基于无线传感器网络的电力线监测系统的分布式数据传输方法

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基于无线传感器网络的电力线监测系统的分布式数据传输\n方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电力线监测系统的数据传输方法，特别是一种基于无线传感器网络的电力线监测系统的分布式数据传输方法。\n背景技术\n[0002] 电力线传输系统是电力系统的重要组成部分，它的稳定运行与否直接影响国家的经济发展和人民的生活。同时，电力线传输线路分布点多、面广，绝大多数远离城镇，所处地形复杂、自然环境恶劣，很容易因为自然灾害或者疲劳累积而造成电力线断裂，从而产生严重的停电事故。因此，需要建立电力线监测系统，对电力线所处的环境因素、张力等进行实时监测，并能够对对危险情况及时报警，目前新兴的无线传感器网络技术具有低功耗的数据传输特性，特别适合应用于电力线检测系统中。面向电力线网络的特殊需求，如链状、多跳、事件驱动等，需要设计专门面向基于无线传感器网络的电力线监测系统的数据传输方法。\n[0003] 目前，针对基于无线传感器的电力线监测系统的专利有[1]吴建国.带ZIGBEE无线通信功能的电力线路安全监测仪[P].中国专利：201020204953.7，\n2010-05-27.[2]Sensor Networks For Monitoring Pipelines And Power Lines.US2007041333A1,2007-02-22.其中[1]提出了使用ZIGBEE技术进行电力线检测及数据传输，然而ZIGBEE是一个通用性的数据传输协议，并没有针对电力线网络的特殊需求提出数据传输方法。[2]提出了采用无线传感器网络对电力线进行检测，并没有涉及具体数据传输方法。专利[3]Remote Monitoring of Pipelines using Wireless Sensor Network.US7526944B2,2009-05-05.提出了利用无线传感器网络对链状网络进行监测的方法，但其重点在于网络组织结构上的设计。文献[4]I.Jawhar,N.Mohamed and K.Shuaib.A framework for pipeline infrastructure monitoring using wireless sensor networks.The Sixth Annual Wireless Telecommunications Symposium(WTS2007),IEEE Communication Society/ACM Sigmobile,Pomona,California,U.S.A.,April 2007. 文献[5]Imad Jawhar,Nader Mohamed,Khaled Shuaib and Nader Kesserwan.An Efficient Framework and Networking Protocol for Linear Wireless Sensor Networks.Ad Hoc&Sensor Wireless Networks01/2009,7:3-21.提出了用于监测链状网络的无线传感器网络的特点及设计，但其重点在于网络整体框架的设计。文献[6]Marco Zimmerling,Waltenegus Dargie,Johnathan M.Reason,Localized power-aware routing in linear wireless sensor networks,Proceedings of the 2nd ACM international conference on Context-awareness for self-managing systems,p.24-33,May \n19-19,2008,Sydney,Australia.