面向輸電線路監測的無線傳感器網絡路由算法研究

許昌學院電氣(機電)工程學院 張世偉

0 引言

隨著我國經濟飛速的發展以及城鎮化進程的不斷加快，無論是城鎮居民用電，還是工業生產用電都在節節攀升。一旦電能供應出現問題，將直接影響到人民的生產生活和經濟的發展。而輸電線路承擔著電能的輸送和分配的任務，在整個電網系統中起著至關重要的作用，我國目前110千伏及以上的輸電線路長度已經達到98.7萬千米，這些輸電線路長期暴露在自然條件下，要面對倒塌、沉陷、雷擊、強風、暴雨和覆冰等自然災害的不斷侵襲，一旦輸電線路出現故障，將帶來非常嚴重的后果，如何及時有效的對輸電線路進行巡檢，發現問題，顯得至關重要。

目前，對輸電線路的監測手段有：人工巡檢、無人機巡檢、機器人巡檢等多種方式，由于受自然條件、環境變化、機器成本等因素的制約，巡檢質量不能得到有效地保證。近年來，隨著無線傳感器網絡（wireless sensor network）的不斷發展，因其具有低功耗、低成本、大規模、易部署、可靠性高等優勢，使無線傳感器網絡在輸電線路的監測中，得到了廣泛的應用。

本文針對輸電線路監測對無線傳感器網絡路由協議可靠性和時延性的要求，提出了一種結合LEACH和PEGASIS的優點的固定分簇多跳路由算法MRP-LP（A multi-hop routing algorithm based on fixed cluster and the advantages of LEACH and PEGASIS,MRPLP）。該算法考慮節點的剩余能量和相對位置進行分簇，簇內節點通過一跳的方式直接和簇頭通信，簇間則采用和PEGASIS協議一樣的通信策略，從而實現均衡網絡的能量消耗，減少網絡時延，進而提高網絡的生命周期。

1 輸電線路監測系統網絡模型

本文所研究的輸電線路監測系統主要由三層網絡組成，具體模型如圖1所示。第一層網絡，由無線傳感器節點組成，傳感器節點按照一定的規律部署在輸電線路上，因此網絡通常為長鏈狀的結構，桿塔承載多組輸電線路，節點周期性地采集輸電線路上的信息（如溫度、濕度、震動等數據），并將采集到的數據通過一跳或者多跳的方式發送給所在簇的簇頭節點，最終由簇頭節點把數據傳輸給匯聚節點。第二層網絡，由簇頭節點和匯聚節點組成，簇頭節點把融合后的數據，發送給匯聚節點。簇頭節點的能量要受到自身電池容量的限制，因此需要采用一定的算法來平衡節點的能量損耗。而匯聚節點的能量不受限制，簇頭節點和匯聚節點通過無線的方式直接通信。第三層網絡，由匯聚節點和控制中心組成，匯聚節點把簇頭節點發送的數據，經過數據處理融合之后，通過有線通信的方式（如光纖），發送給控制中心，最終實現對輸電線路的監測。

2 基于固定分簇的多跳路由算法

2.1 MRP-LP協議的總體框架

本文把長鏈狀、多層的輸電線路作為研究對象，采用無線傳感器網絡進行監測，提出了MRP-LP算法，該算法結合經典LEACH協議分簇、分層傳輸數據的優點以及PEGASIS協議均衡網絡能耗的優點，綜合考慮節點的相對位置、剩余能量進行分簇，通過PEGASIS協議中令牌控制的方式，最終實現簇頭節點和匯聚節點之間的通信。算法的具體流程如圖2所示。

圖1 輸電線路監測系統網絡模型

圖2 基于固定分簇的多跳路由算法流程圖

2.2 成簇階段

LEACH協議在選擇簇頭節點時，沒有考慮節點的當前剩余能量以及節點所處簇中的相對位置，極易造成某些節點的能量消耗過快，從而造成網絡能量分布不均或者是造成監測上的“盲區”。針對這種問題，本文結合輸電線路長鏈狀的特點，采用固定分簇的方法，把監測區域均勻的分成若干個區域，同時，在選擇每個簇的簇頭節點時，考慮節點的剩余能量，當節點的剩余能量大于整個簇的平均剩余能量時，才有機會成為本簇的簇頭節點。

在分簇階段，假設每個桿塔之間的距離為S米，由于網絡中配有GPS設備，節點能夠根據一定的算法，測算出自己的位置后，以每個桿塔作為簇的中心，傳感器節點就近加入相應的簇，這樣就形成了一個虛擬的簇，每個簇不會隨著時間的推移而發生變化，即保持固定不變，分簇結果如圖1所示。

在選擇簇頭階段，每個節點產生一個0到1之間的隨機數，如果這個數小于閾值T(n)，且該節點的剩余能量大于本簇內所有節點當前的平均剩余能量，則該節點向整個網絡廣播它是簇頭節點。T(n)的計算公式如式子(1)所示。

