配电线路区域视频监测的无线传感器网络数据传输方法与流程
本发明具体涉及一种配电线路区域视频监测的无线传感器网络数据传输方法。
背景技术：
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为人们生产和生活中必不可少的二次能源之一。因此，稳定可靠是电力系统的最重要的目标。
配电线路是智能配电网络的重要组成部分，线路监测业务是保证配电网线路安全运行的前提，因此有必要构建有效的配电线路视频监测通信网络系统。目前，已经配置的配电线路区域侵入监测系统如图1所示：图中101为配电线路杆塔，102为配电线路，1为WSN摄像头节点，2为WSN传输节点，3为WSN接收节点；在杆塔上安装线路感应供电的WSN网关作为WSN接收节点，在配电线路上安装多个电池供电的WSN传输节点，用于构建WSN传输路径；在配电线路上安装线路感应供电的区域侵入监测WSN摄像头节点；WSN传输节点通过构建有效数据传输路径，将WSN摄像头节点的区域侵入监测信息，周期性地通过WSN传输节点传输到WSN接收节点，WSN接收节点通过配电线路的光纤有线通信通道将区域侵入监测信息通过变电站通信通道回传到监测主站，实现远程配电线路区域侵入监测功能。
配电线路区域侵入监测具备正常状态多而异常状态少的业务特点。该业务在正常状态下，配电线路视频监测点只需周期性地发送一个标识正常状态的信息到监测中心，只有在异常状态下需要回传监测区域的完整视频图像帧信息到监测中心。但是现有的WSN配电线路视频监测传输方法中，通常是将监测区域视频图像帧信息周期性地通过WSN传输节点传输到监测中心，未考虑以上配电线路区域侵入监测业务传输特点以及WSN网络节能传输要求，因此在传输过程中因视频帧数据量大，使得WSN节点能量耗尽过快，导致WSN配电线路视频监测网络性能低的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种在保证数据传输高效率和可靠性的基础上有效降低网络功耗的配电线路区域视频监测的无线传感器网络数据传输方法。
本发明提供的这种配电线路区域视频监测的无线传感器网络数据传输方法，包括如下步骤：
S1.在已经设置了WSN接收节点和WSN摄像头节点的配电线路上，将WSN接收节点和WSN摄像头节点连接线的带状区域划分为K个子区域；
S2.在步骤S1得到的各个子区域中布置N个WSN传输节点；N为自然数；
S3.设置WSN传输节点能量比阈值alph1和alph2，且alph1<alph2；计算当前时刻WSN传输节点的能量比；所述能量比定义为节点当前能量与节点初始能量的比值；
S4.根据步骤S3得到的WSN传输节点的能量比与WSN传输节点能量比阈值的比较结果将WSN传输节点分类；
S5.根据WSN摄像头节点获取的图像帧信息判定是否存在配电线路区域侵入异常状态，并根据判定结果选择步骤S4中得到的分类后WSN传输节点的一类传输节点，将判定结果通过选择的一类传输节点传输到WSN接收节点，完成配电线路视频监测的无线传感器网络信号传输。
步骤S1所述的将带状区域划分为K个子区域，为采用如下算式计算子区域个数K：
K＝ceil(L/2R)
式中ceil()为向上取整函数；L为WSN接收节点和WSN摄像头节点之间的直线距离；R为WSN传输节点的传输距离半径。
步骤S2所述的布置WSN传输节点，具体为采用如下方式进行WSN传输节点的布置：
A.在步骤S1得到的每个子区域的地理中心布置一个WSN中心传输节点；
B.以WSN中心传输节点为中心，以WSN中心传输节点指向WSN接收节点方向为0°正方向，在WSN中心传输节点的正方向[-Q°,+Q°]区域内布置X个WSN辅助传输节点；Q和X均为正整数；
C.以WSN中心传输节点为中心，以WSN中心传输节点指向WSN摄像头节点方向为0°负方向，在WSN中心传输节点的负方向[-W°,+W°]区域内布置Y个WSN辅助传输节点；W和Y均为正整数。
所述的Q为45。
所述的W为45。
步骤S4所述的将WSN传输节点划分为三类，具体为采用如下规则进行分类：
1)若WSN传输节点的能量比≥alph2，则该WSN传输节点认定为高能量节点；