设计了一种链状多跳无线传感器网络的路由协议，但其并没有考虑更为重要的MAC层设计。文献[7]S.U.Hashmi,J.H.Sarker,H.T.Mouftah,N.D.Georganas,An Effcient TDMA Scheme with Dynamic Slot Assignment in Clustered Wireless Sensor Networks,GLOBECOM 2010,2010IEEE.6-10Dec.2010.提出了无线传感器网络中事件驱动型的MAC协议思想，但其只局限于单跳网络中，并没有扩展到多跳链状网络。\n发明内容\n[0004] 为了克服已有的基于无线传感器网络电力线监测系统中的数据传输方式存在的仅限于单跳网络、能量负载不均衡的不足，本发明提出了一种适用于基于无线传感器网络电力线监测系统的链状多跳网络、能量负载均衡的基于无线传感器网络的电力线监测系统的分布式数据传输方法。\n[0005] 为了解决上述技术问题采用的技术方案是：\n[0006] 一种基于无线传感器网络的电力线监测系统的分布式数据传输方法，所述电力线监测系统包括汇聚节点和传感器节点，汇聚节点周期性的广播信标用于与传感器节点时间同步；传感器节点将数据通过多跳的方式发送给汇聚节点，所述数据传输方法包括以下步骤：\n[0007] 1）、传感器节点以T为工作周期，每个周期的起始阶段通过捕获信标与汇聚节点进行时间同步；\n[0008] 2）、随机接入：传感器节点通过广播与邻居交换节点信息以确定本周期有数据需要发送的节点，即发送节点；\n[0009] 3）、通过发送节点间的通信可达性及局部网络能量负载均衡，分布式选择中继节点作为数据传输的中继；\n[0010] 所述的中继节点选择阶段由发送节点发起，选择在本周期无数据发送的传感器节点作为中继节点，步骤如下：\n[0011] 3.1）查看邻居信息表，判断前向N跳邻居有无数据发送；若有，则退出；若无，执行\n3.2）；\n[0012] 3.2）选择前向N跳邻居中剩余能量最大的传感器节点作为中继节点，发送请求包；\n[0013] 3.3）目标传感器节点接收到请求包，将自身设置为中继节点，执行3.1）；\n[0014] 4）、分布式地为在数据传输节点需要唤醒的节点，即发送节点和中继节点分配时间片，其余节点处于休眠状态；\n[0015] 发送节点和中继节点通过广播时间片数据包进行分布式的时间片分配，步骤如下：\n[0016] 4.1）发送节点和中继节点初始化本地时间片为S0；\n[0017] 4.2）广播时间片数据包，数据包中包含目前本传感器节点的时间片值S0；\n[0018] 4.3）若传感器节点收到后向邻居节点广播的时间片数据包，记录该数据包中时间片为Sc，判断S0与Sc，若Sc大于等于S0，执行4.4）；S0=Sc；执行4.2）；\n[0019] 4.4）若在Ta时间内没收到时间片数据包，时间片分配结束；\n[0020] 5）、采用阶梯状的数据上传链路对节点进行唤醒/休眠调度。\n[0021] 进一步，所述汇聚节点在工作周期T的起始阶段广播信标帧，信标帧中包含时间同步信息。\n[0022] 更进一步，所述工作周期T为随机接入、中继节点选择、时间片分配、数据上传四个阶段，随机接入阶段长度为Tr，中继节点选择阶段长度为Ts，时间片分配阶段长度为Ta，数据上传阶段长度为Tu，并且满足T=Tr+Ts+Ta+Tu。\n[0023] 所述随机接入阶段用于传感器节点进行信息交换，传感器节点广播HELLO数据包，其中包括节点ID、节点电量、是否需要发送数据指示；同时，节点在本地维护N跳邻居信息表，表中包含邻居节点ID、节点电量、数据发送指示位。\n[0024] 当传感器节点接收到邻居传感器节点的HELLO数据包，将数据包中有关的节点信息写入邻居信息表中。