基于分布式自舉算法的變電設(shè)備傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電氣行業(yè)，尤其是基于分布式自舉算法的變電設(shè)備傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)及 方法，用于降低變電站中傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗，提高傳感器節(jié)點(diǎn)抗噪聲性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了無線傳感器在軍 事監(jiān)測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。變電站中各類設(shè)備復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境危險(xiǎn)，不適合人工巡檢。 而無線傳感器具有體積小、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。為獲取各類設(shè)備的工作狀態(tài)，通常利用無線傳 感器對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)記錄其運(yùn)行參數(shù)。
[0003] 在變電站中，通常將傳感器安裝在變電設(shè)備上，通過傳感器實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行參 數(shù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給站級(jí)監(jiān)控處理系統(tǒng)，最后通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸給最終的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而無 線傳感器在傳輸參數(shù)時(shí)會(huì)直接發(fā)送給站級(jí)處理系統(tǒng)，所有的節(jié)點(diǎn)都采用運(yùn)種方式時(shí)會(huì)造成 各個(gè)節(jié)點(diǎn)能量消耗較快，節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間短。
[0004] 目前變電站傳感器節(jié)點(diǎn)的工作過程存在W下缺點(diǎn)： 陽0化]1.變電站中變電設(shè)備傳感器節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)傳輸距離遠(yuǎn)，能耗大，工作 時(shí)間短；
[0006] 2.變電站內(nèi)大部分設(shè)備具有金屬殼，無線電信號(hào)特有的趨膚效應(yīng)會(huì)在傳輸過程 中大幅衰減，后續(xù)不能達(dá)到工作要求；變電站內(nèi)有電暈等各類噪聲，嚴(yán)重影響信號(hào)的傳輸質(zhì) 量；
[0007] 3.多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)易形成碼間串?dāng)_，且信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸質(zhì)量差， 數(shù)據(jù)易丟失；
[0008] 4.變電設(shè)備傳感器各節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡，工作時(shí)間不一，不利于統(tǒng)一管理更換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述傳感器能耗高和信號(hào)傳輸質(zhì)量差問題，提供一種 基于分布式自舉算法的變電設(shè)備傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)及方法，它具有在變電站內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)通 過分布式自舉算法進(jìn)行組網(wǎng)，能夠顯著減少傳感器的能量消耗，均衡各節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延 長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)整體工作時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0011] 基于分布式自舉算法的變電設(shè)備傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)，包括：若干狀態(tài)信息采集傳感 器普通節(jié)點(diǎn)，狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)通過本身的分布式自舉算法決定是否能被選為 簇首節(jié)點(diǎn)，選出簇首節(jié)點(diǎn)后，狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)將采集到的設(shè)備狀態(tài)信息上傳 給設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)，設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)將接收到的設(shè)備 狀態(tài)信息融合處理后發(fā)送給變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)將收集到的設(shè)備狀態(tài)信 息發(fā)送給變電站子系統(tǒng)，變電站子系統(tǒng)將設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給外界監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器。
[0012] 所述變電站子站系統(tǒng)處于組網(wǎng)后系統(tǒng)的最高層，與變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通訊，接收 變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)整理后發(fā)送來的設(shè)備狀態(tài)信息，同時(shí)也向變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送命令信 息，控制監(jiān)控系統(tǒng)的工作方式；
[0013] 所述變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)處于組網(wǎng)后系統(tǒng)的第二層；變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)接收設(shè)備狀 態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息，在接收多個(gè)設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié) 點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài)信息后，進(jìn)行統(tǒng)一整理，然后發(fā)送給上級(jí)變電站子系統(tǒng)；同時(shí)變電設(shè)備監(jiān)控系 統(tǒng)接收上級(jí)變電站子系統(tǒng)的指令，并向設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)下發(fā)指令控制狀 態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)的工作方式；
[0014] 所述設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)位于組網(wǎng)后系統(tǒng)的第=層，設(shè)備狀態(tài)信息 采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)接收設(shè)定距離內(nèi)狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)采集的設(shè)備狀態(tài)信息， 并進(jìn)行融合處理后發(fā)送給上級(jí)變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；同時(shí)也接收上級(jí)變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的指 令，并將其發(fā)送給設(shè)定距離內(nèi)的狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)W控制設(shè)備狀態(tài)信息采集傳 感器簇首節(jié)點(diǎn)自身和狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)的工作方式；
