一種用于無線傳感網絡的故障預警系統設計

池明文+孟慶娟+馬占飛

摘 要： 由于無線傳感器網絡故障種類較多，使得傳統的無線傳感網絡故障預警系統無法對其進行有效預警，可靠性和準確性較低。因此，構建可靠性和準確性較高的無線傳感網絡故障預警系統，該系統由故障數據采集篩選模塊、故障辯證模塊、數據庫和便攜式通信設備組成。故障數據采集篩選模塊對無線傳感網絡中各種故障數據進行采集和篩選，并將故障數據傳輸到故障辯證模塊進行故障預警。當故障辯證模塊無法自動進行故障預警時，維修人員將介入處理。數據庫為系統提供故障數據的存儲區域，并對其進行匯總、解析和輸出，以供使用者管理無線傳感網絡。系統軟件利用安卓技術，令使用者通過便攜式通信設備實時獲取故障預警信息，并給出故障數據采集過程的算法代碼。實驗結果表明，所設計的系統具有較高的可靠性和準確性。

關鍵詞： 無線傳感網絡； 故障數據采集； 預警系統； 安卓技術

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，無線傳感器網絡以其低廉的成本和設置靈活性，被廣泛應用于環境監測、電子通信和醫療等領域[1?3]。由于無線傳感器網絡的故障種類較多，傳統的無線傳感網絡故障預警系統無法對其進行有效預警，可靠性和準確性較低[4?6]。因此，構建可靠性和準確性較高的無線傳感網絡故障預警系統，已成為科研組織的重點研究方向。

以往研究的無線傳感網絡故障預警系統均存在一定的問題，如文獻[7]提出基于自供電技術的無線傳感網絡故障預警系統，通過檢測無線傳感網絡的電路問題進行遠程預警，整個系統的準確性較高。但自供電技術受環境溫度和輻射的影響較大，系統穩定性偏低。文獻[8]提出基于人工神經網絡的無線傳感網絡故障預警系統，其故障糾錯率和應用性均很高。但該系統在運行過程中需要花費大量的人力對其進行監控和檢修，運行成本較高，不適合中、小企業使用。文獻[9]提出基于網絡模塊辨認的無線傳感網絡故障預警系統，該系統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據進行預警和整修，正確性較高。但該系統的辨認過程耗時較長，預警效率不高。文獻[10] 提出基于模糊推理的無線傳感網絡故障預警系統，利用模糊推理方法將系統收集到的故障問題進行統一分類，預警效率較高。但模糊推理方法的局限性較強，故整個系統的可靠性不高。

為了解決以上問題，構建可靠性和準確性較高的無線傳感網絡故障預警系統。實驗結果表明，所設計的系統具有較高的可靠性和準確性。

1 無線傳感網絡故障預警系統設計

1.1 系統總體結構設計

無線傳感網絡故障預警系統由故障數據采集篩選模塊、故障辯證模塊、數據庫和便攜式通信設備組成。圖1是無線傳感網絡故障預警系統總體結構圖。

故障數據采集篩選模塊作為無線傳感網絡故障預警系統的初始處理模塊，是無線傳感網絡故障數據準確性的基礎保障。該模塊為故障辯證模塊提供故障問題的數據源。當故障辯證模塊無法自動給出無線傳感網絡的故障預警時，使用者將在便攜式通信設備上接收到故障信息，并派維修人員介入處理。同時，數據庫會推薦處理方案，供維修人員參考。

1.2 故障數據采集篩選模塊設計

故障數據采集篩選模塊能夠對無線傳感網絡中各種故障數據進行采集和篩選。該模塊屬于無線傳感網絡故障預警系統的操作層，其包括數據緩存區、數據篩選區和數據傳輸區，工作原理如圖2所示。

