基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统及方法

摘要

本发明公开了基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统及方法；包括：若干状态信息采集传感器普通节点，状态信息采集传感器普通节点通过本身的分布式自举算法决定是否能被选为簇首节点，选出簇首节点后，状态信息采集传感器普通节点将采集到的设备状态信息上传给设备状态信息采集传感器簇首节点，设备状态信息采集传感器簇首节点将接收到的设备状态信息融合处理后发送给变电设备监控系统，变电设备监控系统将收集到的设备状态信息发送给变电站子系统，变电站子系统将信息发送给外界监控系统服务器。具有在变电站内传感器节点通过分布式自举算法进行组网，能够显著减少传感器的能量消耗，均衡各节点的能量消耗，延长网络整体工作时间的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电气行业，尤其是基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统及方法， 用于降低变电站中传感器节点的能耗，提高传感器节点抗噪声性能。

背景技术

近年来无线通信技术、嵌入式技术和传感器技术的发展，促进了无线传感器在军事监测 和工业生产中广泛应用。变电站中各类设备复杂，运行环境危险，不适合人工巡检。而无线 传感器具有体积小、适应性强的特点。为获取各类设备的工作状态，通常利用无线传感器对 变电设备进行在线监测，实时记录其运行参数。

在变电站中，通常将传感器安装在变电设备上，通过传感器实时采集设备运行参数，然 后将数据传输给站级监控处理系统，最后通过光纤网络传输给最终的监测系统。而无线传感 器在传输参数时会直接发送给站级处理系统，所有的节点都采用这种方式时会造成各个节点 能量消耗较快，节点工作时间短。

目前变电站传感器节点的工作过程存在以下缺点：

1.变电站中变电设备传感器节点直接发送到监控系统传输距离远，能耗大，工作时间短；

2.变电站内大部分设备具有金属壳，无线电信号特有的趋肤效应会在传输过程中大幅衰 减，后续不能达到工作要求；变电站内有电晕等各类噪声，严重影响信号的传输质量；

3.多个传感器节点同时发送信息时易形成码间串扰，且信号远距离传输质量差，数据易 丢失；

4.变电设备传感器各节点能量消耗不均衡，工作时间不一，不利于统一管理更换。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述传感器能耗高和信号传输质量差问题，提供一种基于分 布式自举算法的变电设备传感器组网系统及方法，它具有在变电站内传感器节点通过分布式 自举算法进行组网，能够显著减少传感器的能量消耗，均衡各节点的能量消耗，延长网络整 体工作时间的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统，包括：若干状态信息采集传感器普通 节点，状态信息采集传感器普通节点通过本身的分布式自举算法决定是否能被选为簇首节点， 选出簇首节点后，状态信息采集传感器普通节点将采集到的设备状态信息上传给设备状态信 息采集传感器簇首节点，设备状态信息采集传感器簇首节点将接收到的设备状态信息融合处 理后发送给变电设备监控系统，变电设备监控系统将收集到的设备状态信息发送给变电站子 系统，变电站子系统将设备状态信息发送给外界监控系统服务器。

所述变电站子站系统处于组网后系统的最高层，与变电设备监控系统通讯，接收变电设 备监控系统整理后发送来的设备状态信息，同时也向变电设备监控系统发送命令信息，控制 监控系统的工作方式；

所述变电设备监控系统处于组网后系统的第二层；变电设备监控系统接收设备状态信息 采集传感器簇首节点发送的状态信息，在接收多个设备状态信息采集传感器簇首节点发送的 状态信息后，进行统一整理，然后发送给上级变电站子系统；同时变电设备监控系统接收上 级变电站子系统的指令，并向设备状态信息采集传感器簇首节点下发指令控制状态信息采集 传感器普通节点的工作方式；

所述设备状态信息采集传感器簇首节点位于组网后系统的第三层，设备状态信息采集传 感器簇首节点接收设定距离内状态信息采集传感器普通节点采集的设备状态信息，并进行融 合处理后发送给上级变电设备监控系统；同时也接收上级变电设备监控系统的指令，并将其 发送给设定距离内的状态信息采集传感器普通节点以控制设备状态信息采集传感器簇首节点 自身和状态信息采集传感器普通节点的工作方式；

