专利名称：一种无线传感器网络故障诊断装置及方法
技术领域：
本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感器网络故障诊断装置及方法。
背景技术：
随着通信技术、传感器技术及嵌入式计算技术的快速发展和日益成熟，无线传感器网络被广泛应用在环境监测、煤矿事故检测、危险境地导航、交通流量监控等诸多与国计民生有着重大联系的场景中。由于当前科技水平以及制造工艺的限制，传感器节点(简称节点)的软件与硬件通常并不能完美地契合进行工作，普遍具有易出错的特征。同时，由于节点间采用无线信号进行数据传输，多径(multi-path)、干扰(interference)等因素进一步增加了无线传感器网络的不稳定性障碍物的出现会削弱无线信号，导致节点之间瞬时或者永久的失去连接；而且多个节点同时通信会导致对信道的使用出现竞争，最终只有一个 节点能成功抢占信道进行数据发送。为了增强无线传感器网络的可用性，同时提升无线传感器网络的可靠性，许多研究机构都展开了无线传感器网络故障诊断技术的研究，用以检验网络故障和定位网络中的故障节点。传统的无线传感器网络故障诊断技术可分为两类。第一类是软件纠错技术。典型的方法是在节点程序的源代码层构建类似于GDB的调试工具，通过断点执行、变量观察、堆栈访问等接口进行代码纠错，其中，GDB是GNU开源组织发布的一个强大的UNIX下的程序调试工具，UNIX是一种广泛使用的商业操作系统的名称。这类方法可以判断程序的逻辑错误，但是不能识别通信链路受阻、节点功能紊乱等无线传感器网络中的故障。第二类技术是通过收集无线传感器网络中的相关信息进行深层次的数据分析，诊断无线传感器网络故障。这类方法能够很好的识别无线传感器网络的出错状况，但是通常需要深厚的领域知识。以加州大学洛杉矶分校的研究人员提出的基于规则的诊断方法为例，基站首先会主动收集无线传感器网络中各节点的邻居节点以及下一条节点等的信息，然后参照以此建立的决策树模型，分析结果，从而迅速定位无线传感器网络中存在故障和故障根源。但是，这类方法带来的诊断开销大，而且决策树等统计模型的建立严重依赖于研究人员对无线传感器网络的实际运行经验以及对无线传感器网络故障的理解程度，因而不具有较强的可扩展性。换言之，一个对无线传感器网络不熟悉的人员或者一个未曾出现过的网络错误都有可能导致这类方法失效。由上述分析可知，传统的无线传感器网络故障诊断技术在很大程度上依赖于设计人员对于无线传感器网络的领域知识和实际运行的经验，使得目前的诊断工具具有显著的局限性。事实上，由于无线传感器网络的自组互联、远程部署、环境复杂、大规模等特性，管理维护人员很难对无线传感器网络内部可能出现的故障原因、影响等有全面的了解，尤其是出现在多点交互过程中的故障和错误更加难于检测。随着无线传感器网络的不断发展和应用类型的不断增加，传统的无线传感器网络故障诊断技术的可扩展性面临着严峻的挑战。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络故障诊断装置及方法，其解决了传统无线传感器网络故障诊断方法存在的诊断开销大以及局部问题区域的状态获取不准确等问题，实现了无线传感器网络故障的局部诊断，具有良好的可扩展性。为达此目的，本发明采用以下技术方案一种无线传感器网络故障诊断装置，该诊断装置安装于无线传感器网络的每个节点中，包括诊断触发单元，用于分析该诊断装置所在节点的状态信息，并根据分析结果，判断 是否生成诊断进程；融合树构建单元，用于在诊断触发单元生成诊断进程时，根据该诊断进程对应的故障类型构建融合树；诊断证据生成单元，用于将该诊断装置所在节点的状态信息与概率相关联，生成所述节点预设故障类型的概率赋值即诊断证据；诊断证据融合单元，用于接收所述融合树中该诊断装置所在节点的所有子节点输入的诊断证据，并将其与该诊断装置所在节点自身的诊断证据进行融合；故障诊断单元，用于根据所述诊断证据融合单元的诊断证据融合结果，判断所述诊断进程对应的故障是否存在。