基于负载均衡自组织网络电源监控系统的设计

王庆福

（辽宁行政学院，辽宁沈阳 110161）

监控系统即数据采集与监视控制系统，又称SCADA（supervisory controland data acquisition)系统。它是以计算机为基础的生产过程控制与调度管理自动化系统，可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能[1]。

监控系统是各种设备安全运行的有力保障。而在整个设备运行过程中，电源的安全性又是其运行安全性的重中之重，所以研制完善可靠的电源监控系统已成为必然。

电源设备监控系统是对电源设备的主要运行参数和状态信息进行实时的采集、传输，从而实现“遥测、遥感、遥视、遥控”等功能。然而，在目前所设计的大多数监控系统中，采用的基本都是有线通信结构，对于大规模监控系统而言，这种体系结构已不能满足系统频繁的动态变化和扩展的要求。

基于以上认识，本文讨论了一个基于无线通信方式分布式电源设备监控系统的设计与实现。该系统不仅最大限度地实现了分布式监控模式，而且具有灵活的适应性，同时还通过对多径路由技术的研究，实现了负载平衡的功能，从而有效地保证了监控系统的可靠运行。

1 自组织网及负载平衡技术分析

随着网络技术的发展，无线通信技术也逐渐成熟起来，而无线Mesh网络就是其中的一种。无线Mesh网络是一种高速率、高容量的多点对多点网络，是一种新型的解决“最后一英里”问题的分布式网络，可以把它看成是WLAN和移动Ad Hot网络的融合[2]。

传统的WLAN一直存在着可伸缩性差和健壮性低等，而无线Mesh网络有效地解决了这一问题。无线Mesh网络WMN（如图1所示）是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构。在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，都具备发送和接收信号的功能，因此每个节点与一个或者多个对等节点都可以进行有效的直接通信。而这种结构的最大好处是如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。

图1 无线Mesh网络的原理结构

无线Mesh网络最大的优势就是来源于多跳访问，这一机制为网络提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。负载平衡的实质，是利用网络中可能存在的不同分组传输路径，既多径路由来构建分组的实际传输路由，通过有足够剩余容量的节点转发分组，以减轻现存的和潜在的拥塞，适应网络中负载的动态变化，尽可能减少分组丢失和提高网络吞吐率，为业务提供更好的Qos保障。

2 系统总体结构分析

该监控系统中，以现有的小型组合式电源设备系统为监控对象，实现对其收集的电源设备参数和状态信息的实时监控，并完成对电源设备参数的设置功能。

该系统设为三层结构，如图2所示，底层为数据采集层，采用各类传感器、无线Mesh网络来构成，具有高度的灵活性和强的适应性。具体功能为接收由电源设备采集系统所形成的实时数据，并在此层进行数据格式的分析转换、按相应的设备通信协议要求进行数据打包，并将打包后的数据通过数据融合节点经3G通信网传送至远程数据管理中心；第二层为通信层，由3G网络的构成，采用WCDMA技术，该技术的核心网基于演进的GSM/GPRS网络技术，空中接口采用直扩宽带CDMA技术，网络分布广，可以与二代移动通信实现无缝链接，因此具有技术成熟、标准统一、网络分布面广的优势，是3G最具竞争力的技术之一。目前这种方式得到欧洲、北美、亚太地区GSM运营商的广泛支持；第二层为数据监控中心，由数据库服务器和监控台来构成。数据库服务器以SQL Server作为其数据库管理系统，负责将底层数据采集层收集来的数据存入数据库中，数据库中设置若干个与电源运行参数相关的数据表，例如设备的电流、电压、过压、欠压、功率等当前状态表、设备运行标准值表、设备运行告警表及设备历史数据表等。这些表的数据长期存在数据库中并以数据统计表、图形绘制等形式实时地显示在监控中心的监控台，以供管理人员随时观测设备运行状态；数据监控中心的另一个重要功能是管理人员或系统的远程控制功能，当系统出现故障或根据需要进行运行调整时，监控台向远程采集控制系统发送控制信号，从而完成对设备的控制功能。

图2 系统整体结构

3 系统通信协议分析

在无线网络中，有两种路由协议可为无线自组网提供路由服务。一种为单径路由，代表协议有DSDV、DSR、AODV、TORA等。单径路由协议只能维护一条源节点至目的节点的路径，很容易造成中间节点局部拥塞，降低整个网络的吞吐量，增大端到端的传输延迟；而多径路由是在路由建立过程中同时建立和维护多条预留路径，它在路由延迟、容错性、可靠性等方面都具有更高的性能。常用的多径路由协议有CHAMP、SMR、AODV-BR、AOMDV 等，这些协议大多是单路径协议的扩展。本文选择AOMDV协议作为无线自组网的路由协议。

AOMDV协议是基于AODV协议的扩展，与AODV类似，采用了距离矢量的概念和逐跳路由的方式，但AOMDV能够在一次的路由发现中获取多条源节点到目的节点的独立路径。且能保证多条路径是无环且独立的，引进了多条节点独立路径的实现方法[3]。AOMDV协议的路由表如图3所示。

图3 AOMDV路由表

在图3中，为保证路径无环，AOMDV仍使AODV中的目的序列号来表明路由更新情况，并增加了一个新的字段“广播跳数”。除此之外，路径列表为每条替代路径保存一些额外的信息，例如：下一跳、最后一跳、跳数、过期时间等。其中“最后一跳”是指除目的节点外的最后一跳，这个信息字段用来检查替代路径的独立性。

为了保证路由选择的顺利性，系统采用RREQ（路由请求）来完成整个路由的选择过程。如图4所示，为AOMDV的多条节点独立路径方式。

图4 11个节点的简单拓扑模型

源节点A欲向目的节点B发送数据，如果没有A至B的直接路由，则A点向邻居节点1、2广播一个RREQ启动路由发现过程。中间节点1和2收到RREQ后建立至源节点B的路径，没有直接路径，1、2继续向邻居节点3发送RREQ信号，节点3收到来自于1和2的RREQ后，将随后到达的RREQ丢弃，然后再向前向搜索直达路径，没有时则将3点的RREQ发给邻居节点4和5，4、5收到后仍搜索至B的直达路径，找到，将RREQ发至B，B收到RREQ后返回一个回复RREQ至A结点，则相应的链路就建立起来了。

AOMDV协议可以有效地实现无线自组织网络多径路由协议，可以通过获取多条无环和链路不相交的路径来实现多路径协议，可以有效地将电源监测的底层采集数据分发至各个有效节点，从而保证了数据传输的有效性。

4 总结

Ad Hoc网络是有着很高实用价值的一个新兴研究领域，本文借助无线Mesh网络构建了分布式电源监控系统的底层数据采集层，采用AOMDV路由协议作为多径的路由协议，从而实现了平衡系统负载，提高系统运行效率的目的。

[1]王兵，徐建民.远程分布式电源设备监控系统平台的设计与实现[J]．计算机工程与设计，2002（7）：32-34.

[2]唐笑秋．基于负载平衡的无线Mesh网络路由算法研究[D]．北京：北京邮电大学，2008：3-5.

[3]范业仙．基于AODV的多径路由协议研究和改进[D]．北京：苏州大学，2008：21-23.