2)若alph1<WSN传输节点的能量比<alph2，则该WSN传输节点认定为中能量节点；
3)若WSN传输节点的能量比≤alph1，则该WSN传输节点认定为低能量节点。
步骤S5所述的判定是否存在配电线路区域侵入异常状态，为采用如下步骤进行判断：
a.采用如下算式计算WSN摄像头节点采集图像的像素灰度级异或累加平均值：
式中XOR为像素灰度级异或累加平均值；WSN摄像头节点采集图像的像素分辨率为M×N；fp(i,j)为WSN摄像头节点采集的第p帧图像的第i行第j列点的像素灰度值；
b.设置区域侵入异常状态阈值为C，且0<C<1；根据以下规则判断是否存在配电线路区域侵入异常状态：
①若XOR≥C，则判定配电线路区域侵入状态为异常；
②若XOR<C，则判定配电线路区域侵入状态为正常。
步骤S5所述的根据判定结果选择WSN传输节点类型，具体为根据以下规则进行选取：
(1)若配电线路区域侵入状态为异常，则将WSN摄像头节点采集的当前图像帧通过高能量节点传输到WSN接收节点；
(2)若配电线路区域侵入状态为正常，则将表明配电线路运行正常的信息源通过中能量节点传输到WSN接收节点。
本发明提供的这种配电线路区域视频监测的无线传感器网络数据传输方法，通过划分配电线路子区域和按照有向冗余方式在配电线路节点子区域部署WSN节点基础上构建高能量和中能量双传输路径，再通过图像帧内像素灰度级异或操作实现视频监测区域状态计算操作优化传输信息源，最终根据判定结果分别选取路径传输异常状态下的视频图像帧或线路正常运行信息源，因此本发明充分考虑了配电线路区域侵入监测具备正常状态多而异常状态少，只在异常状态下需要回传完整视频图像帧数据特点，采用冗余方式布置传输节点，保证信号传输的可靠性；根据传输节点的剩余能量和传输数据量的大小分别选择独立路径传输，在保证数据传输高效率和可靠性的基础上有效降低WSN网络节点平均传输耗能，提高WSN配电线路视频监测网络传输性能，极大的延长了WSN网络的寿命。
附图说明
图1为现有技术的配电线路区域侵入监测系统结构示意图。
图2为本发明的方法流程示意图。
图3为本发明的配电线路带状区域划分子区域示意图。
图4为本发明的WSN传输节点配电线路带状有向冗余部署示意图。
图5为本发明的WSN传输节点配电线路带状有向冗余部署俯视图。
图6为本发明的WSN摄像头节点传输数据流程图。
具体实施方式
如图2所示为本发明的方法流程图：本发明提供的这种配电线路区域视频监测的无线传感器网络数据传输方法，包括如下步骤：
S1.在已经设置了WSN接收节点和WSN摄像头节点的配电线路上，将WSN接收节点和WSN摄像头节点连接线的带状区域划分为K个子区域：
采用如下算式计算子区域个数K：
K＝ceil(L/2R)
式中ceil()为向上取整函数；L为WSN接收节点和WSN摄像头节点之间的直线距离；R为WSN传输节点的传输距离半径。
如图3所示即为计算后K为3的区域划分情况，图中1为WSN摄像头节点，101为配电线路杆塔，102为配电线路，3为WSN接收接待，21～23即为划分的子区域；在WSN摄像头节点和WSN接收节点间按照距离和WSN单个传输节点的通信传输距离半径，将配电线路的带状传输区域划分成3个数据转发WSN节点子区域，分别为子区域21，子区域22和子区域23，则WSN摄像头节点到WSN接收节点的数据传输路由路经跳数为4跳。
S2.在步骤S1得到的各个子区域中布置N个WSN传输节点；具体为采用如下方式进行WSN传输节点的布置：
A.在步骤S1得到的每个子区域的地理中心布置一个WSN中心传输节点；
B.以WSN中心传输节点为中心，以WSN中心传输节点指向WSN接收节点方向为0°正方向，在WSN中心传输节点的正方向[-Q°,+Q°]区域内布置X个WSN辅助传输节点；Q和X均为正整数；
C.以WSN中心传输节点为中心，以WSN中心传输节点指向WSN摄像头节点方向为0°负方向，在WSN中心传输节点的负方向[-W°,+W°]区域内布置Y个WSN辅助传输节点；W和Y均为正整数。
作为优选方案，Q和W均取值为45，X和Y均取值为4.
