CN111132058A - 一种基于输电线路传感网络的数据传输方法及其传感网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于输电线路传感网络的数据传输方法及其传感网络，包括S10：基于传感器之间的通信握手协议，建立各传感器之间的连接，构建得到传感网络；S20：采用传感器网络将各传感器获取到的输电线路状态信息传输至基站；S30：基站将输电线路状态信息传输至数据中心。

Description

一种基于输电线路传感网络的数据传输方法及其传感网络

技术领域

本发明涉及无线移动通信领域，具体涉及一种基于输电线路传感网络的数据传输方法及其传感网络。

背景技术

输电线路长期处于复杂运行环境中，开展输电线路远程监测是掌握输电线路运行状态的重要手段，实现输电设备运行环境可观测、生产全过程可监控、风险可预警，可为输电线路故障定位和自动诊断提供技术支撑。

目前输电线路在线监测传感网主要由通信主站、无线自组织主站、普通监测杆塔、监控中心组成。通信主站上架设有光纤接入点，而普通监测杆塔上只安装摄像头和无线传感器节点。在无光纤接入点的杆塔上设置无线自组织网络通信设备，通过自组网的连接方式完成监测数据的传输。输电线路监控物联网将传感器采集的数据传送到通信主站后，通过光纤接入数据中心。普通杆塔间的无线传感器节点通过短距离多跳的通信方式与通信主站进行通信。无线传感器节点可以实现输电线路的弧摆、弧垂、覆冰厚度的监测，以及输电线路环境的温湿度、风向、风速的监测，通信主站将收集到的这些信息通过电力光缆传输到后台监控中心，完成对输电线路各个参数的监测。

由于输电线路长期处于户外复杂环境下，现有的在线监测在电源、通讯、监测设备可靠性等方面出现较多问题。有的传感网仅面向单一网络，对于以异构网络为主的电力物联网无能为力；有的网络方案较为复杂，会增加建网的成本，造成可行性降低。因此，有必要开展输电线路物联网路由技术的研究，克服输电线路线性网络存在的问题，提出一种经济且传输效率有保障的路由方法。

目前电力系统可用的无线网络主要是租用无线公网，在无线网络覆盖的区域内实现接入，包括移动、联通、电信的无线网络，在无线网络覆盖的区域内实现接入，但该种网络无法承载电力系统的控制类业务。此外，无线公网都是蜂窝布置，对于线性长连接的输电线路无线通信网络而言，覆盖成本明显增加。

发明内容

为避免蜂窝网络覆盖有限、网络中各传感器节点能量有限、电池替换成本高等问题，提出一种基于输电线路传感网络的数据传输方法及其传感网络，可以有效避免靠近基站的节点因为大量转发数据导致能量耗尽过快，在发射功率和接收信噪比一定的条件下，尽可能少的跳数进行数据转发。

本发明所采用的技术方案是：一种基于输电线路传感网络的数据传输方法，包括以下步骤：

S10：基于传感器之间的通信握手协议，建立各传感器之间的连接，构建传感网络；

S20：采用传感网络将各传感器获取到的输电线路状态信息传输至基站；

S30：基站将输电线路状态信息传输至数据中心；

其中，所述传感器之间的通信握手协议的建立包括以下步骤：

S11：选取距离基站最近的传感器作为头节点，选取距离该头节点最大传输距离处的传感器作为下一头节点，依次选取所有头节点，对头节点进行地址编码000x0000，x 表示第x个头节点；

S12：从各头节点开始，往基站方向依次对非头节点传感器进行地址编码000x000m， m表示当前头节点下的第m个非头节点；

S13：所有头节点向外发送广播帧，所有非头节点处在监听状态，接收到广播帧的非头节点向发送广播帧的头节点发送确认信号，完成传感器之间的通信握手协议。

进一步的，所述S11中的最大传输距离小于满足接收信号强度阈值RSSI0的最大传输距离并小于满足链路收包率阈值P0的最大传输距离；

接收信号强度RSSI与传输距离d的关系为：

RSSI＝A-10nlgd (1)

式中，A为头节点的发送功率，n为信道的传播因子；

链路收包率p与传输距离d的关系为：

式中，f为帧长度，η是网络常数，γ(d)表示信噪比与距离的关系：

其中，

为给定的发射功率，

为给定的信道底噪，PL(d)_dB为经过传输距离d后的自由空间路径损耗，PL(d)＝PL₀+20lg(d)，PL₀为信道损耗系数。

进一步的，在S13执行完后还包括以下步骤：

S14：每隔一个任职时间片，地址编码后四位最大的非头节点的地址编码重置为000 (x-1)0000成为新的头节点，其余节点依次更新地址编码；

S15：逐一对新的头节点判断是否满足h*k≥H_max，h为时间片，k为担当头节点的次数，H_max为传感器的最大任职时间，若满足，则新的头节点不能担任头节点，由最近的邻居节点担任头节点，其余节点依次更新地址编码，否则，则继续担任头节点。

