一種用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

池明文+孟慶娟+馬占飛

摘 要： 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障種類較多，使得傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)無法對其進行有效預(yù)警，可靠性和準確性較低。因此，構(gòu)建可靠性和準確性較高的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊、故障辯證模塊、數(shù)據(jù)庫和便攜式通信設(shè)備組成。故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各種故障數(shù)據(jù)進行采集和篩選，并將故障數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦收限q證模塊進行故障預(yù)警。當故障辯證模塊無法自動進行故障預(yù)警時，維修人員將介入處理。數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)提供故障數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域，并對其進行匯總、解析和輸出，以供使用者管理無線傳感網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)軟件利用安卓技術(shù)，令使用者通過便攜式通信設(shè)備實時獲取故障預(yù)警信息，并給出故障數(shù)據(jù)采集過程的算法代碼。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的可靠性和準確性。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 故障數(shù)據(jù)采集； 預(yù)警系統(tǒng)； 安卓技術(shù)

中圖分類號： TN711?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0163?04

Design of a fault early warning system for wireless sensor network

CHI Mingwen1， MENG Qingjuan1， MA Zhanfei2

（1. Institute of Electronic Commerce， Baotou Light Industry Vocational Technical College， Baotou 014035， China；

2. School of Information Science and Technology， Baotou Teachers′ College of Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014030， China）

Abstract： Since the traditional early warning system can′t warn the wireless sensor network fault effectively， and has low reliability and accuracy due to the various fault types of the wireless sensor network， a wireless sensor network fault warning system with high reliability and accuracy was constructed. The system is composed of the fault data acquisition and screening module， fault identification module， database， and portable communication device. The fault data acquisition and screening module is used to acquire and screen the various fault data in the wireless sensor network， and transmit the fault data to the fault identification module for fault early warning. When the fault identification module can′t warn the fault automatically， the maintenance personnel will involve. The database provides the fault data storage area for the system， and gathers， analyzes and outputs the data， so that the users manage the wireless sensor network. The Android technology is applied by the system software to let the users acquire the fault early warning information through the portable communication device in real time. The algorithm code in the fault data collection process is given. The experimental results show that the system has high reliability and accuracy.

Keywords： wireless sensor network； fault data acquisition； early warning system； Android technology

0 引 言

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低廉的成本和設(shè)置靈活性，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、電子通信和醫(yī)療等領(lǐng)域[1?3]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的故障種類較多，傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)無法對其進行有效預(yù)警，可靠性和準確性較低[4?6]。因此，構(gòu)建可靠性和準確性較高的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)，已成為科研組織的重點研究方向。

以往研究的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)均存在一定的問題，如文獻[7]提出基于自供電技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)，通過檢測無線傳感網(wǎng)絡(luò)的電路問題進行遠程預(yù)警，整個系統(tǒng)的準確性較高。但自供電技術(shù)受環(huán)境溫度和輻射的影響較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性偏低。文獻[8]提出基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)，其故障糾錯率和應(yīng)用性均很高。但該系統(tǒng)在運行過程中需要花費大量的人力對其進行監(jiān)控和檢修，運行成本較高，不適合中、小企業(yè)使用。文獻[9]提出基于網(wǎng)絡(luò)模塊辨認的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)將所檢測到的故障問題進行模塊分離，分別對各模塊中的故障數(shù)據(jù)進行預(yù)警和整修，正確性較高。但該系統(tǒng)的辨認過程耗時較長，預(yù)警效率不高。文獻[10] 提出基于模糊推理的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)，利用模糊推理方法將系統(tǒng)收集到的故障問題進行統(tǒng)一分類，預(yù)警效率較高。但模糊推理方法的局限性較強，故整個系統(tǒng)的可靠性不高。

為了解決以上問題，構(gòu)建可靠性和準確性較高的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的可靠性和準確性。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)由故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊、故障辯證模塊、數(shù)據(jù)庫和便攜式通信設(shè)備組成。圖1是無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的初始處理模塊，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)準確性的基礎(chǔ)保障。該模塊為故障辯證模塊提供故障問題的數(shù)據(jù)源。當故障辯證模塊無法自動給出無線傳感網(wǎng)絡(luò)的故障預(yù)警時，使用者將在便攜式通信設(shè)備上接收到故障信息，并派維修人員介入處理。同時，數(shù)據(jù)庫會推薦處理方案，供維修人員參考。

1.2 故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊設(shè)計

故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊能夠?qū)o線傳感網(wǎng)絡(luò)中各種故障數(shù)據(jù)進行采集和篩選。該模塊屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的操作層，其包括數(shù)據(jù)緩存區(qū)、數(shù)據(jù)篩選區(qū)和數(shù)據(jù)傳輸區(qū)，工作原理如圖2所示。

