配電線路區域視頻監測的無線傳感器網絡數據傳輸方法與流程
2023-04-22 21:15:36 1
本發明具體涉及一種配電線路區域視頻監測的無線傳感器網絡數據傳輸方法。
背景技術：
隨著經濟技術的發展和人們生活水平的提高，電能已經成為人們生產和生活中必不可少的二次能源之一。因此，穩定可靠是電力系統的最重要的目標。
配電線路是智能配電網絡的重要組成部分，線路監測業務是保證配電網線路安全運行的前提，因此有必要構建有效的配電線路視頻監測通信網絡系統。目前，已經配置的配電線路區域侵入監測系統如圖1所示：圖中101為配電線路杆塔，102為配電線路，1為WSN攝像頭節點，2為WSN傳輸節點，3為WSN接收節點；在杆塔上安裝線路感應供電的WSN網關作為WSN接收節點，在配電線路上安裝多個電池供電的WSN傳輸節點，用於構建WSN傳輸路徑；在配電線路上安裝線路感應供電的區域侵入監測WSN攝像頭節點；WSN傳輸節點通過構建有效數據傳輸路徑，將WSN攝像頭節點的區域侵入監測信息，周期性地通過WSN傳輸節點傳輸到WSN接收節點，WSN接收節點通過配電線路的光纖有線通信通道將區域侵入監測信息通過變電站通信通道回傳到監測主站，實現遠程配電線路區域侵入監測功能。
配電線路區域侵入監測具備正常狀態多而異常狀態少的業務特點。該業務在正常狀態下，配電線路視頻監測點只需周期性地發送一個標識正常狀態的信息到監測中心，只有在異常狀態下需要回傳監測區域的完整視頻圖像幀信息到監測中心。但是現有的WSN配電線路視頻監測傳輸方法中，通常是將監測區域視頻圖像幀信息周期性地通過WSN傳輸節點傳輸到監測中心，未考慮以上配電線路區域侵入監測業務傳輸特點以及WSN網絡節能傳輸要求，因此在傳輸過程中因視頻幀數據量大，使得WSN節點能量耗盡過快，導致WSN配電線路視頻監測網絡性能低的問題。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種在保證數據傳輸高效率和可靠性的基礎上有效降低網絡功耗的配電線路區域視頻監測的無線傳感器網絡數據傳輸方法。
本發明提供的這種配電線路區域視頻監測的無線傳感器網絡數據傳輸方法，包括如下步驟：
S1.在已經設置了WSN接收節點和WSN攝像頭節點的配電線路上，將WSN接收節點和WSN攝像頭節點連接線的帶狀區域劃分為K個子區域；
S2.在步驟S1得到的各個子區域中布置N個WSN傳輸節點；N為自然數；
S3.設置WSN傳輸節點能量比閾值alph1和alph2，且alph1<alph2；計算當前時刻WSN傳輸節點的能量比；所述能量比定義為節點當前能量與節點初始能量的比值；
S4.根據步驟S3得到的WSN傳輸節點的能量比與WSN傳輸節點能量比閾值的比較結果將WSN傳輸節點分類；
S5.根據WSN攝像頭節點獲取的圖像幀信息判定是否存在配電線路區域侵入異常狀態，並根據判定結果選擇步驟S4中得到的分類後WSN傳輸節點的一類傳輸節點，將判定結果通過選擇的一類傳輸節點傳輸到WSN接收節點，完成配電線路視頻監測的無線傳感器網絡信號傳輸。
步驟S1所述的將帶狀區域劃分為K個子區域，為採用如下算式計算子區域個數K：
K＝ceil(L/2R)
式中ceil為向上取整函數；L為WSN接收節點和WSN攝像頭節點之間的直線距離；R為WSN傳輸節點的傳輸距離半徑。
步驟S2所述的布置WSN傳輸節點，具體為採用如下方式進行WSN傳輸節點的布置：
A.在步驟S1得到的每個子區域的地理中心布置一個WSN中心傳輸節點；
B.以WSN中心傳輸節點為中心，以WSN中心傳輸節點指向WSN接收節點方向為0°正方向，在WSN中心傳輸節點的正方向[-Q°,+Q°]區域內布置X個WSN輔助傳輸節點；Q和X均為正整數；
C.以WSN中心傳輸節點為中心，以WSN中心傳輸節點指向WSN攝像頭節點方向為0°負方向，在WSN中心傳輸節點的負方向[-W°,+W°]區域內布置Y個WSN輔助傳輸節點；W和Y均為正整數。
所述的Q為45。
所述的W為45。
步驟S4所述的將WSN傳輸節點劃分為三類，具體為採用如下規則進行分類：
1)若WSN傳輸節點的能量比≥alph2，則該WSN傳輸節點認定為高能量節點；
2)若alph1<WSN傳輸節點的能量比<alph2，則該WSN傳輸節點認定為中能量節點；
