面向输电线路监测的无线传感器网络路由算法研究

许昌学院电气(机电)工程学院 张世伟

0 引言

随着我国经济飞速的发展以及城镇化进程的不断加快，无论是城镇居民用电，还是工业生产用电都在节节攀升。一旦电能供应出现问题，将直接影响到人民的生产生活和经济的发展。而输电线路承担着电能的输送和分配的任务，在整个电网系统中起着至关重要的作用，我国目前110千伏及以上的输电线路长度已经达到98.7万千米，这些输电线路长期暴露在自然条件下，要面对倒塌、沉陷、雷击、强风、暴雨和覆冰等自然灾害的不断侵袭，一旦输电线路出现故障，将带来非常严重的后果，如何及时有效的对输电线路进行巡检，发现问题，显得至关重要。

目前，对输电线路的监测手段有：人工巡检、无人机巡检、机器人巡检等多种方式，由于受自然条件、环境变化、机器成本等因素的制约，巡检质量不能得到有效地保证。近年来，随着无线传感器网络（wireless sensor network）的不断发展，因其具有低功耗、低成本、大规模、易部署、可靠性高等优势，使无线传感器网络在输电线路的监测中，得到了广泛的应用。

本文针对输电线路监测对无线传感器网络路由协议可靠性和时延性的要求，提出了一种结合LEACH和PEGASIS的优点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）。该算法考虑节点的剩余能量和相对位置进行分簇，簇内节点通过一跳的方式直接和簇头通信，簇间则采用和PEGASIS协议一样的通信策略，从而实现均衡网络的能量消耗，减少网络时延，进而提高网络的生命周期。

1 输电线路监测系统网络模型

本文所研究的输电线路监测系统主要由三层网络组成，具体模型如图1所示。第一层网络，由无线传感器节点组成，传感器节点按照一定的规律部署在输电线路上，因此网络通常为长链状的结构，杆塔承载多组输电线路，节点周期性地采集输电线路上的信息（如温度、湿度、震动等数据），并将采集到的数据通过一跳或者多跳的方式发送给所在簇的簇头节点，最终由簇头节点把数据传输给汇聚节点。第二层网络，由簇头节点和汇聚节点组成，簇头节点把融合后的数据，发送给汇聚节点。簇头节点的能量要受到自身电池容量的限制，因此需要采用一定的算法来平衡节点的能量损耗。而汇聚节点的能量不受限制，簇头节点和汇聚节点通过无线的方式直接通信。第三层网络，由汇聚节点和控制中心组成，汇聚节点把簇头节点发送的数据，经过数据处理融合之后，通过有线通信的方式（如光纤），发送给控制中心，最终实现对输电线路的监测。

2 基于固定分簇的多跳路由算法

2.1 MRP-LP协议的总体框架

本文把长链状、多层的输电线路作为研究对象，采用无线传感器网络进行监测，提出了MRP-LP算法，该算法结合经典LEACH协议分簇、分层传输数据的优点以及PEGASIS协议均衡网络能耗的优点，综合考虑节点的相对位置、剩余能量进行分簇，通过PEGASIS协议中令牌控制的方式，最终实现簇头节点和汇聚节点之间的通信。算法的具体流程如图2所示。

图1 输电线路监测系统网络模型

图2 基于固定分簇的多跳路由算法流程图

2.2 成簇阶段

LEACH协议在选择簇头节点时，没有考虑节点的当前剩余能量以及节点所处簇中的相对位置，极易造成某些节点的能量消耗过快，从而造成网络能量分布不均或者是造成监测上的“盲区”。针对这种问题，本文结合输电线路长链状的特点，采用固定分簇的方法，把监测区域均匀的分成若干个区域，同时，在选择每个簇的簇头节点时，考虑节点的剩余能量，当节点的剩余能量大于整个簇的平均剩余能量时，才有机会成为本簇的簇头节点。

在分簇阶段，假设每个杆塔之间的距离为S米，由于网络中配有GPS设备，节点能够根据一定的算法，测算出自己的位置后，以每个杆塔作为簇的中心，传感器节点就近加入相应的簇，这样就形成了一个虚拟的簇，每个簇不会随着时间的推移而发生变化，即保持固定不变，分簇结果如图1所示。