由圖2可知，故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊的工作流程為：先設(shè)置模塊故障篩選參數(shù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的故障類型主要包括網(wǎng)絡(luò)連通不暢、病毒感染、緩存區(qū)信息過量和電源不正常供電等。將傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點數(shù)據(jù)實時匯總，并統(tǒng)一上傳至故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，防止在數(shù)據(jù)篩選過程中出現(xiàn)信道擁堵。數(shù)據(jù)篩選區(qū)依次將數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的節(jié)點數(shù)據(jù)提取出來，以預(yù)設(shè)的故障參數(shù)為標準，篩選出無線傳感網(wǎng)絡(luò)的故障數(shù)據(jù)。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)據(jù)非常龐大，因此，無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)為該模塊提供了專業(yè)的數(shù)據(jù)整理人員，以保證故障數(shù)據(jù)篩選工作的準確性。篩選出的故障數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸區(qū)反饋給故障辯證模塊。

1.3 故障辯證模塊設(shè)計

故障辯證模塊能夠?qū)o線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點故障數(shù)據(jù)進行辯證，給出最優(yōu)解決方案后將預(yù)警信息傳輸給使用者。由于故障數(shù)據(jù)中蘊含的故障問題往往較為籠統(tǒng)，因此，如何將故障問題進行正確辯證，是該模塊需要解決的重點內(nèi)容。圖3是故障辯證模塊工作原理圖。

由圖3可知，故障辯證模塊分為三步進行故障數(shù)據(jù)的辯證工作，分別為推導(dǎo)辯證、模糊分類和人工查核。故障辯證模塊接收到故障數(shù)據(jù)后，先進行數(shù)據(jù)的推導(dǎo)辯證，得出初始辯證結(jié)果。具體或常見的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障問題可直接通過該初始辯證結(jié)果進行故障預(yù)警；對于較為籠統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)故障問題，則需要對其進行模糊分類。將網(wǎng)絡(luò)故障問題按照無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)進行分類，其類別包括產(chǎn)生時間、持續(xù)時間、故障節(jié)點等。同時，故障辯證模塊配備輸入接口，使用者可根據(jù)自身情況進行模糊分類的個性化設(shè)置。模糊分類后，98%的故障問題均能直接進行故障預(yù)警。

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的故障問題更新速度較快，無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)無法提前預(yù)知特殊的故障問題。因此，余下2%的故障問題需要通過人工查核進行故障預(yù)警。經(jīng)人工查核后給出的最優(yōu)解決方案，會實時更新到系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)中。故障辯證模塊中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)均會被實時保存到數(shù)據(jù)庫中，完善系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫為無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)提供故障數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域，并進行故障數(shù)據(jù)的匯總、解析和輸出。數(shù)據(jù)庫雖沒有直接參與系統(tǒng)的故障預(yù)警工作，卻能夠提供給使用者完善無線傳感網(wǎng)絡(luò)的理論依據(jù)。圖4為數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖。

由圖4可知，數(shù)據(jù)庫是根據(jù)故障數(shù)據(jù)和故障解決方案構(gòu)建的大型“虛擬圖書館”，其擁有信息索引、報表統(tǒng)計和數(shù)據(jù)輸出打印等平臺。數(shù)據(jù)庫的信息索引平臺可以提供給使用者多種系統(tǒng)預(yù)設(shè)方案。使用者也可利用報表統(tǒng)計平臺，獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運行情況，并對報表進行輸出和打印。同時，統(tǒng)計報表平臺也為使用者提供了故障數(shù)據(jù)的解析功能，給出無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障問題的產(chǎn)生原因和維護措施，幫助使用者構(gòu)建安全穩(wěn)定的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)庫不但收集了無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，也借鑒了各大學(xué)術(shù)網(wǎng)站中關(guān)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障的網(wǎng)絡(luò)資源。數(shù)據(jù)庫提供給故障辯證模塊故障問題解決方案的理論依據(jù)，包括無線傳感器的拓撲結(jié)構(gòu)、配置數(shù)據(jù)和標準節(jié)點數(shù)據(jù)等，確保故障辯證模塊更好地進行故障數(shù)據(jù)的辯證工作。在故障辯證模塊的推導(dǎo)辯證、模糊分類和人工查核工作中，數(shù)據(jù)庫會自動推薦多種維修方案，供使用者選擇。數(shù)據(jù)庫的推薦功能可根據(jù)使用者需求隨時關(guān)閉或開啟。

2 軟件設(shè)計

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)利用安卓技術(shù)，開放系統(tǒng)源代碼。使用者可在便攜式通信設(shè)備上預(yù)裝系統(tǒng)軟件，當無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出故障預(yù)警信號后，系統(tǒng)軟件會第一時間彈出提醒信息。使用者足不出戶便可以了解到無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運行情況。圖5是無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖5中，安卓技術(shù)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)提供故障查詢、故障采集、預(yù)警查詢和報表查詢等功能。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能能夠保護便攜式通信設(shè)備中的系統(tǒng)軟件免受外界攻擊，其通信接口與軟件的編程語言相互獨立，為使用者提供數(shù)據(jù)隱藏和設(shè)立管理員密碼的服務(wù)，增強了系統(tǒng)的安全性。

