陳斌，楊俊杰

（上海電力學院電子與信息工程學院，上海 200090）

自從無線傳感器網(wǎng)絡（W ireless Sensor Networks，WSN）技術誕生以來，就一直受到國內(nèi)外的廣泛關注，而伴隨著通信技術、計算機技術等各類技術的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)功能也變得日益強大，到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡已運用于多種環(huán)境，可以為各類監(jiān)測提供幫助.［1］無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的類型主要包括匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）、任務管理節(jié)點和終端節(jié)點3種.［2］自傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署開始，經(jīng)過較長時間運行后可能會發(fā)生故障，但是由于傳感器網(wǎng)絡處在無人監(jiān)控和檢查的狀態(tài)，它本身運行的狀態(tài)無從得知，為了更好地了解節(jié)點狀態(tài)，就需要對節(jié)點進行故障診斷.目前，雖然有各種故障診斷算法的研究，但對診斷系統(tǒng)的設計卻很少，因此本文提出一種無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷系統(tǒng)的設計方案.

1 故障診斷系統(tǒng)的整體結構

WSN故障診斷系統(tǒng)由節(jié)點定位模塊、故障診斷模塊和終端處理模塊3部分組成.系統(tǒng)整體結構如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體結構

（1）節(jié)點定位模塊在部署無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點后，系統(tǒng)可以在計算機終端界面上顯示出各節(jié)點的大致位置.

（2）故障診斷模塊系統(tǒng)的核心部分，計算機終端通過Sink節(jié)點發(fā)布一條故障監(jiān)測指令，使各節(jié)點開始進行故障監(jiān)測，然后作出故障診斷，再將診斷結果發(fā)回計算機終端.

（3）終端處理模塊針對無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)回的各種信息進行提取，然后按照步驟進行處理，最終將結果顯示在計算機界面上.

2 節(jié)點定位模塊設計

當無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點隨意部署在無人監(jiān)控的環(huán)境中時，系統(tǒng)需要對節(jié)點進行定位，然后在系統(tǒng)界面上顯示出各節(jié)點的大致位置，便于診斷出故障后，在界面上顯示故障節(jié)點.

2.1 傳感器節(jié)點定位的基本概念

在傳感器網(wǎng)絡的定位技術中，可以分為兩類節(jié)點：一類稱為信標節(jié)點，它表示節(jié)點已經(jīng)知道自身的位置;另一類則是不知道自身位置的節(jié)點，稱為未知節(jié)點.在無線傳感器網(wǎng)絡中信標節(jié)點的數(shù)量較少，為了確定信標節(jié)點的位置，通常可以使節(jié)點攜帶GPS定位設備等來進行定位.［3］未知節(jié)點則通過參考信標節(jié)點的位置來確定自身位置.

2.2 三邊測量定位方法

基于三邊測量法的實用性，本系統(tǒng)采用此方法實現(xiàn)節(jié)點的定位.已知a，b，c 3個節(jié)點的坐標為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），它們到未知節(jié)點d的距離分別為d1，d2，d3.假設節(jié)點d的坐標為（x，y），則可以得到：

因此，通過上述方法，在已知3個無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的坐標位置的情況下，就可以求出未知節(jié)點的位置.

3 故障診斷模塊設計

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡故障分類

無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點故障可以分為硬故障和軟故障兩類.［4］當傳感器節(jié)點的某一模塊發(fā)生故障（如節(jié)點能量由于運行到一定時間耗盡或者其通信模塊由于某些因素發(fā)生故障等），導致其不能與附近節(jié)點通信的，稱之為硬故障;傳感器節(jié)點雖然發(fā)生故障，但其通信模塊正常，并且可以繼續(xù)工作，與其他節(jié)點正常通信，只是節(jié)點感知或者傳送的數(shù)據(jù)不正確的，稱之為軟故障.［5］本文的設計主要針對的是節(jié)點的軟故障.

3.2 故障診斷方法選擇

無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷技術根據(jù)其診斷過程集中與否，可以分為集中式和分布式兩種.

