專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡領域，尤其涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置及方法。
背景技術：
隨著通信技術、傳感器技術及嵌入式計算技術的快速發(fā)展和日益成熟，無線傳感器網(wǎng)絡被廣泛應用在環(huán)境監(jiān)測、煤礦事故檢測、危險境地導航、交通流量監(jiān)控等諸多與國計民生有著重大聯(lián)系的場景中。由于當前科技水平以及制造工藝的限制，傳感器節(jié)點(簡稱節(jié)點)的軟件與硬件通常并不能完美地契合進行工作，普遍具有易出錯的特征。同時，由于節(jié)點間采用無線信號進行數(shù)據(jù)傳輸，多徑(multi-path)、干擾(interference)等因素進一步增加了無線傳感器網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性障礙物的出現(xiàn)會削弱無線信號，導致節(jié)點之間瞬時或者永久的失去連接；而且多個節(jié)點同時通信會導致對信道的使用出現(xiàn)競爭，最終只有一個 節(jié)點能成功搶占信道進行數(shù)據(jù)發(fā)送。為了增強無線傳感器網(wǎng)絡的可用性，同時提升無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性，許多研究機構都展開了無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷技術的研究，用以檢驗網(wǎng)絡故障和定位網(wǎng)絡中的故障節(jié)點。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷技術可分為兩類。第一類是軟件糾錯技術。典型的方法是在節(jié)點程序的源代碼層構建類似于GDB的調試工具，通過斷點執(zhí)行、變量觀察、堆棧訪問等接口進行代碼糾錯，其中，GDB是GNU開源組織發(fā)布的一個強大的UNIX下的程序調試工具，UNIX是一種廣泛使用的商業(yè)操作系統(tǒng)的名稱。這類方法可以判斷程序的邏輯錯誤，但是不能識別通信鏈路受阻、節(jié)點功能紊亂等無線傳感器網(wǎng)絡中的故障。第二類技術是通過收集無線傳感器網(wǎng)絡中的相關信息進行深層次的數(shù)據(jù)分析，診斷無線傳感器網(wǎng)絡故障。這類方法能夠很好的識別無線傳感器網(wǎng)絡的出錯狀況，但是通常需要深厚的領域知識。以加州大學洛杉磯分校的研究人員提出的基于規(guī)則的診斷方法為例，基站首先會主動收集無線傳感器網(wǎng)絡中各節(jié)點的鄰居節(jié)點以及下一條節(jié)點等的信息，然后參照以此建立的決策樹模型，分析結果，從而迅速定位無線傳感器網(wǎng)絡中存在故障和故障根源。但是，這類方法帶來的診斷開銷大，而且決策樹等統(tǒng)計模型的建立嚴重依賴于研究人員對無線傳感器網(wǎng)絡的實際運行經(jīng)驗以及對無線傳感器網(wǎng)絡故障的理解程度，因而不具有較強的可擴展性。換言之，一個對無線傳感器網(wǎng)絡不熟悉的人員或者一個未曾出現(xiàn)過的網(wǎng)絡錯誤都有可能導致這類方法失效。由上述分析可知，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷技術在很大程度上依賴于設計人員對于無線傳感器網(wǎng)絡的領域知識和實際運行的經(jīng)驗，使得目前的診斷工具具有顯著的局限性。事實上，由于無線傳感器網(wǎng)絡的自組互聯(lián)、遠程部署、環(huán)境復雜、大規(guī)模等特性，管理維護人員很難對無線傳感器網(wǎng)絡內部可能出現(xiàn)的故障原因、影響等有全面的了解，尤其是出現(xiàn)在多點交互過程中的故障和錯誤更加難于檢測。隨著無線傳感器網(wǎng)絡的不斷發(fā)展和應用類型的不斷增加，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷技術的可擴展性面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容