基于RMI的分布式應(yīng)用能夠增強無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)軟件的兼容性。同時，該軟件的錯誤修正率和指令變通性較高，滿足多平臺的業(yè)務(wù)標準，且開發(fā)費用低，傳輸效率高，符合使用者對系統(tǒng)軟件設(shè)計的需求。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)軟件代碼

無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)使用C語言進行系統(tǒng)軟件的開發(fā)，給出用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的故障采集過程的算法代碼，其中包含故障數(shù)據(jù)初始化和數(shù)據(jù)存儲：

Int Wireless_sensor _error；

%無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)初始化

null Wireless_sensor _error （null）

{

Free bytes n；

for（n=0；n<300；n++）

{

WDI=WDI； %清空系統(tǒng)緩存數(shù)據(jù)

Wl_buff[i] = ＼0；

}

Way1 = null；

way 2=null；

Keep_ Wireless_sensor _error = null；

Gain_ Wireless_sensor _error = 0；

Wireless_sensor _error = 0；

TXD_ Wireless_sensor _error = null；

WDI=～WDI；

Wl_buff[0] = ′W′；

Wl_buff[1] = ′S′；

Wl_buff[2] = ′E′；

}

TXD_ fault_ information；

%無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)的發(fā)送

null TXD_w_ information（null）

{

while（（Keep_WSE= 1）&（Gain_WSE=1））；

%接收初始化故障信息數(shù)據(jù)

TXD_ address_message = 1；

address_message _s_ information = 0；

SBUF0=address_message[address_message_e_information]； %數(shù)據(jù)發(fā)送

WDI=WDI；

Wl_buff[Keep _ address_message] = x00；

Keep_address_message ++；

WDI=WDI；

Wl_buff[Keep_address_message] =x00；

for（n=0；n<300；n++）

{

Wl_information[i] = Wl_buff[i]； %將數(shù)據(jù)存儲并復(fù)制

WDI=WDI； }

3 實驗設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和準確性是評價系統(tǒng)性能的重要指標。為了驗證本文設(shè)計的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)具有較高的可靠性和準確性，利用本文系統(tǒng)采集了某傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)，進行驗證實驗。系統(tǒng)的可靠性測試和準確性測試可從系統(tǒng)電壓變化和數(shù)據(jù)接收率入手。系統(tǒng)電壓變化浮動越小，系統(tǒng)抗干擾能力就越強，則系統(tǒng)的可靠性就越高；而數(shù)據(jù)接收率直接影響著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的故障排除率，故障排除率同系統(tǒng)準確性呈正相關(guān)。

3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)準確性測試

實驗在無干擾情況下進行無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的采集，并將系統(tǒng)的電源電壓數(shù)據(jù)提取出來。圖6是無干擾情況下電源電壓變化圖。

圖6中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的電源電壓在218～250 V之間浮動，屬正?，F(xiàn)象。造成此現(xiàn)象的主要原因是：由于系統(tǒng)電路元件在工作過程中會消耗一定的電源能量，導(dǎo)致初始電源電壓無法令系統(tǒng)所有電路元件正常運作。因此，需在特定時間段適量提高系統(tǒng)電源電壓值，以滿足整個系統(tǒng)電路的運行需求。

實驗進行到30 h，在原有條件下升高環(huán)境溫度并增加輻射。圖7是有干擾情況下電源電壓變化圖。

對比圖6和圖7可知，在加入干擾因素后，無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的電源電壓浮動增強趨勢并不明顯。系統(tǒng)電源電壓的最大值和最小值分別為256 V和215 V，抗干擾能力較強，驗證了本文無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)具有較高的可靠性。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)可靠性測試

無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收率受多種因素影響，表1為故障節(jié)點與系統(tǒng)安裝點之間距離對數(shù)據(jù)接收率的影響情況。

表1 距離對數(shù)據(jù)接收率的影響情況

由表1可知，故障節(jié)點與系統(tǒng)安裝點之間距離越近，無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收率越高；數(shù)據(jù)接收率還與數(shù)據(jù)傳輸量有關(guān)，相同情況下，數(shù)據(jù)傳輸量越低，數(shù)據(jù)接收率越高。系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收率的最低值和最高值分別為95.65%和98.77%，平均值為97.18%。數(shù)據(jù)接收率整體較高，且波動較小，驗證了本文無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)具有較高的可靠性。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建可靠性和準確性較高的無線傳感網(wǎng)絡(luò)故障預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)由故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊、故障辯證模塊、數(shù)據(jù)庫和便攜式通信設(shè)備組成。故障數(shù)據(jù)采集篩選模塊對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各種故障數(shù)據(jù)進行采集和篩選，并將故障數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦收限q證模塊進行故障預(yù)警。當故障辯證模塊無法自動進行故障預(yù)警時，維修人員將介入處理。數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)提供故障數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域，并對其進行匯總、解析和輸出，以供使用者管理無線傳感網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)軟件利用安卓技術(shù)，令使用者通過便攜式通信設(shè)備實時獲取故障預(yù)警信息，并給出了故障數(shù)據(jù)采集過程的算法代碼。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)具有較高的可靠性和準確性。

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