王慶福

（遼寧行政學(xué)院，遼寧沈陽 110161）

監(jiān)控系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，又稱SCADA（supervisory controland data acquisition)系統(tǒng)。它是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度管理自動(dòng)化系統(tǒng)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能[1]。

監(jiān)控系統(tǒng)是各種設(shè)備安全運(yùn)行的有力保障。而在整個(gè)設(shè)備運(yùn)行過程中，電源的安全性又是其運(yùn)行安全性的重中之重，所以研制完善可靠的電源監(jiān)控系統(tǒng)已成為必然。

電源設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)電源設(shè)備的主要運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、傳輸，從而實(shí)現(xiàn)“遙測(cè)、遙感、遙視、遙控”等功能。然而，在目前所設(shè)計(jì)的大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)中，采用的基本都是有線通信結(jié)構(gòu)，對(duì)于大規(guī)模監(jiān)控系統(tǒng)而言，這種體系結(jié)構(gòu)已不能滿足系統(tǒng)頻繁的動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)展的要求。

基于以上認(rèn)識(shí)，本文討論了一個(gè)基于無線通信方式分布式電源設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)不僅最大限度地實(shí)現(xiàn)了分布式監(jiān)控模式，而且具有靈活的適應(yīng)性，同時(shí)還通過對(duì)多徑路由技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載平衡的功能，從而有效地保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 自組織網(wǎng)及負(fù)載平衡技術(shù)分析

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)也逐漸成熟起來，而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)就是其中的一種。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種高速率、高容量的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，是一種新型的解決“最后一英里”問題的分布式網(wǎng)絡(luò)，可以把它看成是WLAN和移動(dòng)Ad Hot網(wǎng)絡(luò)的融合[2]。

傳統(tǒng)的WLAN一直存在著可伸縮性差和健壯性低等，而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)有效地解決了這一問題。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)WMN（如圖1所示）是一種多跳、具有自組織和自愈特點(diǎn)的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(WLAN)中，每個(gè)客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶如果要進(jìn)行相互通信的話，必須首先訪問一個(gè)固定的接入點(diǎn)(AP)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器，都具備發(fā)送和接收信號(hào)的功能，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行有效的直接通信。而這種結(jié)構(gòu)的最大好處是如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑?，那么?shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

圖1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的原理結(jié)構(gòu)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)最大的優(yōu)勢(shì)就是來源于多跳訪問，這一機(jī)制為網(wǎng)絡(luò)提供了更大的冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能。負(fù)載平衡的實(shí)質(zhì)，是利用網(wǎng)絡(luò)中可能存在的不同分組傳輸路徑，既多徑路由來構(gòu)建分組的實(shí)際傳輸路由，通過有足夠剩余容量的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分組，以減輕現(xiàn)存的和潛在的擁塞，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，盡可能減少分組丟失和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率，為業(yè)務(wù)提供更好的Qos保障。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析

該監(jiān)控系統(tǒng)中，以現(xiàn)有的小型組合式電源設(shè)備系統(tǒng)為監(jiān)控對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)其收集的電源設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并完成對(duì)電源設(shè)備參數(shù)的設(shè)置功能。

該系統(tǒng)設(shè)為三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示，底層為數(shù)據(jù)采集層，采用各類傳感器、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成，具有高度的靈活性和強(qiáng)的適應(yīng)性。具體功能為接收由電源設(shè)備采集系統(tǒng)所形成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在此層進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的分析轉(zhuǎn)換、按相應(yīng)的設(shè)備通信協(xié)議要求進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，并將打包后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)經(jīng)3G通信網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心；第二層為通信層，由3G網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，采用WCDMA技術(shù)，該技術(shù)的核心網(wǎng)基于演進(jìn)的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，空中接口采用直擴(kuò)寬帶CDMA技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)分布廣，可以與二代移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，因此具有技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)分布面廣的優(yōu)勢(shì)，是3G最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。目前這種方式得到歐洲、北美、亞太地區(qū)GSM運(yùn)營(yíng)商的廣泛支持；第二層為數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和監(jiān)控臺(tái)來構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以SQL Server作為其數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將底層數(shù)據(jù)采集層收集來的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置若干個(gè)與電源運(yùn)行參數(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)表，例如設(shè)備的電流、電壓、過壓、欠壓、功率等當(dāng)前狀態(tài)表、設(shè)備運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)值表、設(shè)備運(yùn)行告警表及設(shè)備歷史數(shù)據(jù)表等。這些表的數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存在數(shù)據(jù)庫(kù)中并以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表、圖形繪制等形式實(shí)時(shí)地顯示在監(jiān)控中心的監(jiān)控臺(tái)，以供管理人員隨時(shí)觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的另一個(gè)重要功能是管理人員或系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或根據(jù)需要進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整時(shí)，監(jiān)控臺(tái)向遠(yuǎn)程采集控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)，從而完成對(duì)設(shè)備的控制功能。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)通信協(xié)議分析