針對上述技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置及方法，其解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法存在的診斷開銷大以及局部問題區(qū)域的狀態(tài)獲取不準確等問題，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡故障的局部診斷，具有良好的可擴展性。為達此目的，本發(fā)明采用以下技術方案一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置，該診斷裝置安裝于無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點中，包括診斷觸發(fā)單元，用于分析該診斷裝置所在節(jié)點的狀態(tài)信息，并根據(jù)分析結果，判斷 是否生成診斷進程；融合樹構建單元，用于在診斷觸發(fā)單元生成診斷進程時，根據(jù)該診斷進程對應的故障類型構建融合樹；診斷證據(jù)生成單元，用于將該診斷裝置所在節(jié)點的狀態(tài)信息與概率相關聯(lián)，生成所述節(jié)點預設故障類型的概率賦值即診斷證據(jù)；診斷證據(jù)融合單元，用于接收所述融合樹中該診斷裝置所在節(jié)點的所有子節(jié)點輸入的診斷證據(jù)，并將其與該診斷裝置所在節(jié)點自身的診斷證據(jù)進行融合；故障診斷單元，用于根據(jù)所述診斷證據(jù)融合單元的診斷證據(jù)融合結果，判斷所述診斷進程對應的故障是否存在。特別地,所述融合樹構建單元包括診斷請求信號發(fā)送單元，用于在無線傳感器網(wǎng)絡中廣播診斷請求信號，當無線傳感器網(wǎng)絡中沒有診斷請求信號傳播時，表示融合樹構建完成；其中，所述診斷請求信號包含與故障類型對應的診斷范圍和發(fā)送該診斷請求信號的節(jié)點的身份標識號(ID);診斷請求信號響應單元，用于接收輸入該診斷裝置所在節(jié)點的診斷請求信號，并從該診斷請求信號中解析出診斷范圍，根據(jù)所述診斷范圍判斷該節(jié)點是否屬于要建立的融合樹；若判斷結果為是，則將發(fā)送所述診斷請求信號的節(jié)點作為自己的父節(jié)點，提取其身份標識號，并通知診斷請求信號發(fā)送單元繼續(xù)廣播診斷請求信號。特別地，所述診斷證據(jù)融合單元包括診斷證據(jù)接收單元，用于接收該診斷裝置所在節(jié)點的子節(jié)點列表中所有子節(jié)點輸入的診斷證據(jù)；融合運算單元，用于將診斷證據(jù)接收單元接收的診斷證據(jù)和該診斷裝置所在節(jié)點自身的診斷證據(jù)進行融合；診斷證據(jù)發(fā)送單元，用于在診斷證據(jù)接收單元沒有收到所述子節(jié)點列表中某一子節(jié)點的診斷證據(jù)時，通知該子節(jié)點重傳診斷證據(jù)，以及將融合運算單元融合后的診斷證據(jù)發(fā)送給該診斷裝置所在節(jié)點的父節(jié)點。本發(fā)明還公開了一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，該無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點均安裝有上述無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置，包括如下步驟A、診斷觸發(fā)單元分析其所在節(jié)點的狀態(tài)信息，并根據(jù)分析結果，判斷是否生成診斷進程；B、當某一節(jié)點的診斷觸發(fā)單元生成診斷進程時,該節(jié)點的融合樹構建單元根據(jù)該診斷進程對應的故障類型構建融合樹，其中，所述節(jié)點即為融合樹的根節(jié)點；C、融合樹的葉子節(jié)點通過其診斷證據(jù)生成單元將自身的狀態(tài)信息與概率相關聯(lián)，生成預設故障類型的概率賦值即診斷證據(jù)，并將所述診斷證據(jù)傳入父節(jié)點；D、所述父節(jié)點的診斷證據(jù)融合單元將所述葉子節(jié)點輸入的診斷證據(jù)與自身的診斷證據(jù)進行融合，并將融合后的診斷證據(jù)傳入父節(jié)點列表中的節(jié)點；E、所述父節(jié)點列表中的節(jié)點的診斷證據(jù)融合單元將收到的所述融合后的診斷證據(jù)與自身的診斷證據(jù)進行融合，并將融合后的診斷證據(jù)傳入該節(jié)點的父節(jié)點列表中的節(jié)占.F、重復執(zhí)行步驟E，最終，所述根節(jié)點的故障診斷單元根據(jù)診斷證據(jù)融合單元的診斷證據(jù)融合結果，判斷所述診斷進程對應的故障是否存在。 