淺談無線傳感器在航空監測網絡中的故障檢測

周東暉

（湖南機場股份有限公司常德桃花源機場分公司，湖南常德 415000）

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。傳感器技術、微機電系統、現代網絡和無線通信等技術的進步，推動了現代無線傳感器網絡的產生和發展。無線傳感器網絡擴展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，在下一代網絡中將為人們提供最直接、最有效、最真實的信息。無線傳感器網絡通過特定的分布式協議自組織起來形成網絡，能夠協作地實時監測、感知、采集和處理網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，使需要這些信息的用戶能隨時隨地地獲取大量詳實而可靠的信息。因此，這種網絡系統具有十分廣闊的應用前景，可應用于軍事國防、航空救援、城市管理、工農業控制、環境檢測、生物醫療、搶險救災、危險區域遠程控制等領域。已經引起了許多國家學術界和工業界的高度重視，被認為是對21世紀產生巨大影響力的技術之一。

隨著無線傳感器網絡應用范圍的進一步擴展，其常常被部署在極端環境中來收集外部環境的數據。但是，傳感器節點尺寸小的特點限制了傳感器節點的硬件，而在軟件上就處理能力、存儲量、電源和通訊吞吐量來說，傳感器節點也有很大的局限性。其中電源的局限性是最大的，因為它通常無法充電。此外，大量的低價節點的應用也導致了故障的增多。而且，由于傳感器常被用來監測外部環境，所以它還會常常受到一些自然現象的破壞，比如雨、火甚至是樹木的倒塌等。因此，對無線傳感器進行有效的故障管理，以克服其受制造工藝的限制，使用壽命以及工作條件的影響，維持高質量的服務，并盡可能地降低能源消耗就顯得尤為重要。下面參照傳統網絡的故障管理[1]，將無線傳感器網絡的故障管理分為故障檢測、故障診斷和故障恢復三階段來分別加以說明。

1 無線傳感器網絡故障檢測

故障管理是任何網絡管理系統的重要組成部分，而故障檢測對于故障管理，特別是安全和性能來說尤為重要。它是故障管理的第一階段，網絡系統要對意外故障進行正確的鑒定。而為了確定故障的存在，就需要收集與網絡狀態相關的數據。無線傳感器網絡故障檢測方法按照故障檢測的執行主體所處位置的不同可以分為兩類：集中式方法[3]和分布式方法。

1.1 集中式方法

集中式方法是一種常見的用以鑒別或者定位無線傳感器網絡中問題節點或可疑節點的解決方法。通常，一個地理上或邏輯上集中的傳感器節點負責監控和跟蹤網絡中的失敗或表現不正常的節點。這個方法考慮到中央節點有無限資源（如能源），并能夠執行范圍廣泛的故障管理維護，同時，復雜的管理工作和信息傳輸被轉移到中心節點，從而可以延長網絡使用壽命。中心節點通常采用一個主動探測模型通過定期向網絡發送指令來檢索網絡的性能以及個別傳感器節點的狀態，然后通過分析這些獲取到的信息狀態來鑒別和發現網絡中的問題和可疑節點。為了減少節點的信息傳輸量，節約能源，節點還可以選擇性地發送重要事件到接受節點。另外，也可以使用一個簡單的“分而治之”的策略來有效地追蹤到故障節點。但是需要注意這種方法要求每個節點都要有一個單獨的身份號碼，而且基站要能夠向網絡中的任何一個節點傳輸信息。采用集中式網絡管理，所有的網絡設備都由一個管理者進行管理。當信息流量不大的時候，集中式網絡管理簡單且有效，在失效節點定位方面具有高效和準確的優點，所以它非常適用于小型的局域網絡。但是資源有限的傳感器網絡不總是能定期地以集中的方式收集到所有傳感器的數據和狀態。所有的分析和計算任務都集中在中心節點站，當出現數據傳輸量過大時，就會造成網絡管理的瓶頸而導致中心節點負載過重，以致引起網絡堵塞情況的發生。由于其余節點的信息收集后都是發往中心節點，因此中心節點很有可能變成一個專門用于數據傳輸的節點，以滿足故障檢測和管理的需要。隨之而來的問題就是中心節點所在的區域會有大量的流量往來，導致該區域的節點能量消耗急劇增加，越是靠近中心節點的越是如此。所以，這種方法在大規模的傳感器網絡中尤其低效和昂貴。此外，這種方法的多跳通信也會延遲基站對網絡中錯誤的反應。而且，中心節點站一旦失效，整個網管系統就會崩潰，這樣導致整個系統的可靠性偏低。因此，我們必須尋找一個本地化和更加計算有效的故障檢測模式。

1.2 分布式方法

分布式方法就是支持局部決策，將故障管理平滑地分散到網絡中去。其目的就是讓一個傳感器節點做出一定層次的決定。一個節點能夠做出的決定越多，它需向中心節點發出的信息量就越少。從而減少通信量并且還能節省節點的能源。這種方法的基本理念就是傳感器節點通過依賴于節點自身所包含的功能來達到自我監控和自我檢測的目的，讓節點針對出現的錯誤做出決定，而不用經常咨詢中心管理者。文獻[4]中介紹了一種節點自檢測的方法，通過軟件和硬件的接口檢測物理節點的失效。硬件接口包含了幾個用于檢測節點方位和碰撞的電路。軟件接口包含了幾個用于采樣傳感器節點的讀取行為的軟件部件。由于故障的檢測由節點本身完成，這種方法的優點就是不需要專門部署額外的軟件或硬件節點用于故障檢測。此外，一個（或幾個）節點可以在匯總來自網絡節點的決定后做出對錯誤檢測的決定。在下圖中我們可以看到一個典型的例子。一個融合節點在比較和匯合來自一套節點的數據之后檢測出一個節點的不正常傳感器讀數。