由圖2可知，故障數據采集篩選模塊的工作流程為：先設置模塊故障篩選參數，無線傳感網絡的故障類型主要包括網絡連通不暢、病毒感染、緩存區信息過量和電源不正常供電等。將傳感器網絡中各節點數據實時匯總，并統一上傳至故障數據采集篩選模塊的數據緩存區，防止在數據篩選過程中出現信道擁堵。數據篩選區依次將數據緩存區中的節點數據提取出來，以預設的故障參數為標準，篩選出無線傳感網絡的故障數據。由于無線傳感網絡的節點數據非常龐大，因此，無線傳感網絡故障預警系統為該模塊提供了專業的數據整理人員，以保證故障數據篩選工作的準確性。篩選出的故障數據經由數據傳輸區反饋給故障辯證模塊。

1.3 故障辯證模塊設計

故障辯證模塊能夠對無線傳感網絡節點故障數據進行辯證，給出最優解決方案后將預警信息傳輸給使用者。由于故障數據中蘊含的故障問題往往較為籠統，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據的辯證工作，分別為推導辯證、模糊分類和人工查核。故障辯證模塊接收到故障數據后，先進行數據的推導辯證，得出初始辯證結果。具體或常見的無線傳感網絡故障問題可直接通過該初始辯證結果進行故障預警；對于較為籠統的網絡故障問題，則需要對其進行模糊分類。將網絡故障問題按照無線傳感網絡故障預警系統預設的參數進行分類，其類別包括產生時間、持續時間、故障節點等。同時，故障辯證模塊配備輸入接口，使用者可根據自身情況進行模糊分類的個性化設置。模糊分類后，98%的故障問題均能直接進行故障預警。

由于無線傳感網絡的故障問題更新速度較快，無線傳感網絡故障預警系統無法提前預知特殊的故障問題。因此，余下2%的故障問題需要通過人工查核進行故障預警。經人工查核后給出的最優解決方案，會實時更新到系統預設參數中。故障辯證模塊中產生的所有數據均會被實時保存到數據庫中，完善系統的無線傳感網絡故障數據。

1.4 數據庫設計

數據庫為無線傳感網絡故障預警系統提供故障數據的存儲區域，并進行故障數據的匯總、解析和輸出。數據庫雖沒有直接參與系統的故障預警工作，卻能夠提供給使用者完善無線傳感網絡的理論依據。圖4為數據庫結構圖。

由圖4可知，數據庫是根據故障數據和故障解決方案構建的大型“虛擬圖書館”，其擁有信息索引、報表統計和數據輸出打印等平臺。數據庫的信息索引平臺可以提供給使用者多種系統預設方案。使用者也可利用報表統計平臺，獲取無線傳感網絡的運行情況，并對報表進行輸出和打印。同時，統計報表平臺也為使用者提供了故障數據的解析功能，給出無線傳感網絡故障問題的產生原因和維護措施，幫助使用者構建安全穩定的無線傳感網絡。數據庫不但收集了無線傳感網絡故障預警系統工作中產生的所有數據，也借鑒了各大學術網站中關于無線傳感網絡故障的網絡資源。數據庫提供給故障辯證模塊故障問題解決方案的理論依據，包括無線傳感器的拓撲結構、配置數據和標準節點數據等，確保故障辯證模塊更好地進行故障數據的辯證工作。在故障辯證模塊的推導辯證、模糊分類和人工查核工作中，數據庫會自動推薦多種維修方案，供使用者選擇。數據庫的推薦功能可根據使用者需求隨時關閉或開啟。

2 軟件設計

2.1 無線傳感網絡故障預警系統軟件總體設計

無線傳感網絡故障預警系統利用安卓技術，開放系統源代碼。使用者可在便攜式通信設備上預裝系統軟件，當無線傳感網絡故障預警系統發出故障預警信號后，系統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絡的運行情況。圖5是無線傳感網絡故障預警系統軟件結構圖。

