CN111065143A - 一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，包括如下步骤：步骤100、将各网格节点集合起来成簇，在每个簇内设定一个簇头节点；步骤200、对所有网格节点的能量进行均一性；步骤300、在完成分簇以能量均一化时，所述网格节点负责收集监测数据，并将自身属性和监测数据通过簇头节点将数据融合之后发送给Sink节点；步骤400、根据簇头节点的分布密度设置通信阈值，并且依据网格节点的分布密度和通信阈值之间的对比动态调整簇头节点的通信半径；本发明是针对电力设备的安全监测系统中无线传感器网络的路由协议算法用于延长网络生命周期，降低各个节点能耗和整个网络能耗，达到均衡网络能耗负载的目的。

Description

一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法

技术领域

本发明实施例涉及电网设备监测技术领域，具体涉及一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法。

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。

但是现有方式中对于整个网络的能耗大，而且由于节点的分布不均匀性，使得整个网络的能耗负载分布也均衡。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，以解决现有技术中能耗大以及能耗负载分布不均的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，包括如下步骤：

步骤100、将各网格节点集合起来成簇，在每个簇内设定一个簇头节点；

步骤200、对所有网格节点的能量进行均一性；

步骤300、在完成分簇及网格节点入簇并对所有网格节点的能量进行均一化达到稳定通信时，所述网格节点负责收集监测数据，并将自身属性和监测数据发送给已确定的簇头节点，所述簇头节点在完成对收到的数据进行数据融合之后，将数据发送给Sink节点；

步骤400、根据簇头节点的分布密度设置通信阈值，并且依据网格节点的分布密度和通信阈值之间的对比动态调整簇头节点的通信半径。

作为本发明的一种优选方案，在步骤100中，每个网格节点均会产生一个0至1之间的随机数，对于网格节点n，如果该网格节点n产生的随机数比设定的阈值T(n)小，那么该节点n就向全网广播自己成为簇头节点的消息，具体为：

其中，P为预设的簇头节点占全部网格节点的比例，为当前的轮数，G为候选簇头节点集合，是在前面连续P轮中没有当选过簇头节点的网格节点的集合，mod为取余操作。

作为本发明的一种优选方案，当所述簇头节点选定以后，所述簇头节点会发送广播消息，其它网格节点在收到第一个簇头节点发送的广播消息后，加入到该簇，后续如果已加入簇的所述网格节点能够接收到其他簇头节点发送的广播消息，所述网格节点将会分别比较自身与两个簇头节点之间的距离，如果新簇头节点距离自身更近，所述网格节点将加入新簇，反之，忽略后一个簇头节点的广播消息。

作为本发明的一种优选方案，在步骤200对节点能量进行均一性操作的具体步骤为：

步骤201、整个网络设置一个初始能量为E₀，设每个节点有m个能量级别，那么每个等级的能量为E_average＝E₀/m，能量级别m根据整个网络的通信节点的密度来计算；

步骤202、设每个节点i的当前的剩余能量为E_{i_cur}，则可以得到某时刻网络中某个节点i的剩余能量级别为REL_{i_cur}：

REL_{i_cur}＝[E_{i_cur}/E_average]，

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

作为本发明的一种优选方案，所述自身属性包括节点自身的ID、位置、运动速度和自身能量。

作为本发明的一种优选方案，在步骤400中，节点通信半径的调整具体步骤为：

设定调整后的通信半径为R_c，调整前的通信半径为R，节点i的节点密度为Q_i，则有：

R_c＝(1-Q_i)R，

其中，

N_{neighbor_i}为节点i的邻居节点数量，N_{wsn_alive}为WSN监测网络内存活的节点数量。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明是针对电力设备的安全监测系统中无线传感器网络的路由协议算法用于延长网络生命周期，降低各个节点的能耗和整个网络的能耗，达到均衡整个网络的能耗负载的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施方式中的流程示意图；

图2为本发明实施方式中无线传感器节点分布图；

图3为本发明实施方式中网络存活节点数量对比图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，包括如下步骤：

步骤100、将各网格节点集合起来成簇，在每个簇内设定一个簇头节点；

步骤200、对所有网格节点的能量进行均一性；

步骤300、在完成分簇及网格节点入簇并对所有网格节点的能量进行均一化达到稳定通信时，所述网格节点负责收集监测数据，并将自身属性和监测数据发送给已确定的簇头节点，所述自身属性包括节点自身的ID、位置、运动速度和自身能量，所述簇头节点在完成对收到的数据进行数据融合之后，将数据发送给Sink节点；

步骤400、根据簇头节点的分布密度设置通信阈值，并且依据网格节点的分布密度和通信阈值之间的对比动态调整簇头节点的通信半径。

在步骤100中，在步骤100中，每个网格节点均会产生一个0至1之间的随机数，对于网格节点n，如果该网格节点n产生的随机数比设定的阈值T(n)小，那么该节点n就向全网广播自己成为簇头节点的消息，具体为：

其中，P为预设的簇头节点占全部网格节点的比例，为当前的轮数，G为候选簇头节点集合，是在前面连续P轮中没有当选过簇头节点的网格节点的集合，mod为取余操作。

当所述簇头节点选定以后，所述簇头节点会发送广播消息，其它网格节点在收到第一个簇头节点发送的广播消息后，加入到该簇，后续如果已加入簇的所述网格节点能够接收到其他簇头节点发送的广播消息，所述网格节点将会分别比较自身与两个簇头节点之间的距离，如果新簇头节点距离自身更近，所述网格节点将加入新簇，反之，忽略后一个簇头节点的广播消息。