3)若WSN傳輸節點的能量比≤alph1，則該WSN傳輸節點認定為低能量節點。
步驟S5所述的判定是否存在配電線路區域侵入異常狀態，為採用如下步驟進行判斷：
a.採用如下算式計算WSN攝像頭節點採集圖像的像素灰度級異或累加平均值：
<![CDATA[ X O R = Σ i = 1 M Σ j = 1 N f p ( i , j ) f p - 1 ( i , j ) / M N ]]>
式中XOR為像素灰度級異或累加平均值；WSN攝像頭節點採集圖像的像素解析度為M×N；fp(i,j)為WSN攝像頭節點採集的第p幀圖像的第i行第j列點的像素灰度值；
b.設置區域侵入異常狀態閾值為C，且0<C<1；根據以下規則判斷是否存在配電線路區域侵入異常狀態：
①若XOR≥C，則判定配電線路區域侵入狀態為異常；
②若XOR<C，則判定配電線路區域侵入狀態為正常。
步驟S5所述的根據判定結果選擇WSN傳輸節點類型，具體為根據以下規則進行選取：
(1)若配電線路區域侵入狀態為異常，則將WSN攝像頭節點採集的當前圖像幀通過高能量節點傳輸到WSN接收節點；
(2)若配電線路區域侵入狀態為正常，則將表明配電線路運行正常的信息源通過中能量節點傳輸到WSN接收節點。
本發明提供的這種配電線路區域視頻監測的無線傳感器網絡數據傳輸方法，通過劃分配電線路子區域和按照有向冗餘方式在配電線路節點子區域部署WSN節點基礎上構建高能量和中能量雙傳輸路徑，再通過圖像幀內像素灰度級異或操作實現視頻監測區域狀態計算操作優化傳輸信息源，最終根據判定結果分別選取路徑傳輸異常狀態下的視頻圖像幀或線路正常運行信息源，因此本發明充分考慮了配電線路區域侵入監測具備正常狀態多而異常狀態少，只在異常狀態下需要回傳完整視頻圖像幀數據特點，採用冗餘方式布置傳輸節點，保證信號傳輸的可靠性；根據傳輸節點的剩餘能量和傳輸數據量的大小分別選擇獨立路徑傳輸，在保證數據傳輸高效率和可靠性的基礎上有效降低WSN網絡節點平均傳輸耗能，提高WSN配電線路視頻監測網絡傳輸性能，極大的延長了WSN網絡的壽命。
附圖說明
圖1為現有技術的配電線路區域侵入監測系統結構示意圖。
圖2為本發明的方法流程示意圖。
圖3為本發明的配電線路帶狀區域劃分子區域示意圖。
圖4為本發明的WSN傳輸節點配電線路帶狀有向冗餘部署示意圖。
圖5為本發明的WSN傳輸節點配電線路帶狀有向冗餘部署俯視圖。
圖6為本發明的WSN攝像頭節點傳輸數據流程圖。
具體實施方式
如圖2所示為本發明的方法流程圖：本發明提供的這種配電線路區域視頻監測的無線傳感器網絡數據傳輸方法，包括如下步驟：
S1.在已經設置了WSN接收節點和WSN攝像頭節點的配電線路上，將WSN接收節點和WSN攝像頭節點連接線的帶狀區域劃分為K個子區域：
採用如下算式計算子區域個數K：
K＝ceil(L/2R)
式中ceil為向上取整函數；L為WSN接收節點和WSN攝像頭節點之間的直線距離；R為WSN傳輸節點的傳輸距離半徑。
如圖3所示即為計算後K為3的區域劃分情況，圖中1為WSN攝像頭節點，101為配電線路杆塔，102為配電線路，3為WSN接收接待，21～23即為劃分的子區域；在WSN攝像頭節點和WSN接收節點間按照距離和WSN單個傳輸節點的通信傳輸距離半徑，將配電線路的帶狀傳輸區域劃分成3個數據轉發WSN節點子區域，分別為子區域21，子區域22和子區域23，則WSN攝像頭節點到WSN接收節點的數據傳輸路由路經跳數為4跳。
S2.在步驟S1得到的各個子區域中布置N個WSN傳輸節點；具體為採用如下方式進行WSN傳輸節點的布置：
A.在步驟S1得到的每個子區域的地理中心布置一個WSN中心傳輸節點；
B.以WSN中心傳輸節點為中心，以WSN中心傳輸節點指向WSN接收節點方向為0°正方向，在WSN中心傳輸節點的正方向[-Q°,+Q°]區域內布置X個WSN輔助傳輸節點；Q和X均為正整數；
C.以WSN中心傳輸節點為中心，以WSN中心傳輸節點指向WSN攝像頭節點方向為0°負方向，在WSN中心傳輸節點的負方向[-W°,+W°]區域內布置Y個WSN輔助傳輸節點；W和Y均為正整數。
作為優選方案，Q和W均取值為45，X和Y均取值為4.