特别地,所述融合树构建单元包括诊断请求信号发送单元，用于在无线传感器网络中广播诊断请求信号，当无线传感器网络中没有诊断请求信号传播时，表示融合树构建完成；其中，所述诊断请求信号包含与故障类型对应的诊断范围和发送该诊断请求信号的节点的身份标识号(ID);诊断请求信号响应单元，用于接收输入该诊断装置所在节点的诊断请求信号，并从该诊断请求信号中解析出诊断范围，根据所述诊断范围判断该节点是否属于要建立的融合树；若判断结果为是，则将发送所述诊断请求信号的节点作为自己的父节点，提取其身份标识号，并通知诊断请求信号发送单元继续广播诊断请求信号。特别地，所述诊断证据融合单元包括诊断证据接收单元，用于接收该诊断装置所在节点的子节点列表中所有子节点输入的诊断证据；融合运算单元，用于将诊断证据接收单元接收的诊断证据和该诊断装置所在节点自身的诊断证据进行融合；诊断证据发送单元，用于在诊断证据接收单元没有收到所述子节点列表中某一子节点的诊断证据时，通知该子节点重传诊断证据，以及将融合运算单元融合后的诊断证据发送给该诊断装置所在节点的父节点。本发明还公开了一种无线传感器网络故障诊断方法，该无线传感器网络的每个节点均安装有上述无线传感器网络故障诊断装置，包括如下步骤A、诊断触发单元分析其所在节点的状态信息，并根据分析结果，判断是否生成诊断进程；B、当某一节点的诊断触发单元生成诊断进程时,该节点的融合树构建单元根据该诊断进程对应的故障类型构建融合树，其中，所述节点即为融合树的根节点；C、融合树的叶子节点通过其诊断证据生成单元将自身的状态信息与概率相关联，生成预设故障类型的概率赋值即诊断证据，并将所述诊断证据传入父节点；D、所述父节点的诊断证据融合单元将所述叶子节点输入的诊断证据与自身的诊断证据进行融合，并将融合后的诊断证据传入父节点列表中的节点；E、所述父节点列表中的节点的诊断证据融合单元将收到的所述融合后的诊断证据与自身的诊断证据进行融合，并将融合后的诊断证据传入该节点的父节点列表中的节占.F、重复执行步骤E，最终，所述根节点的故障诊断单元根据诊断证据融合单元的诊断证据融合结果，判断所述诊断进程对应的故障是否存在。 特别地，所述步骤B中所述该节点的融合树构建单元根据该诊断进程对应的故障类型构建融合树，具体包括BI、根节点的诊断请求信号发送单元在无线传感器网络中广播诊断请求信号；其中，所述诊断请求信号包含与故障类型对应的诊断范围、根节点的身份标识号以及由根节点的诊断证据和根节点的子节点的诊断证据构成的标准集；B2、除根节点之外的其它节点的诊断请求信号响应单元接收到所述诊断请求信号后，从该诊断请求信号中解析出诊断范围，并根据所述诊断范围，判断该节点是否属于要建立的融合树；B3、当步骤B2的判断结果为是时，节点从诊断请求信号提取根节点的身份识别号和所述标准集，将根节点作为自己的父节点，并将自身的身份识别号插入所述诊断请求信号中得到新的诊断请求信号，通过诊断请求信号发送单元广播所述新的诊断请求信号；B4、重复执行步骤B2和B3，根节点构建出与故障类型相对应的融合树。特别地，所述步骤C具体包括Cl、融合树中所有子节点列表为空的节点通过诊断请求信号发送单元向邻居节点发送叶子请求信号，确认是否为融合树的叶子节点，如果发送叶子请求信号的节点的诊断请求信号响应单元没有收到回应信号，说明该节点是融合树的叶子节点；如果发送叶子请求信号的节点收到回应信号，说明该节点不是融合树的叶子节点，则该节点将发送所述回应信号的节点作为自己的子节点，更新自己的子节点列表；C2、融合树的叶子节点的诊断证据生成单元利用朴素贝叶斯分类器将自身的状态信息与概率相关联，计算出预设故障类型的概率赋值即诊断证据；计算过程如下mi/v/v-A；)= I P{R)Y\IM')\R)其中，R为预设的故障类型Rtl, R1, R2. . . Rn的任一种，R0表示无异常，(F1, F2, . . . Fn)为数据参量FnF2. Fn的集合即节点的状态信息，P (F1, F2，…Fn)为换算系数，P (R)为在训练阶段估计出故障发生的概率，P(Fi |R) (i取1，2. . . n)为训练阶段估计出的在故障发生的情况下状态信息的数据参量Fi存在的概率，P(R)F1, F2,. . . Fn)为状态信息对应的各种类型的故障的发生概率即诊断证据，也称为基本信任分配函数m(R);这样一来，节点Nk的诊断证据记为mk (Rj),简单记为mk,并且E 0 ^ j ^ n% (Rj) = I ;C3、所述叶子节点的诊断证据生成单元利用步骤C2中获得的诊断证据mk和所述由根节点的诊断证据和根节点的子节点的诊断证据构成的标准集S，根据公式(Gl)、(G2)及(G3)计算出诊断证据mk的基本信任度Pk，并根据基本信任度Pk由公式(G4)和(G5)对诊断证据mk进行加权处理,计算出诊断证据mk的加权诊断证据m' k(Rj),简单记为m' k ；
权利要求
1.一种无线传感器网络故障诊断装置，其特征在于，该诊断装置安装于无线传感器网络的每个节点中，包括 诊断触发单元，用于分析该诊断装置所在节点的状态信息，并根据分析结果，判断是否生成诊断进程； 融合树构建单元，用于在诊断触发单元生成诊断进程时，根据该诊断进程对应的故障类型构建融合树； 诊断证据生成单元，用于将该诊断装置所在节点的状态信息与概率相关联，生成所述节点预设故障类型的概率赋值即诊断证据； 诊断证据融合单元，用于接收所述融合树中该诊断装置所在节点的所有子节点输入的诊断证据，并将其与该诊断装置所在节点自身的诊断证据进行融合； 故障诊断单元，用于根据所述诊断证据融合单元的诊断证据融合结果，判断所述诊断进程对应的故障是否存在。
2.根据权利要求I所述无线传感器网络故障诊断装置，其特征在于，所述融合树构建单元包括 诊断请求信号发送单元，用于在无线传感器网络中广播诊断请求信号，当无线传感器网络中没有诊断请求信号传播时，表示融合树构建完成；其中，所述诊断请求信号包含与故障类型对应的诊断范围和发送该诊断请求信号的节点的身份标识号(ID)； 诊断请求信号响应单元，用于接收输入该诊断装置所在节点的诊断请求信号，并从该诊断请求信号中解析出诊断范围，根据所述诊断范围判断该节点是否属于要建立的融合树；若判断结果为是，则将发送所述诊断请求信号的节点作为自己的父节点，提取其身份标识号，并通知诊断请求信号发送单元继续广播诊断请求信号。
3.根据权利要求2所述无线传感器网络故障诊断装置，其特征在于，所述诊断证据融合单元包括 诊断证据接收单元，用于接收该诊断装置所在节点的子节点列表中所有子节点输入的诊断证据； 融合运算单元，用于将诊断证据接收单元接收的诊断证据和该诊断装置所在节点自身的诊断证据进行融合； 诊断证据发送单元，用于在诊断证据接收单元没有收到所述子节点列表中某一子节点的诊断证据时，通知该子节点重传诊断证据，以及将融合运算单元融合后的诊断证据发送给该诊断装置所在节点的父节点。
4.一种无线传感器网络故障诊断方法，其特征在于，该无线传感器网络的每个节点均安装有如权利要求3所述的无线传感器网络故障诊断装置，包括如下步骤 A、诊断触发单元分析其所在节点的状态信息，并根据分析结果，判断是否生成诊断进程; B、当某一节点的诊断触发单元生成诊断进程时，该节点的融合树构建单元根据该诊断进程对应的故障类型构建融合树，其中，所述节点即为融合树的根节点； C、融合树的叶子节点通过其诊断证据生成单元将自身的状态信息与概率相关联，生成预设故障类型的概率赋值即诊断证据，并将所述诊断证据传入父节点； D、所述父节点的诊断证据融合单元将所述叶子节点输入的诊断证据与自身的诊断证据进行融合，并将融合后的诊断证据传入父节点列表中的节点； E、所述父节点列表中的节点的诊断证据融合单元将收到的所述融合后的诊断证据与自身的诊断证据进行融合，并将融合后的诊断证据传入该节点的父节点列表中的节点； F、重复执行步骤E，最终，所述根节点的故障诊断单元根据诊断证据融合单元的诊断证据融合结果，判断所述诊断进程对应的故障是否存在。