特別地，所述步驟B中所述該節(jié)點的融合樹構建單元根據(jù)該診斷進程對應的故障類型構建融合樹，具體包括BI、根節(jié)點的診斷請求信號發(fā)送單元在無線傳感器網(wǎng)絡中廣播診斷請求信號；其中，所述診斷請求信號包含與故障類型對應的診斷范圍、根節(jié)點的身份標識號以及由根節(jié)點的診斷證據(jù)和根節(jié)點的子節(jié)點的診斷證據(jù)構成的標準集；B2、除根節(jié)點之外的其它節(jié)點的診斷請求信號響應單元接收到所述診斷請求信號后，從該診斷請求信號中解析出診斷范圍，并根據(jù)所述診斷范圍，判斷該節(jié)點是否屬于要建立的融合樹；B3、當步驟B2的判斷結果為是時，節(jié)點從診斷請求信號提取根節(jié)點的身份識別號和所述標準集，將根節(jié)點作為自己的父節(jié)點，并將自身的身份識別號插入所述診斷請求信號中得到新的診斷請求信號，通過診斷請求信號發(fā)送單元廣播所述新的診斷請求信號；B4、重復執(zhí)行步驟B2和B3，根節(jié)點構建出與故障類型相對應的融合樹。特別地，所述步驟C具體包括Cl、融合樹中所有子節(jié)點列表為空的節(jié)點通過診斷請求信號發(fā)送單元向鄰居節(jié)點發(fā)送葉子請求信號，確認是否為融合樹的葉子節(jié)點，如果發(fā)送葉子請求信號的節(jié)點的診斷請求信號響應單元沒有收到回應信號，說明該節(jié)點是融合樹的葉子節(jié)點；如果發(fā)送葉子請求信號的節(jié)點收到回應信號，說明該節(jié)點不是融合樹的葉子節(jié)點，則該節(jié)點將發(fā)送所述回應信號的節(jié)點作為自己的子節(jié)點，更新自己的子節(jié)點列表；C2、融合樹的葉子節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元利用樸素貝葉斯分類器將自身的狀態(tài)信息與概率相關聯(lián)，計算出預設故障類型的概率賦值即診斷證據(jù)；計算過程如下mi/v/v-A；)= I P{R)Y\IM')\R)其中，R為預設的故障類型Rtl, R1, R2. . . Rn的任一種，R0表示無異常，(F1, F2, . . . Fn)為數(shù)據(jù)參量FnF2. Fn的集合即節(jié)點的狀態(tài)信息，P (F1, F2，…Fn)為換算系數(shù)，P (R)為在訓練階段估計出故障發(fā)生的概率，P(Fi |R) (i取1，2. . . n)為訓練階段估計出的在故障發(fā)生的情況下狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)參量Fi存在的概率，P(R)F1, F2,. . . Fn)為狀態(tài)信息對應的各種類型的故障的發(fā)生概率即診斷證據(jù)，也稱為基本信任分配函數(shù)m(R);這樣一來，節(jié)點Nk的診斷證據(jù)記為mk (Rj),簡單記為mk,并且E 0 ^ j ^ n% (Rj) = I ;C3、所述葉子節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元利用步驟C2中獲得的診斷證據(jù)mk和所述由根節(jié)點的診斷證據(jù)和根節(jié)點的子節(jié)點的診斷證據(jù)構成的標準集S，根據(jù)公式(Gl)、(G2)及(G3)計算出診斷證據(jù)mk的基本信任度Pk，并根據(jù)基本信任度Pk由公式(G4)和(G5)對診斷證據(jù)mk進行加權處理,計算出診斷證據(jù)mk的加權診斷證據(jù)m' k(Rj),簡單記為m' k ；
權利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置，其特征在于，該診斷裝置安裝于無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點中，包括 診斷觸發(fā)單元，用于分析該診斷裝置所在節(jié)點的狀態(tài)信息，并根據(jù)分析結果，判斷是否生成診斷進程； 融合樹構建單元，用于在診斷觸發(fā)單元生成診斷進程時，根據(jù)該診斷進程對應的故障類型構建融合樹； 診斷證據(jù)生成單元，用于將該診斷裝置所在節(jié)點的狀態(tài)信息與概率相關聯(lián)，生成所述節(jié)點預設故障類型的概率賦值即診斷證據(jù)； 診斷證據(jù)融合單元，用于接收所述融合樹中該診斷裝置所在節(jié)點的所有子節(jié)點輸入的診斷證據(jù)，并將其與該診斷裝置所在節(jié)點自身的診斷證據(jù)進行融合； 故障診斷單元，用于根據(jù)所述診斷證據(jù)融合單元的診斷證據(jù)融合結果，判斷所述診斷進程對應的故障是否存在。