\n[0025] 在数据上传阶段，采用阶梯状的数据上传方式，发送节点和中继节点在分配的时间片内唤醒，进行数据收发，其余时间内进入休眠状态；其余节点一直保持休眠状态。\n[0026] 设置所述的时间片Si大小为Tslot，分为接收阶段RXi和发送阶段TXi，对于链路上相邻节点i与i+1，其对应的时间片Si的发送阶段与Si+1的接收阶段重合，即TXi=RXi+1，以此实现链路阶梯状的数据上传方式。\n[0027] 本发明的的技术构思为：主要面向电力线监测系统链状多跳网络的特点，并且根据事件驱动型的性质，提出了针对性的数据传输方法。设置两类节点：汇聚节点和传感器节点，汇聚节点周期性的广播信标用于与传感器节点时间同步；传感器节点将数据通过多跳的方式发送给汇聚节点。\n[0028] 该网络以T为工作周期，在每个网络周期，通过广播交换节点能量及数据发送信息，并根据能量负载均衡原则选择合理的中继节点以延长网络生命周期。在此之后，给发送节点和中继节点分配时间片使其进行梯状的数据上传以降低数据传输延迟，同时控制其余节点一直保持休眠，以减少节点能量消耗。\n[0029] 本发明的有益效果为：\n附图说明\n[0030] 图1是本发明所述基于无线传感器网络电力线监测的网络工作周期示意图；\n[0031] 图2是本发明所述的HELLO广播帧结构图；\n[0032] 图3是本发明所述的信标帧结构图；\n[0033] 图4是本发明所述的中继选择算法流程图；\n[0034] 图5是本发明所述的中继请求帧结构图；\n[0035] 图6是本发明所述的时间片分配算法流程图；\n[0036] 图7是本发明所述的时间片数据帧结构图；\n[0037] 图8是本发明所述的节点数据上传时间片调度示意图。\n具体实施方案\n[0038] 下面结合附图对本发明的进行详细说明。\n[0039] 参照图1~图8，一种基于无线传感器网络的电力线监测系统的分布式数据传输方法，所述电力线监测系统包括汇聚节点和传感器节点，汇聚节点周期性的广播信标用于与传感器节点时间同步；传感器节点将数据通过多跳的方式发送给汇聚节点，所述数据传输方法包括以下步骤：\n[0040] 6）、传感器节点以T为工作周期，每个周期的起始阶段通过捕获信标与汇聚节点进行时间同步；\n[0041] 7）、随机接入：传感器节点通过广播与邻居交换节点信息以确定本周期有数据需要发送的节点，即发送节点；\n[0042] 8）、通过发送节点间的通信可达性及局部网络能量负载均衡，分布式选择中继节点作为数据传输的中继；\n[0043] 所述的中继节点选择阶段由发送节点发起，选择在本周期无数据发送的传感器节点作为中继节点，步骤如下：\n[0044] 3.1）查看邻居信息表，判断前向N跳邻居有无数据发送；若有，则退出；若无，执行\n3.2）；\n[0045] 3.2）选择前向N跳邻居中剩余能量最大的传感器节点作为中继节点，发送请求包；\n[0046] 3.3）目标传感器节点接收到请求包，将自身设置为中继节点，执行3.1）；\n[0047] 9）、分布式地为在数据传输节点需要唤醒的节点，即发送节点和中继节点分配时间片，其余节点处于休眠状态；\n[0048] 发送节点和中继节点通过广播时间片数据包进行分布式的时间片分配，步骤如下：\n[0049] 4.1）发送节点和中继节点初始化本地时间片为S0；\n[0050] 4.2）广播时间片数据包，数据包中包含目前本传感器节点的时间片值S0；\n[0051] 4.3）若传感器节点收到后向邻居节点广播的时间片数据包，记录该数据包中时间片为Sc，判断S0与Sc，若Sc大于等于S0，执行4.4）；S0=Sc；执行4.2）；\n[0052] 4.4）若在Ta时间内没收到时间片数据包，时间片分配结束；\n[0053] 10）、采用阶梯状的数据上传链路对节点进行唤醒/休眠调度。\n[0054] 进一步，所述汇聚节点在工作周期T的起始阶段广播信标帧，信标帧中包含时间同步信息。