所述状态信息采集传感器普通节点位于组网后系统的第四层，状态信息采集传感器普通 节点采用将采集到的设备信息发送给设备状态信息采集传感器簇首节点，同时能够接收设备 状态信息采集传感器簇首节点发送的指令，根据指令完成工作。

所述变电站子系统通过光纤或总线的方式与变电设备监控系统通讯。

变电设备监控系统通过无线方式接收状态信息采集传感器簇首节点发送的状态信息。

设备状态信息采集传感器簇首节点采用无线方式接收设定距离内状态信息采集传感器普 通节点采集的设备状态信息。

所述状态信息采集传感器普通节点采用无线的方式通讯，将采集到温度、湿度和色谱等 信息量发送给设备状态信息采集传感器簇首节点。

变电站子站系统通过光纤或无线方式与外界监控系统服务器通讯，将该变电站下的设备 状态信息发送给外界监控系统服务器，外界监控系统服务器实时处理状态信息并通过设定的 方式进行展示；同时外界监控系统服务器下达指令要求变电站子站系统完成相应工作。

基于分布式自举算法的变电设备传感器组网方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在组网阶段，首先进行设备状态信息采集传感器簇首节点选举，状态信息采 集传感器普通节点通过本身的分布式自举算法决定是否能被选为簇首节点，选举出的设备状 态信息采集传感器簇首节点广播声明消息，其余的状态信息采集传感器普通节点进行入网申 请，申请成功后状态信息采集传感器普通节点成为簇内成员节点，设备状态信息采集传感器 簇首节点为簇内的成员节点分配工作时隙；

步骤(2)：稳定工作阶段，各个成员节点在簇首节点分配的工作时隙内，按TDMA机制通 过直接序列扩频DSSS方式给簇首节点发送信息，成员节点根据簇首节点位置调整发射功率降 低通信干扰，同时减少能量消耗。簇首节点以直接序列扩频的方式将融合后的信息发送到变 电设备监控系统；变电设备监控系统将收集到的设备状态信息发送给变电站子系统，变电站 子系统将设备状态信息发送给外界监控系统服务器；

步骤(3)：本轮工作结束，开始下一轮工作过程。

所述步骤(1)中的组网阶段，物理层通信方式均采用非坚持CSMA协议；

所述步骤(1)的组网阶段是以簇为单位的，每个簇内的节点分为簇首节点和成员节点。 簇首节点的工作是组织簇结构，接收成员节点采集到的信息，将信息融合后再发送给变电设 备监控系统；成员节点任务是采集信息并将信息发送给簇首节点。

所述步骤(1)分布式自举算法：

状态信息采集传感器普通节点产生一个随机数与一个设定的门限值比较；

即每个状态信息采集传感器普通节点产生一个0到1的随机数，然后随机数与门限值T(n) 比较，如果小于T(n)，则该状态信息采集传感器普通节点就成为簇首节点，簇首节点将成为 簇首节点的信息广播给周围设定距离内的状态信息采集传感器普通节点。

所述门限值T(n)由式(1)决定：

其中：k表示网络中簇首节点数目，n表示节点总数，p表示簇首占节点总数的 比例；r表示当前的轮数，G表示最近1/p轮没有成为簇首的节点集合。

状态信息采集传感器普通节点在成为簇首节点后，采用非坚持CSMA协议接入无线信道。

所述声明消息包括簇首节点编号、表示消息类型的头部和其它簇首信息。

状态信息采集传感器普通节点在收到多个簇首节点广播的声明消息后，由接收到信号的 强度大小判断距离簇首节点的远近，选择距离近的簇加入。在选择簇首节点后通过非坚持CSMA 协议接入信道，并向选定的簇首节点发送请求加入消息以加入簇，成为簇内成员节点。请求 加入消息包括簇首节点编号和自身节点编号。

簇首节点为每个申请加入簇的成员节点分配一个工作时隙，通过非坚持CSMA协议接入信 道，并将时隙信息以广播的方式通知所有成员节点。

成员节点接收到工作时隙后开始工作，即成员节点获得分配的工作时隙，标志着组网阶 段的结束和稳定工作阶段的开始。

所述步骤(2)的稳定工作阶段包括簇内信息传输阶段和簇首信息转发阶段。

簇内信息传输阶段：簇内成员节点将采集到的信息在分配的时隙内发送给本簇簇首节点。

簇首信息转发阶段：簇首节点在接收到成员节点的信息后进行融合，经处理后发送给变 电设备监控系统。当所有的簇首都发送完信息后本轮周期结束，开始下一轮的组网和信息传 输。