[0015] 所述狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)位于組網(wǎng)后系統(tǒng)的第四層，狀態(tài)信息采集傳感 器普通節(jié)點(diǎn)采用將采集到的設(shè)備信息發(fā)送給設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)，同時(shí)能夠 接收設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送的指令，根據(jù)指令完成工作。
[0016] 所述變電站子系統(tǒng)通過光纖或總線的方式與變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通訊。
[0017] 變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通過無線方式接收狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送的狀態(tài) 信息。
[0018] 設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)采用無線方式接收設(shè)定距離內(nèi)狀態(tài)信息采集 傳感器普通節(jié)點(diǎn)采集的設(shè)備狀態(tài)信息。
[0019] 所述狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)采用無線的方式通訊，將采集到溫度、濕度和 色譜等信息量發(fā)送給設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)。
[0020] 變電站子站系統(tǒng)通過光纖或無線方式與外界監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器通訊，將該變電站下 的設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給外界監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器，外界監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器實(shí)時(shí)處理狀態(tài)信息并通 過設(shè)定的方式進(jìn)行展示；同時(shí)外界監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器下達(dá)指令要求變電站子站系統(tǒng)完成相應(yīng) 工作。
[0021] 基于分布式自舉算法的變電設(shè)備傳感器組網(wǎng)方法，包括如下步驟：
[0022] 步驟（1):在組網(wǎng)階段，首先進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)選舉，狀態(tài)信 息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)通過本身的分布式自舉算法決定是否能被選為簇首節(jié)點(diǎn)，選舉出的 設(shè)備狀態(tài)信息采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)廣播聲明消息，其余的狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行入網(wǎng)申請(qǐng)，申請(qǐng)成功后狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)成為簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)，設(shè)備狀態(tài)信息 采集傳感器簇首節(jié)點(diǎn)為簇內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)分配工作時(shí)隙；
[0023] 步驟（2):穩(wěn)定工作階段，各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)在簇首節(jié)點(diǎn)分配的工作時(shí)隙內(nèi)，按TDM機(jī) 制通過直接序列擴(kuò)頻DSSS方式給簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，成員節(jié)點(diǎn)根據(jù)簇首節(jié)點(diǎn)位置調(diào)整發(fā) 射功率降低通信干擾，同時(shí)減少能量消耗。簇首節(jié)點(diǎn)W直接序列擴(kuò)頻的方式將融合后的信 息發(fā)送到變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)將收集到的設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給變電站子 系統(tǒng)，變電站子系統(tǒng)將設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給外界監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器；
[0024] 步驟（3):本輪工作結(jié)束，開始下一輪工作過程。
[00巧]所述步驟（1)中的組網(wǎng)階段，物理層通信方式均采用非堅(jiān)持CSMA協(xié)議；
[00%] 所述步驟（I)的組網(wǎng)階段是W簇為單位的，每個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)分為簇首節(jié)點(diǎn)和成員 節(jié)點(diǎn)。簇首節(jié)點(diǎn)的工作是組織簇結(jié)構(gòu)，接收成員節(jié)點(diǎn)采集到的信息，將信息融合后再發(fā)送給 變電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；成員節(jié)點(diǎn)任務(wù)是采集信息并將信息發(fā)送給簇首節(jié)點(diǎn)。
[0027]所述步驟（1)分布式自舉算法：
[0028] 狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)與一個(gè)設(shè)定的口限值比較；
[0029] 即每個(gè)狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0到1的隨機(jī)數(shù)，然后隨機(jī)數(shù)與口 限值T(n)比較，如果小于T(n)，則該狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)就成為簇首節(jié)點(diǎn)，簇首 節(jié)點(diǎn)將成為簇首節(jié)點(diǎn)的信息廣播給周圍設(shè)定距離內(nèi)的狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)。
[0030] 所述口限值T(n)由式（1)決定：
(1)
[0032] 其中
k表示網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點(diǎn)數(shù)目，n表示節(jié)點(diǎn)總數(shù)，P表示簇首占節(jié)點(diǎn)總 數(shù)的比例；r表示當(dāng)前的輪數(shù)，G表示最近1/P輪沒有成為簇首的節(jié)點(diǎn)集合。
[0033] 狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)在成為簇首節(jié)點(diǎn)后，采用非堅(jiān)持CSM協(xié)議接入無 線信道。
[0034] 所述聲明消息包括簇首節(jié)點(diǎn)編號(hào)、表示消息類型的頭部和其它簇首信息。
[0035]狀態(tài)信息采集傳感器普通節(jié)點(diǎn)在收到多個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)廣播的聲明消息后，由接收到 信號(hào)的強(qiáng)度大小判斷距離簇首節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近，選擇距離近的簇加入。在選擇簇首節(jié)點(diǎn)后通過 非堅(jiān)持CSM協(xié)議接入信道，并向選定的簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求加入消息W加入簇，成為簇內(nèi)成 員節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)求加入消息包括簇首節(jié)點(diǎn)編號(hào)和自身節(jié)點(diǎn)編號(hào)。 陽036] 簇首節(jié)點(diǎn)為每個(gè)申請(qǐng)加入簇的成員節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)工作時(shí)隙，通過非堅(jiān)持CSMA協(xié) 議接入信道，并將時(shí)隙信息W廣播的方式通知所有成員節(jié)點(diǎn)。
[0037] 成員節(jié)點(diǎn)接收到工作時(shí)隙后開始工作，即成員節(jié)點(diǎn)獲得分配的工作時(shí)隙，標(biāo)志著 組