目前，無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷技術大部分采用基于Sink節(jié)點的集中式診斷機制，在這些診斷技術中每個傳感器節(jié)點定期向基站傳送控制數(shù)據(jù)分組以匯報其狀態(tài)信息.文獻［6］提出了一個管理體系結構MANNA，該體系結構創(chuàng)建一個管理中心，通過掌握整個網(wǎng)絡的全局信息，如網(wǎng)絡覆蓋圖、能量損耗圖等，實現(xiàn)對網(wǎng)絡的實時檢測.文獻［7］通過收集傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的鄰居列表來生成可視化的網(wǎng)絡拓撲圖，并以此來判斷網(wǎng)絡連接的可靠性.集中式的診斷方法由于能夠獲得完整的網(wǎng)絡狀態(tài)信息，因而能夠得到較為準確的診斷結果.但它會占用過多的通信開銷，影響網(wǎng)絡的正常應用.

分布式故障診斷方法是通過每個節(jié)點自行判斷狀態(tài)，并依靠鄰居節(jié)點的輔助信息進行故障診斷.由于分布式故障診斷方法能夠有效減小由診斷所引起的通信開銷，因此本系統(tǒng)主要采用此診斷方法.此外，文獻［8］提出的Distributed Fault Detection（DFD）算法，其主要思想是被檢測節(jié)點通過與鄰居節(jié)點比較測量值來判斷自身狀態(tài)，該算法充分利用節(jié)點的分布式特性，具有很強的靈活性和自組織能力，因此本系統(tǒng)采用DFD故障診斷方法來實現(xiàn)節(jié)點的故障診斷.

3.3 基于DFD方法的故障診斷程序設計

故障診斷程序是在節(jié)點內(nèi)部運行的，程序包括診斷觸發(fā)和診斷方法執(zhí)行兩個階段，并且最終由故障節(jié)點向Sink節(jié)點發(fā)送故障信息，并由Sink節(jié)點通過串口向計算機終端轉發(fā)信息，計算機終端讀取信息后進行判別，確定是故障信息后再通過系統(tǒng)主界面顯示.

本系統(tǒng)內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用的路由協(xié)議為匯聚協(xié)議，在節(jié)點部署初期，各節(jié)點即可得知其鄰節(jié)點，因此設計基于DFD方法的故障診斷程序更符合需求.

3.3.1 診斷觸發(fā)機制

分布式故障診斷算法適用于節(jié)點部署較多且密集的場合，此時節(jié)點間的距離較為接近，節(jié)點間同一時刻測量的值（本系統(tǒng)測量的是溫度值）相差不多，其差值dtij應該小于所設定的閾值θ，我們將閾值θ設為節(jié)點測量值的正常波動范圍.如果某個節(jié)點發(fā)生故障，其與相鄰節(jié)點間的測量值的差dtij可能會超過θ，由此可知啟動診斷過程的觸發(fā)機制為dtij大于θ.根據(jù)實際需要的不同來設定閾值θ的大小，這樣可以更加精確地確定無線傳感器網(wǎng)絡的故障.

3.3.2 診斷方法執(zhí)行過程

（1）更新節(jié)點間的狀態(tài)關系首先使各節(jié)點執(zhí)行故障監(jiān)測，Sink節(jié)點發(fā)布一條命令，通知網(wǎng)絡中所有節(jié)點更新節(jié)點間的狀態(tài)關系Cij.當一個節(jié)點收到執(zhí)行故障監(jiān)測的信息后，與周圍鄰節(jié)點協(xié)調后開始執(zhí)行故障監(jiān)測.第一步，收到故障監(jiān)測信息的節(jié)點Si和它的一個鄰節(jié)點Sj，先設置其狀態(tài)關系Cij=0，如果，則Cij=1，否則Cij= 0.第二步，將節(jié)點Si與每個鄰節(jié)點進行上述操作，并保存測試結果.

（2）初步確定節(jié)點自身狀態(tài)為了初步確定節(jié)點自身狀態(tài)，需要執(zhí)行如下計算.

一是計算各個Cij值的和，如果：

則節(jié)點狀態(tài)Ri=LT（可能故障），否則Ri=LG（可能正常）.式中的Num（N（Si））為節(jié)點i的鄰居節(jié)點總數(shù).