鄰居協作的方法也是一個分布式方法的例子。比如說，將傳感器節點的讀數與它鄰近節點的讀數相比較，就可以發現可疑的或是故障節點。節點在把故障信息發往中心節點之前將先獲得的故障信息與鄰居（一跳通信范圍內）獲得的故障信息進行比較。確認后再將故障信息發往管理節點。除了那些已經用鄰居協作方式已經確定了的故障之外，中心節點對其網絡中的任何失效信息是一無所知的。這樣的設計減少了網絡的通信信息量，從而保留了節點的能量。鄰居協作的方法還可以被用來加強故障檢測的準確性。節點不會在檢測到一個故障后馬上發出警告，它會先向鄰居咨詢來得到一個更加準確的決定。兩階段鄰居協作方案就是這樣的做法。在第一階段，節點等待它的鄰居更新與可疑節點相關的信息。在第二階段它再次通過咨詢鄰居做出更加準確的決定。因此中心節點只需監控很少量的子傳感器。這種方法要求網絡是預先配置好的，每個傳感器要有一個單獨的身份號碼，中心節點要知道每個傳感器的存在和身份號碼。此外還需要有特殊的軟件組件來支持鄰居協作。

另外一種分布式方法——基于分簇的方法。它是一種新興的分配故障管理任務的技術。它創造了一個虛擬的通信構架將節點分組，將整個網絡分成不同的簇。故障管理任務被分配到各個簇中進行。通常，一個簇中的領頭節點使用集中的方式進行故障檢測。它通過與小組成員交換信息來檢測出可疑節點。簇頭節點運用預先定義的故障檢測規則來定位故障節點。當地檢測到的故障信息也將通過一個網關節點被傳遞到網絡中其他所有的簇。網關節點，在這種情況下，被認為是鄰近兩個不同簇的簇頭。這種方法能使當地的各簇能了解整個網絡的變化和管理目標。

綜上所述，集中式方法和分布式方法各有利弊，針對不同應用類型的網絡，應選取不同的方法，也可將這兩種方法結合起來使用。下面就是一個吸收了這兩種方法的例子，我們可以引進一個分層管理結構，將不同層次的管理任務分配給網絡中的不同節點。這個方法不完全依賴中心管理者進行分析和決策。故障管理的本質對所有的節點是一樣的，但是就執行范圍（比如節點的數目）和程度（比如執行頻率）而言是不同的。因此，中心管理者只需專注于整個網絡的運轉，不要求關注任何個體節點的狀態。而個體小組的管理者須管理好其所在區域的節點。

2 無線傳感器網絡故障診斷

在檢測階段，檢測到的故障由網絡系統正確地識別并將其與別的不相干的或虛假的警報區分開來。故障檢測的準確性與正確性已經被用大量的故障檢測方法部分地實現。但是還沒有能夠區分無線傳感器網絡中的各種故障并且支持網絡系統獲得準確的故障診斷或故障恢復行為的全面描述或模式。現有的方法處理了來自各個節點的故障模式（包括節點硬件組成的功能失常）。

為了提高故障診斷的準確性和正確性，某些技術可以被應用于識別來自故障警報的可疑節點，比如使用知識共享。讓網關節點通過與別的網關節點分享和交換他們的連接體驗，來建造一個整體網絡通信地圖。如果沒有任何一個網關收到來自某個網關節點的數據更新，那就清楚地表明這個網關節點由于傳輸障礙不能向別的節點傳輸任何的數據。為了提供足夠的運行時間進行故障診斷，多份來自源節點的數據被通過不同的路徑傳輸到匯點。此外，還可以根據無線傳感器網絡最大的特點——其能量的有限性，無線傳感器網絡的故障診斷方法設計也就必須關注能量效率，把能量問題放在首位，以確保整個網絡長期有效的工作。由于傳感器網絡分布的特殊性，這就要求無線傳感器網絡更強調自組織、自維護地工作，并且故障診斷方法需要簡單實用，更多的是注重診斷的最終結果而不是故障分析的過程。

3 無線傳感器網絡故障恢復

理想情況下，故障恢復階段是傳感器網絡被重組或重新配置的階段，這樣故障或故障節點不會再影響整個網絡的運行。大多無線傳感器網絡將故障節點直接從網絡通信層中孤立出來。目前明顯的更新節點的管理功能的方式之一就是使用移動條碼技術。

4 總結

無線傳感器網絡已經逐漸成為21世紀用于開發新的無線應用的尖端技術。其應用已經十分廣泛。本文中，筆者系統地對無線傳感器網絡的故障管理進行了全面概述，并對現有的故障檢測方法進行了比較分析，提出了故障檢測，故障診斷及故障恢復三階段，對于該技術在無線傳感器網絡的應用具有一定的指導意義。

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