如圖4所示即為WSN傳輸節點配電線路帶狀有向冗餘部署示意圖：圖中101為配電線路杆塔，1為WSN攝像頭節點，3為WSN接收節點，211即為WSN中心傳輸節點，212為WSN輔助傳輸節點；在安置在配電線路上作為配電線路視頻監測攝像頭節點的WSN攝像頭節點和安置在輸電線桿塔上作為WSN網關的WSN接收節點的帶狀區域中，在子區域地理中心部署一個WSN中心傳輸節點；其次定義子區域WSN中心傳輸節點與WSN接收節點連線的射線方向為前向0度方向，定義子區域WSN中心傳輸節點與WSN攝像頭節點連線方向的射線為後向0度方向；然後以子區域WSN中心傳輸節點為起點，分別在子區域前向[-45度,45度]方向和子區域後向[-45度,45度]方向範圍內冗餘部署X＝4個WSN輔助傳輸節點，作為子區域WSN中心節點的前向鄰節點和後向鄰節點。
如圖5所示為WSN傳輸節點配電線路帶狀有向冗餘部署俯視圖：圖中1為WSN攝像頭節點，3為WSN接收節點，201為子區域示意框，211即為WSN中心傳輸節點，212為WSN輔助傳輸節點。
S3.設置WSN傳輸節點能量比閾值alph1和alph2，且alph1<alph2；計算當前時刻WSN傳輸節點的能量比；所述能量比定義為節點當前能量與節點初始能量的比值；
S4.根據步驟S3得到的WSN傳輸節點的能量比與WSN傳輸節點能量比閾值的比較結果將WSN傳輸節點分類；
具體為採用如下規則進行分類：
1)若WSN傳輸節點的能量比≥alph2，則該WSN傳輸節點認定為高能量節點；
2)若alph1<WSN傳輸節點的能量比<alph2，則該WSN傳輸節點認定為中能量節點；
3)若WSN傳輸節點的能量比≤alph1，則該WSN傳輸節點認定為低能量節點。
S5.根據WSN攝像頭節點獲取的圖像幀信息判定是否存在配電線路區域侵入異常狀態：
採用如下步驟進行判斷：
a.採用如下算式計算WSN攝像頭節點採集圖像的像素灰度級異或累加平均值：
<![CDATA[ X O R = Σ i = 1 M Σ j = 1 N f p ( i , j ) f p - 1 ( i , j ) / M N ]]>
式中XOR為像素灰度級異或累加平均值；WSN攝像頭節點採集圖像的像素解析度為M×N；fp(i,j)為WSN攝像頭節點採集的第p幀圖像的第i行第j列點的像素灰度值；
b.設置區域侵入異常狀態閾值為C，且0<C<1；根據以下規則判斷是否存在配電線路區域侵入異常狀態：
①若XOR≥C，則判定配電線路區域侵入狀態為異常；
②若XOR<C，則判定配電線路區域侵入狀態為正常；
根據判定結果選擇步驟S4中得到的分類後WSN傳輸節點的一類傳輸節點：
具體為根據以下規則進行選取：
(1)若配電線路區域侵入狀態為異常，則將WSN攝像頭節點採集的當前圖像幀通過高能量節點傳輸到WSN接收節點；
(2)若配電線路區域侵入狀態為正常，則將表明配電線路運行正常的信息源通過中能量節點傳輸到WSN接收節點。
將判定結果通過選擇的一類傳輸節點傳輸到WSN接收節點，完成配電線路視頻監測的無線傳感器網絡信號傳輸。
如圖6所示即為上述的WSN攝像頭節點傳輸數據流程圖。