2.根據(jù)權利要求I所述無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置，其特征在于，所述融合樹構建單元包括 診斷請求信號發(fā)送單元，用于在無線傳感器網(wǎng)絡中廣播診斷請求信號，當無線傳感器網(wǎng)絡中沒有診斷請求信號傳播時，表示融合樹構建完成；其中，所述診斷請求信號包含與故障類型對應的診斷范圍和發(fā)送該診斷請求信號的節(jié)點的身份標識號(ID)； 診斷請求信號響應單元，用于接收輸入該診斷裝置所在節(jié)點的診斷請求信號，并從該診斷請求信號中解析出診斷范圍，根據(jù)所述診斷范圍判斷該節(jié)點是否屬于要建立的融合樹；若判斷結果為是，則將發(fā)送所述診斷請求信號的節(jié)點作為自己的父節(jié)點，提取其身份標識號，并通知診斷請求信號發(fā)送單元繼續(xù)廣播診斷請求信號。
3.根據(jù)權利要求2所述無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置，其特征在于，所述診斷證據(jù)融合單元包括 診斷證據(jù)接收單元，用于接收該診斷裝置所在節(jié)點的子節(jié)點列表中所有子節(jié)點輸入的診斷證據(jù)； 融合運算單元，用于將診斷證據(jù)接收單元接收的診斷證據(jù)和該診斷裝置所在節(jié)點自身的診斷證據(jù)進行融合； 診斷證據(jù)發(fā)送單元，用于在診斷證據(jù)接收單元沒有收到所述子節(jié)點列表中某一子節(jié)點的診斷證據(jù)時，通知該子節(jié)點重傳診斷證據(jù)，以及將融合運算單元融合后的診斷證據(jù)發(fā)送給該診斷裝置所在節(jié)點的父節(jié)點。
4.一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，其特征在于，該無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點均安裝有如權利要求3所述的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置，包括如下步驟 A、診斷觸發(fā)單元分析其所在節(jié)點的狀態(tài)信息，并根據(jù)分析結果，判斷是否生成診斷進程; B、當某一節(jié)點的診斷觸發(fā)單元生成診斷進程時，該節(jié)點的融合樹構建單元根據(jù)該診斷進程對應的故障類型構建融合樹，其中，所述節(jié)點即為融合樹的根節(jié)點； C、融合樹的葉子節(jié)點通過其診斷證據(jù)生成單元將自身的狀態(tài)信息與概率相關聯(lián)，生成預設故障類型的概率賦值即診斷證據(jù)，并將所述診斷證據(jù)傳入父節(jié)點； D、所述父節(jié)點的診斷證據(jù)融合單元將所述葉子節(jié)點輸入的診斷證據(jù)與自身的診斷證據(jù)進行融合，并將融合后的診斷證據(jù)傳入父節(jié)點列表中的節(jié)點； E、所述父節(jié)點列表中的節(jié)點的診斷證據(jù)融合單元將收到的所述融合后的診斷證據(jù)與自身的診斷證據(jù)進行融合，并將融合后的診斷證據(jù)傳入該節(jié)點的父節(jié)點列表中的節(jié)點； F、重復執(zhí)行步驟E，最終，所述根節(jié)點的故障診斷單元根據(jù)診斷證據(jù)融合單元的診斷證據(jù)融合結果，判斷所述診斷進程對應的故障是否存在。
5.根據(jù)權利要求4所述的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，其特征在于，所述步驟B中所述該節(jié)點的融合樹構建單元根據(jù)該診斷進程對應的故障類型構建融合樹，具體包括 BI、根節(jié)點的診斷請求信號發(fā)送單元在無線傳感器網(wǎng)絡中廣播診斷請求信號；其中，所述診斷請求信號包含與故障類型對應的診斷范圍、根節(jié)點的身份標識號以及由根節(jié)點的診斷證據(jù)和根節(jié)點的子節(jié)點的診斷證據(jù)構成的標準集； B2、除根節(jié)點之外的其它節(jié)點的診斷請求信號響應單元接收到所述診斷請求信號后，從該診斷請求信號中解析出診斷范圍，并根據(jù)所述診斷范圍，判斷該節(jié)點是否屬于要建立的融合樹； B3、當步驟B2的判斷結果為是時，節(jié)點從診斷請求信號提取根節(jié)點的身份識別號和所述標準集，將根節(jié)點作為自己的父節(jié)點，并將自身的身份識別號插入所述診斷請求信號中得到新的診斷請求信號，通過診斷請求信號發(fā)送單元廣播所述新的診斷請求信號； B4、重復執(zhí)行步驟B2和B3，根節(jié)點構建出與故障類型相對應的融合樹。
