基于負載均衡自組織網絡電源監控系統的設計

王慶福

（遼寧行政學院，遼寧沈陽 110161）

監控系統即數據采集與監視控制系統，又稱SCADA（supervisory controland data acquisition)系統。它是以計算機為基礎的生產過程控制與調度管理自動化系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能[1]。

監控系統是各種設備安全運行的有力保障。而在整個設備運行過程中，電源的安全性又是其運行安全性的重中之重，所以研制完善可靠的電源監控系統已成為必然。

電源設備監控系統是對電源設備的主要運行參數和狀態信息進行實時的采集、傳輸，從而實現“遙測、遙感、遙視、遙控”等功能。然而，在目前所設計的大多數監控系統中，采用的基本都是有線通信結構，對于大規模監控系統而言，這種體系結構已不能滿足系統頻繁的動態變化和擴展的要求。

基于以上認識，本文討論了一個基于無線通信方式分布式電源設備監控系統的設計與實現。該系統不僅最大限度地實現了分布式監控模式，而且具有靈活的適應性，同時還通過對多徑路由技術的研究，實現了負載平衡的功能，從而有效地保證了監控系統的可靠運行。

1 自組織網及負載平衡技術分析

隨著網絡技術的發展，無線通信技術也逐漸成熟起來，而無線Mesh網絡就是其中的一種。無線Mesh網絡是一種高速率、高容量的多點對多點網絡，是一種新型的解決“最后一英里”問題的分布式網絡，可以把它看成是WLAN和移動Ad Hot網絡的融合[2]。

傳統的WLAN一直存在著可伸縮性差和健壯性低等，而無線Mesh網絡有效地解決了這一問題。無線Mesh網絡WMN（如圖1所示）是一種多跳、具有自組織和自愈特點的寬帶無線網絡結構。在傳統的無線局域網(WLAN)中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網絡，用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網絡結構被稱為單跳網絡。而在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為AP和路由器，都具備發送和接收信號的功能，因此每個節點與一個或者多個對等節點都可以進行有效的直接通信。而這種結構的最大好處是如果最近的AP由于流量過大而導致擁塞的話，那么數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

圖1 無線Mesh網絡的原理結構

無線Mesh網絡最大的優勢就是來源于多跳訪問，這一機制為網絡提供了更大的冗余機制和通信負載平衡功能。負載平衡的實質，是利用網絡中可能存在的不同分組傳輸路徑，既多徑路由來構建分組的實際傳輸路由，通過有足夠剩余容量的節點轉發分組，以減輕現存的和潛在的擁塞，適應網絡中負載的動態變化，盡可能減少分組丟失和提高網絡吞吐率，為業務提供更好的Qos保障。

2 系統總體結構分析

該監控系統中，以現有的小型組合式電源設備系統為監控對象，實現對其收集的電源設備參數和狀態信息的實時監控，并完成對電源設備參數的設置功能。

該系統設為三層結構，如圖2所示，底層為數據采集層，采用各類傳感器、無線Mesh網絡來構成，具有高度的靈活性和強的適應性。具體功能為接收由電源設備采集系統所形成的實時數據，并在此層進行數據格式的分析轉換、按相應的設備通信協議要求進行數據打包，并將打包后的數據通過數據融合節點經3G通信網傳送至遠程數據管理中心；第二層為通信層，由3G網絡的構成，采用WCDMA技術，該技術的核心網基于演進的GSM/GPRS網絡技術，空中接口采用直擴寬帶CDMA技術，網絡分布廣，可以與二代移動通信實現無縫鏈接，因此具有技術成熟、標準統一、網絡分布面廣的優勢，是3G最具競爭力的技術之一。目前這種方式得到歐洲、北美、亞太地區GSM運營商的廣泛支持；第二層為數據監控中心，由數據庫服務器和監控臺來構成。數據庫服務器以SQL Server作為其數據庫管理系統，負責將底層數據采集層收集來的數據存入數據庫中，數據庫中設置若干個與電源運行參數相關的數據表，例如設備的電流、電壓、過壓、欠壓、功率等當前狀態表、設備運行標準值表、設備運行告警表及設備歷史數據表等。這些表的數據長期存在數據庫中并以數據統計表、圖形繪制等形式實時地顯示在監控中心的監控臺，以供管理人員隨時觀測設備運行狀態；數據監控中心的另一個重要功能是管理人員或系統的遠程控制功能，當系統出現故障或根據需要進行運行調整時，監控臺向遠程采集控制系統發送控制信號，從而完成對設備的控制功能。

圖2 系統整體結構

3 系統通信協議分析

在無線網絡中，有兩種路由協議可為無線自組網提供路由服務。一種為單徑路由，代表協議有DSDV、DSR、AODV、TORA等。單徑路由協議只能維護一條源節點至目的節點的路徑，很容易造成中間節點局部擁塞，降低整個網絡的吞吐量，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建立和維護多條預留路徑，它在路由延遲、容錯性、可靠性等方面都具有更高的性能。常用的多徑路由協議有CHAMP、SMR、AODV-BR、AOMDV 等，這些協議大多是單路徑協議的擴展。本文選擇AOMDV協議作為無線自組網的路由協議。

AOMDV協議是基于AODV協議的擴展，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現中獲取多條源節點到目的節點的獨立路徑。且能保證多條路徑是無環且獨立的，引進了多條節點獨立路徑的實現方法[3]。AOMDV協議的路由表如圖3所示。

圖3 AOMDV路由表

在圖3中，為保證路徑無環，AOMDV仍使AODV中的目的序列號來表明路由更新情況，并增加了一個新的字段“廣播跳數”。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、過期時間等。其中“最后一跳”是指除目的節點外的最后一跳，這個信息字段用來檢查替代路徑的獨立性。

為了保證路由選擇的順利性，系統采用RREQ（路由請求）來完成整個路由的選擇過程。如圖4所示，為AOMDV的多條節點獨立路徑方式。

圖4 11個節點的簡單拓撲模型

源節點A欲向目的節點B發送數據，如果沒有A至B的直接路由，則A點向鄰居節點1、2廣播一個RREQ啟動路由發現過程。中間節點1和2收到RREQ后建立至源節點B的路徑，沒有直接路徑，1、2繼續向鄰居節點3發送RREQ信號，節點3收到來自于1和2的RREQ后，將隨后到達的RREQ丟棄，然后再向前向搜索直達路徑，沒有時則將3點的RREQ發給鄰居節點4和5，4、5收到后仍搜索至B的直達路徑，找到，將RREQ發至B，B收到RREQ后返回一個回復RREQ至A結點，則相應的鏈路就建立起來了。

AOMDV協議可以有效地實現無線自組織網絡多徑路由協議，可以通過獲取多條無環和鏈路不相交的路徑來實現多路徑協議，可以有效地將電源監測的底層采集數據分發至各個有效節點，從而保證了數據傳輸的有效性。

4 總結

Ad Hoc網絡是有著很高實用價值的一個新興研究領域，本文借助無線Mesh網絡構建了分布式電源監控系統的底層數據采集層，采用AOMDV路由協議作為多徑的路由協議，從而實現了平衡系統負載，提高系統運行效率的目的。

[1]王兵，徐建民.遠程分布式電源設備監控系統平臺的設計與實現[J]．計算機工程與設計，2002（7）：32-34.

[2]唐笑秋．基于負載平衡的無線Mesh網絡路由算法研究[D]．北京：北京郵電大學，2008：3-5.

[3]范業仙．基于AODV的多徑路由協議研究和改進[D]．北京：蘇州大學，2008：21-23.