝0.0001*(1/(25^3))。能量级别m的选择对协议的性能有影响，所以m的 取值至关重要，本实施例根据整个传感区域节点的平均密度来选取m的值， m取值为9，则REL共有9个级别。

图3为本发明提出的通信方法(New Algorithm)与LEACH协议在网络存 活节点数量上的比较。网络生存时间指网络中出现第一个节点能量耗尽的时 间，用轮数表示，为拟合实际通信系统，当剩余能量小于5％时即认为节点失 效死亡。网络中存活节点的数目也可以体现出通信方法对整个网络寿命的提 现。从图3中可以看出LEACH协议在第400轮就会出现第一个节点死亡，而 本发明提出的通信方法在第700轮才会出现首个节点死亡。在节点死亡的速度 上，本发明提出的通信方法也较LEACH协议有效降低。从图3中可以看出在第900轮，LEACH协议中所有的节点都会死亡，而本实施例提出的通信方法 在1400轮所有节点才会死亡。由此证明了本发明提出的通信方法确实可以均 衡网络的负载，有效延长整个网络的寿命。

本实施例的有益效果在于：在LEACH协议的基础上，提供一种适用于电 力现场的无线传感器网络通信方法，降低各个节点和整个网络的能耗，达到 均衡整个网络的能耗负载的目的，最终延长网络生命周期；具体如下：

首先，本发明使用的簇头选择机制，可以帮助网络节点快速且动态地找 到簇头，提高了自组织成簇的速度，这是实现整个网络负载均衡的基础；

其次，本发明提供的通信方法引入节点剩余能量级别，根据节点剩余能 量来分配负载，避免因局部网络负载过重崩溃而导致网络重建而消耗更多的 能量，从而实现整个网络的能耗负载均衡；

再次，本发明提供的通信方法采用动态调整各簇头的通信半径策略，通 过适当减少通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡，延长网络的寿命；

最后，本发明提供的通信方法支持稳定的通信功能，可以保障通信的可 靠性。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，单元，装置 和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的所有实施例仅仅是 示意性的，例如，上述单元或者模块等的划分，仅仅为一种逻辑功能划分， 实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元、模块以及组件可以结合 或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所 显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口， 装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作 为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方， 或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或 者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中， 也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单 元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单 元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售 或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本 申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的 全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个 计算机可读存储介质中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机， 笔记本，或者其他电子设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部 分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘 等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前 述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术 特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离 本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，其特征在于，包括：

各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头；

对各节点进行剩余能量分级，根据各节点自身的剩余能量等级分配该节点所需承担的负载；

各节点通过与之对应的簇头与汇聚结点进行通信；

动态调整各簇头的通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡。

2.根据权利要求1所述的适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头包括：

各节点产生一个0至1之间的随机数，对于节点n，若该随机数比随机阈值T(n)小，则节点向全网广播自己成为簇头的消息：

其中：

P为预设的簇头节点占全部节点的比例；

r为当前的轮数；

G为候选簇头节点集合，是在前面连续1/P轮中没有当选过簇头的节点的集合；

mod为取余操作。

3.根据权利要求2所述的适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述各节点自组织成簇并选择自身对应的簇头还包括：

各节点在收到第一个簇头发送的广播消息后，加入到该簇，后续，若该节点能够接收到新簇头发送的广播消息，将会比较自身与两簇头距离，如果新簇头距离该节点更近，则该节点将加入新簇，反之，忽略该新簇头的广播消息。

4.根据权利要求1所述的适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述对各节点进行剩余能量分级包括：

为整个无线传感器网络设置一个初始能量为E₀；

定义每个节点的能量级别数量m，计算出每个等级的能量为E_average＝E₀/m；其中，所述能量级别m可以根据所述无线传感器网络的节点密度预定义；

设每个节点i的当前的剩余能量为E_{i_cur}，则可以得到计算得到任一时刻网络中某个节点i的剩余能量级别为：

REL_{i_cur}＝[E_{i_cur}/E_average]；

其中：

E_{i_cur}为每个节点i的当前剩余能量；

[E_{i_cur}/E_average]表示大于E_{i_cur}/E_average的最小整数。

5.根据权利要求1所述的适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，其特征在于，所述动态调整各簇头的通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡包括：

若簇头密度超过密度阈值上限，则减少通信半径；若簇头密度超过密度阈值下限，则增大通信半径。

6.根据权利要求5所述的适用于电力现场的无线传感器网络通信方法，其特征在于，调整前后的通信半径之间的关系如下：

R_c＝(1-Q_i)×R；

其中：

R_c为调整后的通信半径；

R为调整前的通信半径；

Q_i为节点i的节点密度：

进一步地，

N_{neighbor_i}为节点i的邻居节点数量，N_{wsn_alive}为无线传感器网络内存活的节点数量。