在式子（1）中，P是簇頭節點在網絡所有節點中所占的比例，r是當前的輪數，G是在最后的1/P輪中還沒有成為簇頭節點的集合。

2.3 路由階段

此階段包含兩個方面，一方面是無線傳感器節點和簇頭節點之間的數據傳輸，另一方面是簇頭節點與匯聚節點之間的數據傳輸。

由于傳感器節點部署在輸電線路上，呈現出分層、長鏈狀分布的狀態，在簇內數據傳輸階段，根據LEACH協議中的能量消耗模型可知，當節點之間的通信距離小于臨界值87m時，節點傳輸數據的能量消耗最小，因此所分圓形簇的直徑為87m，也就是桿塔間距S為87m，如圖1所示。

在簇頭節點和匯聚節點通信階段，如果所有的簇頭節點和匯聚節點直接通信（匯聚節點通常部署在監測區域之外），就會造成簇頭節點的能量急劇下降，造成網絡中節點能量分布不均，進而影響整個網絡的生命周期，因此，本文借鑒PEGASIS協議的思想，把網絡中所有的簇頭節點組成長鏈，簇頭節點間按照令牌控制的方法進行數據傳輸。具體方法如下：

（1）在簇內節點向簇頭發送完數據之后，網絡中的簇頭節點會廣播自己所處的位置信息，通過計算與匯聚節點的遠近，將距離匯聚節點最遠的簇頭節點選為長鏈的“首領”，依據貪婪算法找到臨近的簇頭節點，使其加入到鏈中，依照此方法，剩余的簇頭節點依次加入，這樣就形成了一個由簇頭節點組成的長鏈狀網絡。

（2）成鏈之后，簇頭節點采用令牌控制的方法向匯聚節點數據傳輸。令牌控制方式如圖3所示。

圖3 PEGASIS協議中令牌控制方法

在圖3中，假設簇頭節點C3為長鏈中的“首領”，當簇頭節點C1收到令牌后，簇頭節點C1把本簇內的數據經過融合之后，連同令牌控制信息一同發送給簇頭節點C2；簇頭節點C2收到C1發送來的信息后，把數據融合處理后，發送給“首領”C3；同理，簇頭C5會把信息送給C4，C4把信息傳送給C3，最終，由“首領”節點C3，單獨和匯聚節點進行通信。通過這種數據傳輸方式，一方面避免了所有簇頭節點遠距離向匯聚節點發送數據，另一方面實現了簇頭節點輪流向匯聚節點發送數據，不僅大大降低了網絡中節點的能量消耗，而且還均衡了各個節點的能量消耗，避免某些節點頻繁地發送數據而提前死亡，進而增強了網絡的穩定性和延長了整個網絡的生命周期。

3 實驗仿真分析

本文通過MATLAB對MRP-LP、LEACH和PEGASIS對比進行仿真。假設輸電線路總長為2.175km，桿塔間距為87m，每個塔桿上有兩層輸電線路，整個傳感器網絡被均勻的分為25個網格，每個網格中有12個傳感器節點，節點初始能量為0.5J。分別從網絡生命周期和網絡中能量負載均衡兩個方面進行仿真，來評價MRP-LP的性能。

通過分析圖4，可以發現，在MRP-LP算法中，第一個節點的死亡時間明顯滯后于LEACH和PEGASIS協議，說明MRP-LP算法在進行數據傳輸時，能夠均衡網絡中節點的能量消耗，使每一個節點盡可能的均衡消耗自身的能量，避免某個節點過多的傳輸數據而提前死亡，造成監測上的“空洞”。

圖4 LEACH、PEGASIS和MRP-LP生命周期對比圖

分析圖5，可以發現，MRP-LP在整個監測時間內，能量負載相對均衡，只是在后期，有節點死亡時，才出現了變化。

圖5 LEACH、PEGASIS和MRP-LP負載均衡對比圖

4 結論

本文針對長鏈狀的輸電線路，采用無線傳感器網絡進行監測的方法，同時結合輸電線路監測對無線傳感器網絡路由協議可靠性和時延性的要求，提出了一種固定分簇多跳路由算法MRP-LP。該算法在分簇階段借鑒LEACH協議分簇的思想，同時考慮節點的剩余能量，在簇間通信階段，則采用和PEGASIS協議一樣的令牌控制的方法進行數據傳輸，改進后的算法不僅均衡了網絡的能量消耗，而且還降低了網絡時延，最終實現了提高網絡生命周期的目的。

[1]孫利民.無線傳感網絡[M].清華大學出版社,2005.

[2]程沅.面向電網在線監測的WSN路由協議研究[D].合肥工業大學,2017.

[3]Len R A,Vittal V,Manimaran G.Application of Sensor Network for Secure Electric Energy Infrastructure[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(2):1021-1028.

[4]于秦,王偉東,張蘭心,等.基于輪作的無線傳感網絡鏈式路由協議[J].電子科技大學學報,2015,44(2):195-200.

[5]Heinzelman WR,Chandrakasan A,Balakrishnan H.Energy efficient communication protocol for wireless micro sensor networks.Hawaii,4 Jan[J].2000,2.

[6]熊志利,瞿少成.無線傳感器網絡節點的自定位技術研究[J].計算機科學,2017,44(z1):319-321.