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络故障诊断方法，其特征在于，所述步骤B中所述该节点的融合树构建单元根据该诊断进程对应的故障类型构建融合树，具体包括 BI、根节点的诊断请求信号发送单元在无线传感器网络中广播诊断请求信号；其中，所述诊断请求信号包含与故障类型对应的诊断范围、根节点的身份标识号以及由根节点的诊断证据和根节点的子节点的诊断证据构成的标准集； B2、除根节点之外的其它节点的诊断请求信号响应单元接收到所述诊断请求信号后，从该诊断请求信号中解析出诊断范围，并根据所述诊断范围，判断该节点是否属于要建立的融合树； B3、当步骤B2的判断结果为是时，节点从诊断请求信号提取根节点的身份识别号和所述标准集，将根节点作为自己的父节点，并将自身的身份识别号插入所述诊断请求信号中得到新的诊断请求信号，通过诊断请求信号发送单元广播所述新的诊断请求信号； B4、重复执行步骤B2和B3，根节点构建出与故障类型相对应的融合树。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络故障诊断方法，其特征在于，所述步骤C具体包括 Cl、融合树中所有子节点列表为空的节点通过诊断请求信号发送单元向邻居节点发送叶子请求信号，确认是否为融合树的叶子节点，如果发送叶子请求信号的节点的诊断请求信号响应单元没有收到回应信号，说明该节点是融合树的叶子节点；如果发送叶子请求信号的节点收到回应信号，说明该节点不是融合树的叶子节点，则该节点将发送所述回应信号的节点作为自己的子节点，更新自己的子节点列表； C2、融合树的叶子节点的诊断证据生成单元利用朴素贝叶斯分类器将自身的状态信息与概率相关联，计算出预设故障类型的概率赋值即诊断证据；计算过程如下
7.根据权利要求6所述的无线传感器网络故障诊断方法，其特征在于，所述步骤C2还包括 当融合树的叶子节点的诊断证据生成单元利用朴素贝叶斯分类器生成诊断证据m(R)后，判断融合树中包含节点的数量是否达到预设阈值，若达到，则所述叶子节点的诊断证据生成单元执行步骤C3，若没达到，则所述叶子节点的诊断证据生成单元不执行步骤C3，将诊断证据m(R)通过诊断证据发送单元发送给该叶子节点的父节点。
8.根据权利要求7所述的无线传感器网络故障诊断方法，其特征在于，所述步骤D具体包括 D1、步骤C4中所述父节点的诊断证据接收单元接收叶子节点输入的加权诊断证据m/ k ； D2、所述父节点的诊断证据发送单元在没有收到子节点列表中某一子节点的加权诊断证据时，通知该子节点重传加权诊断证据； D3、所述父节点的诊断证据生成单元与叶子节点的诊断证据生成单元执行相同的操作利用所述由根节点的诊断证据和根节点的子节点的诊断证据构成的标准集S将自身的诊断证据进行处理，获得加权诊断证据m, q； D3、所述父节点的融合运算单元根据公式(G6)将加权诊断证据m' k和加权诊断证据m,,进行融合，获得融合诊断证据m, kq；
9.根据权利要求8所述的无线传感器网络故障诊断方法，其特征在于，所述步骤E中所述自身的诊断证据是诊断证据生成单元生成的加权诊断证据。
10.根据权利要求9所述的无线传感器网络故障诊断方法，其特征在于，所述步骤F中，融合树的根节点和其子节点的融合运算单元将其加入所述标准集中的诊断证据与接收到的融合诊断证据直接进行融合。
全文摘要
本发明公开一种无线传感器网络故障诊断装置及方法，包括诊断触发单元、融合树构建单元、诊断证据生成单元、诊断证据融合单元以及故障诊断单元。针对不同的故障类型，自动建立相应的融合树，然后在局部问题区域进行故障的融合诊断。与传统的无线传感器网络故障诊断方法相比，本发明解决了传统无线传感器网络故障诊断方法存在的诊断开销大,诊断不实时以及局部问题区域的状态获取不准确等问题，实现了无线传感器网络故障的局部实时诊断，而且诊断速度快，诊断精度高，具有良好的可扩展性。
文档编号H04W24/04GK102802182SQ20121028259
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者马强, 刘克彬, 苗欣, 刘云浩 申请人:无锡赛睿科技有限公司