6.根據(jù)權利要求5所述的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，其特征在于，所述步驟C具體包括 Cl、融合樹中所有子節(jié)點列表為空的節(jié)點通過診斷請求信號發(fā)送單元向鄰居節(jié)點發(fā)送葉子請求信號，確認是否為融合樹的葉子節(jié)點，如果發(fā)送葉子請求信號的節(jié)點的診斷請求信號響應單元沒有收到回應信號，說明該節(jié)點是融合樹的葉子節(jié)點；如果發(fā)送葉子請求信號的節(jié)點收到回應信號，說明該節(jié)點不是融合樹的葉子節(jié)點，則該節(jié)點將發(fā)送所述回應信號的節(jié)點作為自己的子節(jié)點，更新自己的子節(jié)點列表； C2、融合樹的葉子節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元利用樸素貝葉斯分類器將自身的狀態(tài)信息與概率相關聯(lián)，計算出預設故障類型的概率賦值即診斷證據(jù)；計算過程如下
7.根據(jù)權利要求6所述的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，其特征在于，所述步驟C2還包括 當融合樹的葉子節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元利用樸素貝葉斯分類器生成診斷證據(jù)m(R)后，判斷融合樹中包含節(jié)點的數(shù)量是否達到預設閾值，若達到，則所述葉子節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元執(zhí)行步驟C3，若沒達到，則所述葉子節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元不執(zhí)行步驟C3，將診斷證據(jù)m(R)通過診斷證據(jù)發(fā)送單元發(fā)送給該葉子節(jié)點的父節(jié)點。
8.根據(jù)權利要求7所述的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，其特征在于，所述步驟D具體包括 D1、步驟C4中所述父節(jié)點的診斷證據(jù)接收單元接收葉子節(jié)點輸入的加權診斷證據(jù)m/ k ； D2、所述父節(jié)點的診斷證據(jù)發(fā)送單元在沒有收到子節(jié)點列表中某一子節(jié)點的加權診斷證據(jù)時，通知該子節(jié)點重傳加權診斷證據(jù)； D3、所述父節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元與葉子節(jié)點的診斷證據(jù)生成單元執(zhí)行相同的操作利用所述由根節(jié)點的診斷證據(jù)和根節(jié)點的子節(jié)點的診斷證據(jù)構成的標準集S將自身的診斷證據(jù)進行處理，獲得加權診斷證據(jù)m, q； D3、所述父節(jié)點的融合運算單元根據(jù)公式(G6)將加權診斷證據(jù)m' k和加權診斷證據(jù)m,,進行融合，獲得融合診斷證據(jù)m, kq；
9.根據(jù)權利要求8所述的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，其特征在于，所述步驟E中所述自身的診斷證據(jù)是診斷證據(jù)生成單元生成的加權診斷證據(jù)。
10.根據(jù)權利要求9所述的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法，其特征在于，所述步驟F中，融合樹的根節(jié)點和其子節(jié)點的融合運算單元將其加入所述標準集中的診斷證據(jù)與接收到的融合診斷證據(jù)直接進行融合。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷裝置及方法，包括診斷觸發(fā)單元、融合樹構建單元、診斷證據(jù)生成單元、診斷證據(jù)融合單元以及故障診斷單元。針對不同的故障類型，自動建立相應的融合樹，然后在局部問題區(qū)域進行故障的融合診斷。與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法相比，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷方法存在的診斷開銷大,診斷不實時以及局部問題區(qū)域的狀態(tài)獲取不準確等問題，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡故障的局部實時診斷，而且診斷速度快，診斷精度高，具有良好的可擴展性。
文檔編號H04W24/04GK102802182SQ20121028259
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月9日 優(yōu)先權日2012年8月9日
發(fā)明者馬強, 劉克彬, 苗欣, 劉云浩 申請人:無錫賽?？萍加邢薰?br>