如图4所示即为WSN传输节点配电线路带状有向冗余部署示意图：图中101为配电线路杆塔，1为WSN摄像头节点，3为WSN接收节点，211即为WSN中心传输节点，212为WSN辅助传输节点；在安置在配电线路上作为配电线路视频监测摄像头节点的WSN摄像头节点和安置在输电线杆塔上作为WSN网关的WSN接收节点的带状区域中，在子区域地理中心部署一个WSN中心传输节点；其次定义子区域WSN中心传输节点与WSN接收节点连线的射线方向为前向0度方向，定义子区域WSN中心传输节点与WSN摄像头节点连线方向的射线为后向0度方向；然后以子区域WSN中心传输节点为起点，分别在子区域前向[-45度,45度]方向和子区域后向[-45度,45度]方向范围内冗余部署X＝4个WSN辅助传输节点，作为子区域WSN中心节点的前向邻节点和后向邻节点。
如图5所示为WSN传输节点配电线路带状有向冗余部署俯视图：图中1为WSN摄像头节点，3为WSN接收节点，201为子区域示意框，211即为WSN中心传输节点，212为WSN辅助传输节点。
S3.设置WSN传输节点能量比阈值alph1和alph2，且alph1<alph2；计算当前时刻WSN传输节点的能量比；所述能量比定义为节点当前能量与节点初始能量的比值；
S4.根据步骤S3得到的WSN传输节点的能量比与WSN传输节点能量比阈值的比较结果将WSN传输节点分类；
具体为采用如下规则进行分类：
1)若WSN传输节点的能量比≥alph2，则该WSN传输节点认定为高能量节点；
2)若alph1<WSN传输节点的能量比<alph2，则该WSN传输节点认定为中能量节点；
3)若WSN传输节点的能量比≤alph1，则该WSN传输节点认定为低能量节点。
S5.根据WSN摄像头节点获取的图像帧信息判定是否存在配电线路区域侵入异常状态：
采用如下步骤进行判断：
a.采用如下算式计算WSN摄像头节点采集图像的像素灰度级异或累加平均值：
式中XOR为像素灰度级异或累加平均值；WSN摄像头节点采集图像的像素分辨率为M×N；fp(i,j)为WSN摄像头节点采集的第p帧图像的第i行第j列点的像素灰度值；
b.设置区域侵入异常状态阈值为C，且0<C<1；根据以下规则判断是否存在配电线路区域侵入异常状态：
①若XOR≥C，则判定配电线路区域侵入状态为异常；
②若XOR<C，则判定配电线路区域侵入状态为正常；
根据判定结果选择步骤S4中得到的分类后WSN传输节点的一类传输节点：
具体为根据以下规则进行选取：
(1)若配电线路区域侵入状态为异常，则将WSN摄像头节点采集的当前图像帧通过高能量节点传输到WSN接收节点；
(2)若配电线路区域侵入状态为正常，则将表明配电线路运行正常的信息源通过中能量节点传输到WSN接收节点。
将判定结果通过选择的一类传输节点传输到WSN接收节点，完成配电线路视频监测的无线传感器网络信号传输。
如图6所示即为上述的WSN摄像头节点传输数据流程图。
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