在选择簇头阶段，每个节点产生一个0到1之间的随机数，如果这个数小于阈值T(n)，且该节点的剩余能量大于本簇内所有节点当前的平均剩余能量，则该节点向整个网络广播它是簇头节点。T(n)的计算公式如式子(1)所示。

在式子（1）中，P是簇头节点在网络所有节点中所占的比例，r是当前的轮数，G是在最后的1/P轮中还没有成为簇头节点的集合。

2.3 路由阶段

此阶段包含两个方面，一方面是无线传感器节点和簇头节点之间的数据传输，另一方面是簇头节点与汇聚节点之间的数据传输。

由于传感器节点部署在输电线路上，呈现出分层、长链状分布的状态，在簇内数据传输阶段，根据LEACH协议中的能量消耗模型可知，当节点之间的通信距离小于临界值87m时，节点传输数据的能量消耗最小，因此所分圆形簇的直径为87m，也就是杆塔间距S为87m，如图1所示。

在簇头节点和汇聚节点通信阶段，如果所有的簇头节点和汇聚节点直接通信（汇聚节点通常部署在监测区域之外），就会造成簇头节点的能量急剧下降，造成网络中节点能量分布不均，进而影响整个网络的生命周期，因此，本文借鉴PEGASIS协议的思想，把网络中所有的簇头节点组成长链，簇头节点间按照令牌控制的方法进行数据传输。具体方法如下：

（1）在簇内节点向簇头发送完数据之后，网络中的簇头节点会广播自己所处的位置信息，通过计算与汇聚节点的远近，将距离汇聚节点最远的簇头节点选为长链的“首领”，依据贪婪算法找到临近的簇头节点，使其加入到链中，依照此方法，剩余的簇头节点依次加入，这样就形成了一个由簇头节点组成的长链状网络。

（2）成链之后，簇头节点采用令牌控制的方法向汇聚节点数据传输。令牌控制方式如图3所示。

图3 PEGASIS协议中令牌控制方法

在图3中，假设簇头节点C3为长链中的“首领”，当簇头节点C1收到令牌后，簇头节点C1把本簇内的数据经过融合之后，连同令牌控制信息一同发送给簇头节点C2；簇头节点C2收到C1发送来的信息后，把数据融合处理后，发送给“首领”C3；同理，簇头C5会把信息送给C4，C4把信息传送给C3，最终，由“首领”节点C3，单独和汇聚节点进行通信。通过这种数据传输方式，一方面避免了所有簇头节点远距离向汇聚节点发送数据，另一方面实现了簇头节点轮流向汇聚节点发送数据，不仅大大降低了网络中节点的能量消耗，而且还均衡了各个节点的能量消耗，避免某些节点频繁地发送数据而提前死亡，进而增强了网络的稳定性和延长了整个网络的生命周期。

3 实验仿真分析

本文通过MATLAB对MRP-LP、LEACH和PEGASIS对比进行仿真。假设输电线路总长为2.175km，杆塔间距为87m，每个塔杆上有两层输电线路，整个传感器网络被均匀的分为25个网格，每个网格中有12个传感器节点，节点初始能量为0.5J。分别从网络生命周期和网络中能量负载均衡两个方面进行仿真，来评价MRP-LP的性能。

通过分析图4，可以发现，在MRP-LP算法中，第一个节点的死亡时间明显滞后于LEACH和PEGASIS协议，说明MRP-LP算法在进行数据传输时，能够均衡网络中节点的能量消耗，使每一个节点尽可能的均衡消耗自身的能量，避免某个节点过多的传输数据而提前死亡，造成监测上的“空洞”。

图4 LEACH、PEGASIS和MRP-LP生命周期对比图

分析图5，可以发现，MRP-LP在整个监测时间内，能量负载相对均衡，只是在后期，有节点死亡时，才出现了变化。

图5 LEACH、PEGASIS和MRP-LP负载均衡对比图

4 结论

本文针对长链状的输电线路，采用无线传感器网络进行监测的方法，同时结合输电线路监测对无线传感器网络路由协议可靠性和时延性的要求，提出了一种固定分簇多跳路由算法MRP-LP。该算法在分簇阶段借鉴LEACH协议分簇的思想，同时考虑节点的剩余能量，在簇间通信阶段，则采用和PEGASIS协议一样的令牌控制的方法进行数据传输，改进后的算法不仅均衡了网络的能量消耗，而且还降低了网络时延，最终实现了提高网络生命周期的目的。

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