所述TDMA即时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙发送信 号，在满足定时和同步的条件下，接收方可以分别在各时隙中接收到各传感器节点的信号而 不混扰。同时，接收方发向多个终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各终端只要 在设定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

所述非坚持CSMA协议指即带冲突检测的载波监听多路访问技术，实现对传输介质的访问 控制。当所有的节点共享传输线路时，若线路忙，则节点等待一段时间，再监听；不忙时， 立即发送；这样能够减少各个节点发送信息时的冲突。

所述直接序列扩频DSSS方式指用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加(波形相乘) 后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号，即将原来较高功率、较窄的频 率变成具有较宽频的低功率频率，以在无线通信领域获得良好的抗噪声效果。接收端用相同 的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原为原来的信号。直接序列扩频技术在军事通 信和机密工业中得到了广泛的应用，现在普及到一些民用的高端产品，例如信号基站、无线 电视、蜂窝手机等，是一种可靠安全的工业应用方案。

本发明的有益效果：

1.相对于传感器节点传统工作方式，均衡各传感器节点能量消耗，节点工作时间更长。

2.采用直接序列扩频通讯方式的能够取得良好的抗噪声效果，提高信息传输质量。

3.通过采用簇首节点中继和预处理的方案，提高信息处理效率和能量利用率。

4.本方法分簇组网方式简单，易于部署，有较强的稳定性和可管理性。

5.簇首节点选举不需要其它节点参与体现了其自组织的特点，对网络的变化能动态适应。 可以看出决定一个节点能否成为簇首主要有两方面因素：一是网络中预先设定的簇首节点所 占的比例，二是该节点是否在以前成为过簇首。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为系统一轮工作过程示意图；

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种基于分布式自举算法的变电设备传感器组网系统，主要涉及变电 站子站系统、变电设备监控系统以及变电站内各种设备状态信息采集传感器簇首节点和普通 节点。

变电站子站系统处于组网后系统的最高层，它可以通过光纤或总线的方式与变电设备监 控系统通讯，接收变电设备监控系统整理后发送来的设备状态信息，同时可以向变电设备监 控系统发送命令信息，控制监控系统的工作方式。

变电设备监控系统处于组网后系统的第二层；所述变电设备监控系统通过无线方式接收 状态信息采集传感器簇首节点发送的状态信息，在接收多个簇首节点发送的状态信息后，进 行统一整理，然后发送给上级变电站子系统。同时变电设备监控系统可接收上级变电站子系 统的指令，并向传感器簇首节点下发指令控制传感器的工作方式。

设备状态信息采集传感器簇首节点位于组网后系统的第三层，所述设备状态信息采集传 感器簇首节点采用无线方式通讯，接收设定距离内状态信息采集传感器普通节点采集的设备 状态信息，并进行融合处理后发送给上级变电设备监控系统。同时可以接收上级变电设备监 控系统的指令，并将其发送给设定距离内的普通节点以控制其自身和普通节点的工作方式。

状态信息采集传感器普通节点即普通节点位于组网后系统的第四层，所述普通节点采用 无线的方式通讯，根据功能的不同将采集到温度、湿度和色谱等信息量发送给簇首节点，同 时能够接收簇首节点发送的指令，根据指令完成工作。

变电站子站系统可以通过光纤或无线等方式与外界监控系统服务器通讯，将该变电站下 的设备状态信息发送给设备监控系统的服务器，监控系统实时处理状态信息并通过一定的方 式进行展示。同时监控系统可以下达指令要求变电站子站系统完成相应工作。

一种基于分布式自举算法的变电设备传感器组网方式，流程如图3所示，组网及工作过 程如下：

步骤一：在组网阶段，簇首节点广播声明消息，普通节点进行入网申请，申请成功后簇 首为簇内的成员节点分配工作时隙，这一阶段物理层通信方式均采用非坚持CSMA协议；

步骤二：稳定工作阶段，各个成员在给定的时隙内按TDMA机制通过直接序列扩频(DSSS) 方式给簇首发送信息，成员节点根据簇首节点位置调整发射功率降低通信干扰，同时减少能 量消耗。簇首也以直接序列扩频的方式将融合后的信息发送到监控系统；

