低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统的制作方法
【专利摘要】低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，是为了解决无线传感器网络节点自身局限性及在恶劣环境中易导致网络节点故障频发现象，不能快速对故障症结定位及对部分故障还无法自修复的技术问题而设计的。该系统以故障诊断芯片为核心，接收来自传感器模块、电源供电模块及射频发射装置故障信息检测模块周期性采集网络节点的状态信息，由故障诊断模块对上述信息进行分析，并按照诊断结果转入相应的处理机制。特点：能对节点故障进行自检测和预防，及时采取有效的措施补救故障带来的损失，通过故障检测模块加快故障的排除，有效地减少网络因故障导致的损失。极大地节约了网络的维护和组件成本。
【专利说明】低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种网络节点故障检测系统，尤其涉及一种低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统。属于无线传感器网络节点检测【技术领域】。
【背景技术】:
[0002]目前，无线传感器网络应用广泛，无线传感器网络节点因其自身的局限性以及经常布置在恶劣的环境中导致无线传感器网络节点故障频发。虽然该领域有很多故障检测的措施、架构和协议等，但是这些仅仅局限于宏观的无线传感器网络故障检测；而对于无线传感器网络节点并没有一个行之有效的方法对其进行故障检测，更没有一个成熟的系统在能够实现故障检测的同时当部分重要功能模块出现故障后进行自修复。无线传感器节点不仅携带着各种传感器以实现感知各种环境信息的功能，而且节点自身具有信号收发功能、对指令的处理功能和组网功能等。功能越复杂的无线传感器网络节点成本也就越高，因此如何配置一个无线传感器网络节点的故障检测系统，以实现对重要模块的自检测及时的察觉故障，对部分故障的功能模块进行自修复使节点的生命周期得到最大地延长。这对于降低无线传感器网络的部署成本以及网络维护和网络的可靠性具有非常重要的意义。
【发明内容】
:
[0003]本发明为了解决无线传感器网络节点因其自身的局限性以及经常布置在恶劣的环境中导致无线传感器网络节点故障频发的情况，目前还不具备快速对无线传感器网络节点出现故障的症结定位以及对部分故障还无法达到自修复的技术问题，提供了一种低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，它包括主电源供电模块、备用电源模块、传感器模块、信号放大模块、射频发射模块、故障状态指示模块、射频发射装置故障检测模块、射频故障指示灯模块、实时时钟模块、故障信息存储模块及故障诊断芯片以及手持故障检测模块；该系统以故障诊断芯片为核心，接收来自传感器模块、电源供电模块以及射频发射模块中的射频发射装置故障信息检测模块，所进行的周期性采集网络节点的状态信息，由故障诊断模块对上述各个模块上传的信息进行分析，并根据诊断结果按照故障状态、危险警告或正常状态转入相应的处理机制；由故障诊断模块将诊断出的除射频发射模块以外的所有模块的故障信息发送给射频发射模块中的MCU，已设定的帧格式将故障信息进行打包逐级上传至Sink节点以达到通知网络管理人员及时修复和排除故障的目的；收到故障信息的Sink节点会向全网络的无线传感器网络节点广播该故障信息，其他正常的网络节点在收到故障节点的故障信息后会更新路由表，孤立故障节点使信息流不在经过该故障节点以达到节约网络其他节点能耗的目的；直到修复故障节点后由网络的Sink节点向全网络广播更新路由表的命令，使网络中各个节点更新路由表后重新连入被修复的故障节点；对危险警告信息，由故障诊断模块将警告信息从故障诊断芯片传递至射频发射模块内的MCU，之后射频发射模块采用已设定的帧格式对警告信息进行打包封装并逐级上传至Sink节点通知网络管理员，以达到在无线传感器网络节点切实的发生故障前将潜在的故障排除，使网络节点正常的运行提高网络的鲁棒性。
[0004]本发明的有益效果与特点:能对节点的故障进行自我检测和预防；当故障发生后能采取有效的自修复措施补救故障带来的损失；以及采取新型的故障检测机制加快故障的排除，有效地减少网络因故障导致的损失，极大地节约了网络的建设成本与维护成本。
[0005](I)无线传感器网络节点能周期性的进行自检测及时的发现故障，并采取有效地措施将故障信息上传，使故障能及时的得到维修。
[0006](2)当网络管理人员得知故障后可以携带手持故障检测模块对故障节点进行迅速定位找到节点的位置，并通过读取故障信息存储模块中的信息迅速确定故障的症结，能达到有的放矢的快速排除故障使节点能尽快的加入网络。
[0007](3)通过对故障状态的程度划分分为故障状态和警告状态。警告状态可以达到向网络管理人员示警该节点即将出现故障，能达到对即将发生的故障进行排除使节点不进入故障状态，保持节点正常的工作。