二是對N（Si）中的每個節(jié)點重復前面的步驟判斷其狀態(tài).

（3）最終判定節(jié)點是否故障對N（Si）中每個節(jié)點Sj而言，其實際狀態(tài)可能正常也可能是故障，所以利用Cij來判定Si的初步結果可能是錯誤的，不能就此立刻判定節(jié)點Si是否故障，因此需要進行第3次計算來真正確定節(jié)點Si是否故障.第1步，計算N（Si）中初步診斷狀態(tài)為LG且與節(jié)點Si間測試結果為Cij=0的節(jié)點數(shù)a;第2步，計算N （Si）中初步診斷狀態(tài)為LG且與節(jié)點Si間測試結果Cij=1的節(jié)點數(shù)b;第3步，計算a－b的值，若：

則Ri=GD（節(jié)點正常），否則Ri=FT（節(jié)點故障）.

4 終端處理模塊的設計

系統(tǒng)工作流程如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)啟動時，計算機終端通過Sink節(jié)點發(fā)布一條請求節(jié)點定位的命令，節(jié)點通過自身設計好的定位功能模塊測量出與3個信標節(jié)點的距離d1，d2，d3，并發(fā)送回計算機終端，由終端計算出未知節(jié)點的坐標，然后在系統(tǒng)界面上顯示.如果計算機終端想知道是否有節(jié)點發(fā)生故障，則需要發(fā)布一條故障監(jiān)測命令使節(jié)點啟動檢測，檢測完成后發(fā)回檢測結果，再由計算機終端在系統(tǒng)界面顯示檢測結果.

終端處理模塊的界面設計基于.NET框架的智能客戶端技術，使用了pictureBox控件顯示節(jié)點的具體位置.首先將節(jié)點的坐標按照一定比例縮小為圖形上的坐標，然后利用Graphics類中的畫圖方法將節(jié)點的圖像畫在pictureBox控件的相應位置.系統(tǒng)主界面如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)主界面

5 結語

本文在研究無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點故障診斷方法的基礎上設計了節(jié)點故障診斷軟件，結合三邊測量定位方法，利用.NET框架的智能客戶端技術，對整個無線傳感器網(wǎng)絡故障診斷系統(tǒng)進行設計.該系統(tǒng)只要知道了3個節(jié)點的位置，就可對其余節(jié)點進行定位，而且用戶可以根據(jù)需要自主查詢是否有節(jié)點出現(xiàn)故障，所有關于節(jié)點位置和故障的信息都可以在系統(tǒng)主界面上顯示，用戶可以直觀地了解節(jié)點的分布及故障情況.因此，本系統(tǒng)的設計開發(fā)具有良好的應用前景.

［1］李曉維.無線傳感器網(wǎng)絡技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2007：7-9.

［2］霍梅梅，鄭增威，周曉偉.移動傳感器網(wǎng)絡及其路由協(xié)議研究進展［J］.計算機應用研究，2009，26（11）：4 010-4 013.

［3］傅明磊，董慧穎.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位技術研究［J］.科技咨詢導報，2007（3）：28-29.

［4］CHESSA S，SANTI P.Crash faults identification in w ireless sensor networks［J］.Computer Communications，2002，25 （14）：1 273-1 282.

［5］季賽，袁慎芳，李含光.WSN中故障診斷性能與平均節(jié)點度研究［J］.計算機工程，2010，36（7）：14-16.

［6］RUIZ L B，SIQUERIA I G，WONG H C，et al.Fault management in even-driven w ireless sensor network［C］∥Proceedings of the 7th ACM Internetional Sysmposium on Modeling，Analysis and Simulation of W ireless and Mobile Systems，ACM，2004：149-156.

［7］WOO A，TONG T，CULLER D.Tam ing the underlying challenges of reliablemultihop routing in sensor network［C］∥Proceedings of the 1st Internetional Conference on Embedded Network Sensor Systems，ACM，2003：14-27.

［8］CHEN J，KHER S，SOMANIA.Distributed fault detection of w ireless sensor networks［C］∥Proceedings of the 2006Workshop on Dependability Issues in W ireless ad Hoc Networks and Sensor Networks，ACM，2006：65-72.

（編輯胡小萍）