进一步的，所述S13中，接受到两个及以上广播帧的非头节点选择接收信号强度更佳的头节点传输的广播帧。

本发明还公开了一种传感网络，包括多个用于获取输电线路状态信息的传感器，所述传感器之间通过通信握手协议连接。

进一步的，所述传感器包括用于监测输电线路的弧摆、弧垂、覆冰厚度以及输电线路环境的温湿度、风向和风速的传感器。

有益效果：本发明具有以下优点：

1、本发明的传输方法能够有效避免靠近基站的节点因为大量转发数据导致能量耗尽过快；

2、本发明的传感网络能够在发射功率和接收信噪比一定的条件下，尽可能少的跳数进行数据转发。

附图说明

图1为链状无线网络模型；

图2为引入簇头节点轮值机制的链状无线网络模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步阐述本发明。

实施例1：

根据输电线路网络实际部署情况，将其抽象成链状无线网络，具体参见图1，在基站一侧成链状分布若干传感器，假设各传感器初始状态完全相同，随机产生的数据需要发送到基站。由于链状无线传感网络中传感器成线性分布，距离较远的传感器不得不采用多跳的方式与基站建立链接。假设传感器n需要向基站BS传送数据，它需要将数据包发送给传感器n+1，传感器n+1将数据包转发给传感器n+2，依次连续多跳传送到基站BS，这种简单的直线传输方式中，传感器n产生的数据都必须经过更靠近基站BS 的其他所有传感器的转发才能最终到达基站，这会导致资源的极大浪费，产生严重的阻塞现象，传感器网络也会由于流量巨大导致寿命降低。

事实上，传感器n不必要选择传感器n+1作为下一跳，只要在其信号覆盖范围内的更靠近BS的传感器都可以被选择。从经济的角度看，下一跳的距离越远越好。已有接受信号强度与距离的关系公式：

RSSI＝A-10nlgd (1)

式中，RSSI为接收信号强度，n为信道的传播因子，d为通信距离；

根据公式(1)，设定接收信号强度阈值RSSI₀，得到满足RSSI₀的最大距离d₀，满足距离传感器n的距离d＜d₀的传感器均可作为下一跳的选择。

在链路质量评估方面，收包率(PRR)与通信距离之间的关系为：

其中，p为链路收包率，

f为帧长度，d为通讯距离，γ(d)表示信噪比与距离的关系：

其中，

为发射功率，PL(d)_dB为经过距离d后的路径损耗，PL(d)＝PL₀+20lg(d)，PL₀为信道损耗系数，

为给定的信道底噪。

设定满足收包率的阈值P₀，低于该阈值则认为信道无法正常接收数据，得到满足P₀的最大距离d₁，当距离d＜d₁时认为该传感器均可作为下一跳的选择。

综上所述，在同时满足d＜d₀和d＜d₁时得到传感器n的最大传输距离d_M，在这种情况下，传感器网络可以将传输跳数尽量降低。

但是，在这种情况下链状无线传感网络中的每一个传感器都需要自主选择下一跳，额外增加了信息量，对于关键节点的竞争会导致更严重的阻塞现象出现，故本发明引入簇头节点轮值机制，假设传感器的最大传输距离d_M，在时隙开始时，基站BS选取距离最近的传感器作为头节点，将其地址编码为00010000，被选中的头节点选取距离自己最大传输距离d_M处的某一传感器作为下一头节点，将其地址编码为00020000，依次选取所有头节点并编址为000x0000，从头节点开始，往基站方向依次给非头节点传感器编址。如图2所示，00030000为头节点，其右侧传感器更靠近基站BS，依次编址为00030001、00030002...0003000m。

编址完成后，对每一个头节点都发送广播信号，所有节点都处在监听状态，接收到广播帧后首先根据接收信号强度阈值RSSI₀判断是否在通信范围内，对于接受到两个及以上广播帧的节点优先选择接收信号强度更大的头节点，非头节点向选择的头节点发送确认信号，组成一个个簇。

设置任职时间片h，建立簇头节点轮值机制，即每隔一个时间片h，将地址编码后四位最大的节点设置为(x-1)0000成为新的簇头节点，(x-1)代表前四位地址。如图2中的0002000n、0003000m会在第一个时间片结束后被设定为新的簇头节点0001000、 00020000，其余节点按照上述原则更新编址。每次任职开始时对作为头节点的传感器进行检查，根据传感器不同可以设定不同的最大任职时间H_max，当h*k≥H_max时不再允许其担任簇头节点，k为担当簇头节点的次数。

