智能电网中无线传感器网络的节能节点定位方法

 王翀，曾锃

 （国网江苏省电力公司信息通信分公司，江苏南京210000)

摘  要：无线传感器网络在智能电网目标检测、监测和定位中得到到越来越多的应用。在无线传感器网络中．能量是一种临界资源，系统寿命通过节能策略得到延长。提出 了一种基于能量感知的节点检测和定位方法这种方法只需要少量的传感器节点信息，由簇头执行定位程序来确定进一步定位所需的传感器子集。这样减少了能量消耗和通信带宽需求，延长了系统寿命。实验结果显示，这种定位方法可以节省高达32%的能量，

 关键词：智能电网；无线传感器网络；节点定位；能量感知

 中图分类号：TN957.52 doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016110

1  引言

 智能电网的数据传输网包括有线网络和无线网络，其中无线网络主要指无线传感器网络。无线传感器网络是面向具体应用型的网络，在智能电网中还是一个较新与较热的研究领域。无线传感器网络的强适应性确保节点能根据实际要求部署在各种条件苛刻、环境险恶的区域内，不仅减轻了人工检查的工作量和困难度，而且可以长期有效地收集数据信息，同时减少了维护次数，降低了有线检测的成本，特别是在偏远山区甚至人类搜索困难的区域，可以最大程度地体现无线传感器网络的优势。

 智能电网是一项清洁绿色的工程，要求无线传感器网络具有更小的能量消耗和通信带宽需求，具有更长的系统寿命。能量策略在网络中是至关重要的，近来有一些研究已经使传感器网络能量更有效。提出了一种无论传感器是否工作，都能计算出网络寿命边界的数学模

型。基于硬件的用来传输和接收的能量模型被广泛应用于无线传感器网络节点中。提出了基于簇的LEACH路由算法，作为无线传感器网络的高效能量通信协议。其他相关工作包括链路层的能量节省策略、数据融合和系统划分等。

 本文主要关注减少无线传感器网络节点定位的能量消耗问题。一般来说，一个传感器网络如果没有节点活动，能量的消耗率是恒定的。由于定位包括不同节点的协同传感和通信，一个活动的传感器网络的最低能量消耗是很难确定的。定位细节的传输由于包含大量的原始数据而需要消耗很大的能量。同时，无线信道的有限带宽也使得定位细节传输到簇头的时间有了延迟。本文采用一种新的节点定位策略来延长网络寿命。提出了一种后验的能量感知定位策略，即基于簇头和簇内传感器之间两步通信协议。第一步传感器检测出一个事件位置，并将它用简单的二进制传给簇头。然后，簇头询问一个有近似位置信息的传感器子集。仿真结果显示，使用这种定位方法可以节省最多32%的能量。

2  相关设定

 本文作以下假设：在初始化之后，网络中的所有节点都能与簇头通信。簇头在初始化步骤中也能知道传感器的位置信息。簇头在能量的消耗上要大于传感器网络节点，这是因为本文用簇头负责计算，节点负责收集数据。为了方便，认为发送和接收一定数量的数据所花费的时间是一样的。不同节点到簇头的距离差异忽略不计。另外，假设所有传感器节点都是一致的。

 传感器的检测模型是将物理的传感信号转化成概率数值，用来评价传感器收集数据的稳定水平。考虑一个n x m网格的传感器网络，假设在初始部署阶段有k个传感器，每个传感器的侦测范围是r。假设节点s i（1≤i≤k）表示配置在点（x i，y i）处的节点。把协同节点p和s i之间的欧式距离定义为d(s i ,p)。概率传感器检测模型表示如下：

 建立能量消耗的模型。假设一个传感器的能量消耗由3部分组成：感知、发送和接

 参数T的取值是和通信中数据的大小成比例的。用Td表示原始数据量所对应的T，则瞬时的能量消耗和总的能量消耗可以表示为：

3  目标定位方法

 在两步通信协议中，当传感器检测到一个目标时，它会发送一个事件通知到簇头。为了节省能量和带宽，这个事件通知会用只需一个比特的简单方式。详细的信息会先存储在本地内存中并在后继的问询中提供给簇头。在收到簇中传感器信息的基础上，簇头执行一个或然定位算法来确定候选定位信息，然后质询邻近的传感器。目标定位方法流程如图1所示。

 (1)检测概率表

 算法的后验性是基于检测概率表的。这个表包含了所有可以检测网格中全体目标的那些传感器的概率报告。这样的表是通过对簇头每一个网格进行计算而得出的。假设网格点p(x，y)被一系列的传感器k x y检测到，用S x y表示。概率表的计算式为：

4  实验和分析

 实验选取30x30的传感器网格，其中有20个传感器随机分布。参数的设置见表1。

 图2显示了传感器网络中随机运动的目标轨迹。目标从start移动到end。假设目标的移动以离散的秒为单位，采样两个相邻地点的间隔时间足够长。

 图3表示目标在传感器网络中运动的瞬时和累积节省能量。从图3可以看出，在定位中节省了大量的能量，经计算，节省能量最大可达到32%，最少不低于10%。当k max接近k rep(t)时，节省的能量会少一些。这是因为在两步通信策略的头上需要更多的额外通信。然而，即使当k max=3时，节省的能量也是很客观的。当选择了合适的k max后，可以使方法的效率达到最优。

5  结束语

 随着国家电网公司智能电网工程的不断发展，无线传感器网络也得到越来越多的应用。为了达到绿色节能的建设要求，基于簇头和簇中传感器的两步通信协议以及一种后验定位算法，提出了一种基于能量感知的无线传感器网络节点定位方法。实验结果显示，所提出的方

法可以节省最多32%的能量。在今后的工作中，随着“大云物移”（大数据、云计算、物联网、移动应用）等新技术在国家电网中的推广，偏远地区无人巡检、移动门户、国网电子商城在个人终端的使用对进一步研究不同环境下无线传感器网络的节点定位方法和安全认证问题提出了更高的要求。