步骤三：本轮工作结束，开始下一轮工作过程

所述步骤一的组网阶段是以簇为单位的，每个簇内的节点可以分为簇首节点和成员节点。 簇首节点的主要工作是组织簇结构，接收成员节点采集到的信息，将信息融合后再发送给监 控系统。成员节点主要任务是采集信息并将信息发送给簇首节点。

在该阶段的簇首选举过程中，传感器节点产生一个随机数与一个特定的门限值比较来决 定是否成为簇首，在这个过程中不需要其它节点的参与。即每个节点产生一个0到1的随机 数，然后这个值与门限值T(n)比较，如果小于T(n)则该节点就成为簇首节点并将该信息广播 给周围节点。门限值T(n)由式1决定的。

其中：k表示网络中簇首节点数目，n表示节点总数，p表示簇首占节点总数的 比例；r表示当前的轮数，G表示最近1/p轮没有成为簇首的节点集合。

考虑到变电站内实际情况，设备往往在某几个区域聚集，并非呈现随机分布的形式，因 而簇首节点数目可以根据设备形成的区域数来进行确定。

簇首选举不需要其它节点参与体现了其自组织的特点，对网络的变化能动态适应。可以 看出决定一个节点能否成为簇首主要有两方面因素：一是网络中预先设定的簇首节点所占的 比例，二是该节点是否在以前成为过簇首。

节点在成为簇首后采用非坚持CSMA协议接入无线信道，并采用相同的发射功率向全网节 点广播簇首声明消息，该消息主要包括簇首节点编号、表示消息类型的头部和其它簇首信息。

普通的成员节点在收到多个簇首广播的声明消息后，由接收到信号的强度大小判断距离 簇首的远近，选择一个距离较近的簇加入。在选择簇首后通过非坚持CSMA协议接入信道，并 向选定的簇首发送请求加入消息以加入簇，成为簇内成员节点。请求加入消息包括簇首节点 编号和自身节点编号。

簇首为每个申请加入簇的成员节点分配一个工作时隙，通过非坚持CSMA协议接入信道， 并将时隙信息以广播的方式通知所有成员节点。

成员节点接收到时隙信息后开始工作，即成员节点获得分配的时隙标志着组网阶段的结 束和稳定工作阶段的开始。

所述步骤二的稳定工作阶段主要包括簇内信息传输和簇首信息转发两个阶段。

簇内信息传输：簇内成员将采集到的信息在分配的时隙内发送给本簇簇首。

簇首信息转发：簇首在接收到成员节点的信息后进行融合，经处理后发送给基站。当所 有的簇首都发送完信息后本轮周期结束，开始下一轮的组网和信息传输。

所述TDMA即时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙发送信 号，在满足定时和同步的条件下，接收方可以分别在各时隙中接收到各终端的信号而不混扰。 同时，接收方发向多个终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各终端只要在指定的 时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

所述非坚持CSMA协议指即带冲突检测的载波监听多路访问技术，主要实现对传输介质的 访问控制。当所有的节点共享传输线路时，若线路忙，则节点等待一段时间，再监听；不忙 时，立即发送；这样能够减少各个节点发送信息时的冲突。

所述直接序列扩频(DSSS)方式指用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加(波形 相乘)后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号，即将原来较高功率、较 窄的频率变成具有较宽频的低功率频率，以在无线通信领域获得良好的抗噪声效果。接收端 用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原为原来的信号。直接序列扩频技术在 军事通信和机密工业中得到了广泛的应用，现在普及到一些民用的高端产品，例如信号基站、 无线电视、蜂窝手机等，是一种可靠安全的工业应用方案。

一种基于分布式自举算法的变电设备传感器组网方式，通常工作过程按以下步骤：

1.将传感器节点部署于变电站内的各个变电设备上；

2.传感器组网阶段，需要进行簇首选举和簇形成阶段；

3.传感器节点稳定工作阶段，即传输信息过程；

4.本轮工作结束，开始下一轮工作过程；

步骤2中MAC层均采用非坚持CSMA协议。

步骤3中簇首和节点TDMA机制分配时隙，通过直接序列扩频(DSSS)方式发送信息。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。