假设网络中并不存在特殊区域，可以认为传感器分布是均匀的，一个链状无线网络的传感器密度可以表示：

其中，N代表传感器数量，L代表总长度。

假设传感器a位于第x-1个头节点所在簇，该传感器a网络编址为000x000z，传感器a与基站BS之间的距离可以表示为：

L＝l_a+d_M*(x-2)+Ls (5)

其中，l_a表示传感器a与第x-1个头节点之间的距离，L_S表示第一个头节点距离基站BS的距离。

传感器a到基站BS的传输链路上的传感器总数为：

N_a＝ρ*L (6)

若链状网络采用按节点逐级多跳传输，可以得到收包率为：

式中，P₁代表传感器单跳收包率：

式中，l₁代表单跳距离：

链状网络基于簇头节点轮值机制采用节点分簇头节点传输，可以得到头节点的收包率为：

式中，P₂代表头节点单跳收包率：

计算每个节点下一跳的收包率，可以根据该收包率分配得到相应的网络资源，一般指网络传输的时隙。当收包率低于门限则重发，当收包率高于门限即节点可以传输数据，为了有效利用网络资源，根据收包率确定分配可变的网络资源。

对式(10)求解后可以获取下一跳节点的信息，记录在路由表上，作为转发的中继，从而实现数据的多跳传输。

实施例2：

本实施例公开了一种输电线线路传感网络，包括通信主站、监测杆塔和监控中心；通信主站上架设有光纤接入点，监测杆塔上设有摄像头和传感器，传感器之间建立联系构成传感网络，采用传感网络与通信主站进行通信，通信主站通过电力光缆将收集到的信息传输到后台监控中心。本实施例的监测杆塔在通信主站一侧成链状分布，本实施例的传感器包括若干用于监测输电线路的弧摆、弧垂、覆冰厚度以及输电线路环境的温湿度、风向和风速的传感器。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于输电线路传感网络的数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

S10：基于传感器之间的通信握手协议，建立各传感器之间的连接，构建传感网络；

S20：采用传感网络将各传感器获取到的输电线路状态信息传输至基站；

S30：基站将输电线路状态信息传输至数据中心。

2.根据权利要求1所述的一种基于输电线路传感网络的数据传输方法，其特征在于：所述传感器之间的通信握手协议的建立包括以下步骤：

S11：选取距离基站最近的传感器作为头节点，选取距离该头节点最大传输距离处的传感器作为下一头节点，依次选取所有头节点，对头节点进行地址编码000x0000，x表示第x个头节点；

S12：从各头节点开始，往基站方向依次对非头节点传感器进行地址编码000x000m，m表示当前头节点下的第m个非头节点；

S13：所有头节点向外发送广播帧，所有非头节点处在监听状态，接收到广播帧的非头节点向发送广播帧的头节点发送确认信号，完成传感器之间的通信握手协议。

3.根据权利要求2所述的一种基于输电线路传感网络的数据传输方法，其特征在于：所述S11中的最大传输距离小于满足接收信号强度阈值RSSI₀的最大传输距离并小于满足链路收包率阈值P₀的最大传输距离；

接收信号强度RSSI与传输距离d的关系为：

RSSI＝A-10nlgd (1)

式中，A为头节点的发送功率，n为信道的传播因子；

链路收包率p与传输距离d的关系为：

式中，f为帧长度，η是网络常数，γ(d)表示信噪比与距离的关系：

其中，

为给定的发射功率，

为给定的信道底噪，PL(d)_dB为经过传输距离d后的自由空间路径损耗，PL(d)＝PL₀+20lg(d)，PL₀为信道损耗系数。

4.根据权利要求2所述的一种基于输电线路传感网络的数据传输方法，其特征在于：在S13执行完后还包括以下步骤：

S14：每隔一个任职时间片，地址编码后四位最大的非头节点的地址编码重置为000(x-1)0000成为新的头节点，其余节点依次更新地址编码；

S15：逐一对新的头节点判断是否满足h*k≥H_max，h为时间片，k为担当头节点的次数，H_max为传感器的最大任职时间，若满足，则新的头节点不能担任头节点，由最近的邻居节点担任头节点，其余节点依次更新地址编码，否则，则继续担任头节点。

5.根据权利要求2所述的一种基于输电线路传感网络的数据传输方法，其特征在于：所述S13中，接受到两个及以上广播帧的非头节点选择接收信号强度更佳的头节点传输的广播帧。

6.基于权利要求1至5任意一项所述的一种基于输电线路传感网络的数据传输方法的传感网络，其特征在于：包括多个用于获取输电线路状态信息的传感器，所述传感器之间通过通信握手协议连接。

7.根据权利要求6所述的传感网络，其特征在于：所述传感器包括用于监测输电线路的弧摆、弧垂、覆冰厚度以及输电线路环境的温湿度、风向和风速的传感器。

Images