本发明定义的节点邻居距离是针对每个节点，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(nodei,nodei_neighbork)

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，本发明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

在步骤200对节点能量进行均一性操作的具体步骤为：

步骤201、整个网络设置一个初始能量为E₀，设每个节点有m个能量级别，那么每个等级的能量为E_average＝E₀/m，能量级别m根据整个网络的通信节点的密度来计算；

步骤202、设每个节点i的当前的剩余能量为E_{i_cur}，则可以得到某时刻网络中某个节点i的剩余能量级别为REL_{i_cur}：

REL_{i_cur}＝[E_{i_cur}/E_average]，

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

每个节点的剩余能量级别的取值范围是在限定范围内的正整数。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。

由于监测节点分布的随机性，导致某些簇内节点数量较多，某些簇内节点数量较少。簇内节点密度越大，其消耗的能量会越大，为了延长簇头节点的寿命，将动态调整簇头的通信半径，在簇头密度较大时，超过一定的阈值，则适当减少通信半径，降低能量的消耗，实现负载均衡，延长网络的寿命。

在步骤400中，节点通信半径的调整具体步骤为：

设定调整后的通信半径为R_c，调整前的通信半径为R，节点i的节点密度为Q_i，则有：

R_c＝(1-Q_i)R，

其中，

N_{neighbor_i}为节点i的邻居节点数量，N_{wsn_alive}为WSN监测网络内存活的节点数量。

为了分析比较路由算法的性能，本发明在MATLAB环境下对LEACH算法及本发明提出路由算法进行数据建模。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sink节点是能量比较充足的节点，考虑到以上情况，将sink节点的初始能量设为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	1000×1000
传感节点数量	400
		sink节点初始能量	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/(25³))。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，本发明根据整个传感区域节点的平均密度来选取m的值，本发明m取值为9，则REL共有9个级别。

图3为本发明提出的路由算法与LEACH路由算法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算法对整个网络寿命的提现。从图中可以看出LEACH算法在第400轮就会出现第一个节点死亡，而本发明提出的算法在第700轮才会出现首个节点死亡。在节点死亡的速度上，本发明提出的算法也较LEACH算法有效降低。从图中可以看出在第900轮，LEACH算法中所有的节点都会死亡，而本发明提出的算法在1400轮所有节点才会死亡。由此证明了本发明提出的算法确实可以均衡网络的负载，有效延长整个网络的寿命。

综合上述，本发明是针对电力设备的安全监测系统中无线传感器网络的路由协议算法用于延长网络生命周期，降低各个节点的能耗和整个网络的能耗，达到均衡整个网络的能耗负载的目的。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、将各网格节点集合起来成簇，在每个簇内设定一个簇头节点；

步骤200、对所有网格节点的能量进行均一性；

步骤300、在完成分簇及网格节点入簇并对所有网格节点的能量进行均一化达到稳定通信时，所述网格节点负责收集监测数据，并将自身属性和监测数据发送给已确定的簇头节点，所述簇头节点在完成对收到的数据进行数据融合之后，将数据发送给Sink节点；

步骤400、根据簇头节点的分布密度设置通信阈值，并且依据网格节点的分布密度和通信阈值之间的对比动态调整簇头节点的通信半径。

2.根据权利要求1所述的一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，其特征在于，在步骤100中，每个网格节点均会产生一个0至1之间的随机数，对于网格节点n，如果该网格节点n产生的随机数比设定的阈值T(n)小，那么该节点n就向全网广播自己成为簇头节点的消息，具体为：

其中，P为预设的簇头节点占全部网格节点的比例，为当前的轮数，G为候选簇头节点集合，是在前面连续P轮中没有当选过簇头节点的网格节点的集合，mod为取余操作。

3.根据权利要求2所述的一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，其特征在于，当所述簇头节点选定以后，所述簇头节点会发送广播消息，其它网格节点在收到第一个簇头节点发送的广播消息后，加入到该簇，后续如果已加入簇的所述网格节点能够接收到其他簇头节点发送的广播消息，所述网格节点将会分别比较自身与两个簇头节点之间的距离，如果新簇头节点距离自身更近，所述网格节点将加入新簇，反之，忽略后一个簇头节点的广播消息。

4.根据权利要求1所述的一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，其特征在于，在步骤200对节点能量进行均一性操作的具体步骤为：

步骤201、整个网络设置一个初始能量为E₀，设每个节点有m个能量级别，那么每个等级的能量为E_average＝E₀/m，能量级别m根据整个网络的通信节点的密度来计算；

步骤202、设每个节点i的当前的剩余能量为E_{i_cur}，则可以得到某时刻网络中某个节点i的剩余能量级别为REL_{i_cur}：

REL_{i_cur}＝[E_{i_cur}/E_average]，

其中，[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所述的一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，其特征在于，所述自身属性包括节点自身的ID、位置、运动速度和自身能量。

6.根据权利要求1所述的一种电力现场设备监测的无线传感器网络路由优化算法，其特征在于，在步骤400中，节点通信半径的调整具体步骤为：

设定调整后的通信半径为R_c，调整前的通信半径为R，节点i的节点密度为Q_i，则有：

R_c＝(1-Q_i)R，

其中，

N_{neighbor_i}为节点i的邻居节点数量，N_{wsn_alive}为WSN监测网络内存活的节点数量。

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