\n[0055] 更进一步，所述工作周期T为随机接入、中继节点选择、时间片分配、数据上传四个阶段，随机接入阶段长度为Tr，中继节点选择阶段长度为Ts，时间片分配阶段长度为Ta，数据上传阶段长度为Tu，并且满足T=Tr+Ts+Ta+Tu。\n[0056] 所述随机接入阶段用于传感器节点进行信息交换，传感器节点广播HELLO数据包，其中包括节点ID、节点电量、是否需要发送数据指示；同时，节点在本地维护N跳邻居信息表，表中包含邻居节点ID、节点电量、数据发送指示位。\n[0057] 当传感器节点接收到邻居传感器节点的HELLO数据包，将数据包中有关的节点信息写入邻居信息表中。\n[0058] 在数据上传阶段，采用阶梯状的数据上传方式，发送节点和中继节点在分配的时间片内唤醒，进行数据收发，其余时间内进入休眠状态；其余节点一直保持休眠状态。\n[0059] 设置所述的时间片Si大小为Tslot，分为接收阶段RXi和发送阶段TXi，对于链路上相邻节点i与i+1，其对应的时间片Si的发送阶段与Si+1的接收阶段重合，即TXi=RXi+1，以此实现链路阶梯状的数据上传方式。\n[0060] 具体的工作周期如图1所示，汇聚节点以T（1分钟）为工作周期广播信标帧，信标帧中包含时间同步信息用于传感器节点和汇聚节点间的时间同步。信标帧的结构如图3所示。时间T组织为随机接入、中继节点选择、时间片分配、数据上传四个阶段，随机接入阶段长度为Tr（5秒），中继节点选择阶段长度为Ts（5秒），时间片分配阶段长度为Ta（10秒），数据上传阶段长度为Tu（40秒），并且满足T=Tr+Ts+Ta+Tu。\n[0061] 随机接入阶段用于传感器节点进行信息交换，传感器节点广播HELLO数据帧，具体帧格式如图2所示。HELLO数据帧中包括节点ID、节点电量、是否需要发送数据指示。同时，节点在本地维护N（典型值为3）跳邻居信息表，表中包含邻居节点ID、节点电量、数据发送指示。信息交换过程为：\n[0062] 1、节点将本地ID、节点电量、是否需要发送数据指示记录到HELLO数据包中，并将该数据包广播。\n[0063] 2、当节点收到邻居节点的HELLO数据包后，将相应的节点ID、节点电量、是否需要发送数据放入本地维护的N跳邻居信息表中。\n[0064] 中继节点选择阶段由发送节点发起，根据局部网络能量负载均衡选择相应的在本周期无数据发送的传感器节点作为中继节点，如图4所示，相应的步骤如下：\n[0065] 1、查看邻居信息表，判断前向N（典型值为3）跳邻居有无数据发送。若有，则退出；若无，执行2）。\n[0066] 2、选择前向N跳邻居中剩余能量最大的传感器节点作为中继节点，发送中继请求帧，帧格式如图5所示。\n[0067] 3、若目标传感器节点接收到中继请求帧，将自身设置为中继节点，执行1）。\n[0068] 时间片分配阶段发送节点和中继节点进行的时间片分配，其余节点处于休眠状态。发送节点和中继节点通过广播时间片数据包进行分布式的时间片分配，如图6所示，相应的步骤如下：\n[0069] 1、发送节点和中继节点初始化本地时间片为S0=1；\n[0070] 2、广播时间片数据帧，格式如图7所示。时间片数据帧中包含目前本传感器节点的时间片值S0；\n[0071] 3、若传感器节点收到后向邻居节点广播的时间片数据帧，记录该数据包中时间片为Sc，判断S0与Sc。若Sc大于等于S0，执行4）；\n[0072] 4、S0=Sc；执行2）；\n[0073] 若在Ta时间内没收到时间片数据包，时间片分配结束。\n[0074] 数据上传阶段，采用阶梯状的数据上传方式，如图8所示。发送节点和中继节点在分配的时间片内唤醒，进行数据收发，其余时间内进入休眠状态。其余节点一直保持休眠状态。所述的时间片Si大小为Tslot（典型值为200毫秒），分为接收阶段RXi（100毫秒）和发送阶段TXi（100毫秒）。对于链路上相邻节点i与i+1，其对应的时间片Si的发送阶段与Si+1的接收阶段重合，即TXi=RXi+1，以此实现链路阶梯状的数据上传方式。