在無線網(wǎng)絡(luò)中，有兩種路由協(xié)議可為無線自組網(wǎng)提供路由服務(wù)。一種為單徑路由，代表協(xié)議有DSDV、DSR、AODV、TORA等。單徑路由協(xié)議只能維護(hù)一條源節(jié)點(diǎn)至目的節(jié)點(diǎn)的路徑，很容易造成中間節(jié)點(diǎn)局部擁塞，降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增大端到端的傳輸延遲；而多徑路由是在路由建立過程中同時(shí)建立和維護(hù)多條預(yù)留路徑，它在路由延遲、容錯(cuò)性、可靠性等方面都具有更高的性能。常用的多徑路由協(xié)議有CHAMP、SMR、AODV-BR、AOMDV 等，這些協(xié)議大多是單路徑協(xié)議的擴(kuò)展。本文選擇AOMDV協(xié)議作為無線自組網(wǎng)的路由協(xié)議。

AOMDV協(xié)議是基于AODV協(xié)議的擴(kuò)展，與AODV類似，采用了距離矢量的概念和逐跳路由的方式，但AOMDV能夠在一次的路由發(fā)現(xiàn)中獲取多條源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立路徑。且能保證多條路徑是無環(huán)且獨(dú)立的，引進(jìn)了多條節(jié)點(diǎn)獨(dú)立路徑的實(shí)現(xiàn)方法[3]。AOMDV協(xié)議的路由表如圖3所示。

圖3 AOMDV路由表

在圖3中，為保證路徑無環(huán)，AOMDV仍使AODV中的目的序列號(hào)來表明路由更新情況，并增加了一個(gè)新的字段“廣播跳數(shù)”。除此之外，路徑列表為每條替代路徑保存一些額外的信息，例如：下一跳、最后一跳、跳數(shù)、過期時(shí)間等。其中“最后一跳”是指除目的節(jié)點(diǎn)外的最后一跳，這個(gè)信息字段用來檢查替代路徑的獨(dú)立性。

為了保證路由選擇的順利性，系統(tǒng)采用RREQ（路由請(qǐng)求）來完成整個(gè)路由的選擇過程。如圖4所示，為AOMDV的多條節(jié)點(diǎn)獨(dú)立路徑方式。

圖4 11個(gè)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單拓?fù)淠Ｐ?/p>

源節(jié)點(diǎn)A欲向目的節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)，如果沒有A至B的直接路由，則A點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)1、2廣播一個(gè)RREQ啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程。中間節(jié)點(diǎn)1和2收到RREQ后建立至源節(jié)點(diǎn)B的路徑，沒有直接路徑，1、2繼續(xù)向鄰居節(jié)點(diǎn)3發(fā)送RREQ信號(hào)，節(jié)點(diǎn)3收到來自于1和2的RREQ后，將隨后到達(dá)的RREQ丟棄，然后再向前向搜索直達(dá)路徑，沒有時(shí)則將3點(diǎn)的RREQ發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)4和5，4、5收到后仍搜索至B的直達(dá)路徑，找到，將RREQ發(fā)至B，B收到RREQ后返回一個(gè)回復(fù)RREQ至A結(jié)點(diǎn)，則相應(yīng)的鏈路就建立起來了。

AOMDV協(xié)議可以有效地實(shí)現(xiàn)無線自組織網(wǎng)絡(luò)多徑路由協(xié)議，可以通過獲取多條無環(huán)和鏈路不相交的路徑來實(shí)現(xiàn)多路徑協(xié)議，可以有效地將電源監(jiān)測(cè)的底層采集數(shù)據(jù)分發(fā)至各個(gè)有效節(jié)點(diǎn)，從而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

4 總結(jié)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是有著很高實(shí)用價(jià)值的一個(gè)新興研究領(lǐng)域，本文借助無線Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了分布式電源監(jiān)控系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集層，采用AOMDV路由協(xié)議作為多徑的路由協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)了平衡系統(tǒng)負(fù)載，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的目的。

[1]王兵，徐建民.遠(yuǎn)程分布式電源設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2002（7）：32-34.

[2]唐笑秋．基于負(fù)載平衡的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法研究[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2008：3-5.

[3]范業(yè)仙．基于AODV的多徑路由協(xié)議研究和改進(jìn)[D]．北京：蘇州大學(xué)，2008：21-23.