圖5中，安卓技術為無線傳感網絡故障預警系統提供故障查詢、故障采集、預警查詢和報表查詢等功能。

網絡服務功能能夠保護便攜式通信設備中的系統軟件免受外界攻擊，其通信接口與軟件的編程語言相互獨立，為使用者提供數據隱藏和設立管理員密碼的服務，增強了系統的安全性。

基于RMI的分布式應用能夠增強無線傳感網絡故障預警系統軟件的兼容性。同時，該軟件的錯誤修正率和指令變通性較高，滿足多平臺的業務標準，且開發費用低，傳輸效率高，符合使用者對系統軟件設計的需求。

2.2 無線傳感網絡故障預警系統軟件代碼

無線傳感網絡故障預警系統使用C語言進行系統軟件的開發，給出用于無線傳感網絡故障預警系統的故障采集過程的算法代碼，其中包含故障數據初始化和數據存儲：

Int Wireless_sensor _error；

%無線傳感網絡故障數據初始化

null Wireless_sensor _error （null）

{

Free bytes n；

for（n=0；n<300；n++）

{

WDI=WDI； %清空系統緩存數據

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；

%無線傳感網絡故障數據的發送

null TXD_w_ information（null）

{

while（（Keep_WSE= 1）&（Gain_WSE=1））；

%接收初始化故障信息數據

TXD_ address_message = 1；

address_message _s_ information = 0；

SBUF0=address_message[address_message_e_information]； %數據發送

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]； %將數據存儲并復制

WDI=WDI； }

3 實驗設計

無線傳感網絡故障預警系統的可靠性和準確性是評價系統性能的重要指標。為了驗證本文設計的無線傳感網絡故障預警系統具有較高的可靠性和準確性，利用本文系統采集了某傳感器網絡節點數據，進行驗證實驗。系統的可靠性測試和準確性測試可從系統電壓變化和數據接收率入手。系統電壓變化浮動越小，系統抗干擾能力就越強，則系統的可靠性就越高；而數據接收率直接影響著無線傳感網絡的故障排除率，故障排除率同系統準確性呈正相關。

3.1 無線傳感網絡故障預警系統準確性測試

實驗在無干擾情況下進行無線傳感網絡故障預警系統對無線傳感器網絡節點數據的采集，并將系統的電源電壓數據提取出來。圖6是無干擾情況下電源電壓變化圖。

圖6中，無線傳感器網絡故障預警系統的電源電壓在218～250 V之間浮動，屬正常現象。造成此現象的主要原因是：由于系統電路元件在工作過程中會消耗一定的電源能量，導致初始電源電壓無法令系統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電源電壓值，以滿足整個系統電路的運行需求。

實驗進行到30 h，在原有條件下升高環境溫度并增加輻射。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，無線傳感網絡故障預警系統的電源電壓浮動增強趨勢并不明顯。系統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絡故障預警系統具有較高的可靠性。

3.2 無線傳感網絡故障預警系統可靠性測試

無線傳感網絡故障預警系統的數據接收率受多種因素影響，表1為故障節點與系統安裝點之間距離對數據接收率的影響情況。

表1 距離對數據接收率的影響情況

由表1可知，故障節點與系統安裝點之間距離越近，無線傳感網絡故障預警系統的數據接收率越高；數據接收率還與數據傳輸量有關，相同情況下，數據傳輸量越低，數據接收率越高。系統數據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%。數據接收率整體較高，且波動較小，驗證了本文無線傳感網絡故障預警系統具有較高的可靠性。

4 結 論

本文構建可靠性和準確性較高的無線傳感網絡故障預警系統。該系統由故障數據采集篩選模塊、故障辯證模塊、數據庫和便攜式通信設備組成。故障數據采集篩選模塊對無線傳感網絡中各種故障數據進行采集和篩選，并將故障數據傳輸到故障辯證模塊進行故障預警。當故障辯證模塊無法自動進行故障預警時，維修人員將介入處理。數據庫為系統提供故障數據的存儲區域，并對其進行匯總、解析和輸出，以供使用者管理無線傳感網絡。系統軟件利用安卓技術，令使用者通過便攜式通信設備實時獲取故障預警信息，并給出了故障數據采集過程的算法代碼。實驗結果表明，所設計的系統具有較高的可靠性和準確性。

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