[0008](4)对于节点中的重要模块提供了故障自动修复的机制，当该模块出现故障时可以激活节点中的备份模块替代该模块进行工作，极大地延长了节点的生命周期和提高了网络的鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】:
[0009]图1系统模块结构框图
[0010]图2故障诊断芯片电路原理图
[0011]图3主电源供电模块电路原理图
[0012]图4备用电源模块和射频故障指示灯模块电路原理图
[0013]图5故障信息存储模块电路原理图
[0014]图6实时时钟模块电路原理图
[0015]图7故障状态指示模块电路原理图
[0016]图8射频发射模块电路原理图
[0017]图9串口通信模块电路原理图
[0018]图10传感器模块和信号放大模块电路原理图
[0019]图11手持故障检测模块原理图
[0020]图12故障检测软件流程图
[0021]图13无线传感器网络结构示意图
[0022]图14故障自检测、处理、自修复机制流程图
【具体实施方式】:
[0023]参看图1-图14，低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，它包括主电源供电模块、备用电源模块、传感器模块、信号放大模块、射频发射模块、故障状态指示模块、射频发射装置故障检测模块、射频故障指示灯模块、实时时钟模块、故障信息存储模块及故障诊断芯片以及手持故障检测模块；该系统以故障诊断芯片为核心，接收来自传感器模块、电源供电模块以及射频发射模块中的射频发射装置故障信息检测模块，所进行的周期性采集网络节点的状态信息，由故障诊断模块对上述各个模块上传的信息进行分析，并根据诊断结果按照故障、危险警告或正常状态转入相应的处理机制；由故障诊断模块将诊断出的除射频发射模块以外的所有模块的故障信息发送给射频发射模块中的MCU，按照已设定的帧格式将故障信息进行打包逐级上传至Sink节点以达到通知网络管理人员及时修复和排除故障的目的；收到故障信息的Sink节点会向全网络的无线传感器网络节点广播该故障信息，其他正常的网络节点在收到故障节点的故障信息后会更新路由表，以达到孤立故障节点使信息流不在经过该故障节点的目的；直到修复故障节点后由网络的Sink节点向全网络广播更新路由表的命令，使网络中各个节点更新路由表后重新连入被修复的故障节点；对于危险警告信息的处理，由故障诊断模块将警告信息从故障诊断芯片传递至射频发射模块内的MCU，之后射频发射模块采用已设定的帧格式对警告信息进行打包封装并逐级上传至Sink节点通知网络管理员，以达到在无线传感器网络节点切实的发生故障前将潜在的故障排除，使网络节点正常运行提高网络的鲁棒性。
[0024]该系统设有一独立于无线传感器网络节点的手持故障检测模块，该模块接收用于显示无线传感器网络节点的拓扑结构，便于定位故障节点的地理位置，以及通过读取和显示故障信息存储模块中的该节点故障信息，快速定位故障模块和找到故障原因。
[0025]所述电源供电模块，除设有主电源供电模块外，还设有主电源剩余电量检测模块和备用电源模块，由所述主电源剩余电量检测模块周期性检测主电源所剩电量，以控制备用电源的启用与否。
[0026]在所述Sink节点上，针对射频发射模块的故障检测设有定期主动轮询网络中节点的机制，若连续轮询两次某节点无应答则认为该节点的射频发射模块出现故障，并且通知网络管理员携带手持故障检测模块通过读取节点上的故障信息存储模块中的信息对故障原因进行准确定位以达到快速维修该故障节点，并且当射频发射模块出现故障后节点上有警告指示灯进行示警。
[0027]所述故障诊断芯片周期性的检测节点上重要模块的状态信息，通过和预先设定的正常阈值相比较，将状态信息分为严重故障状态、警告状态和正常状态，对于严重故障状态和警告状态信息，结合实时时钟芯片信息存储至故障信息存储模块中，并通过射频发射模块将故障信息逐级上传至Sink节点。
[0028]下面结合附图作进一步说明:
[0029]图1为系统模块结构框图，反映了无线传感器网络节点各个模块之间的逻辑关系。该系统主要包括故障诊断芯片及故障诊断芯片Debug接口、传感器模块、故障信息存储模块、实时时钟模块、主电源供电模块、备用电源模块、主电源剩余电量检测模块、故障状态指示灯模块、射频故障指示灯模块、信号放大模块、射频发射模块及射频发射模块Debug接口、射频发射装置故障检测模块、手持故障检测模块、串口通信模块和管理端PC机。手持故障检测模块包含液晶显示模块和MCU。其中:
[0030]由传感器模块、信号放大模块、主电源供电模块和射频发射模块负责完成组网、感知环境信息和承担传统传感器的通信功能；由故障诊断芯片诊断无线传感器网络节点的故障状态，并将节点故障信息通过射频发射模块及射频发射装置故障检测模块对故障网络节点进行检测、发布故障消息和进行故障处理；由故障状态指示灯模块、射频故障指示灯模块实时显示故障诊断芯片和射频发射模块的工作状态，以达到当网络管理人员维修故障节点时能结合手持故障检测模块显示的故障信息以及故障状态指示灯模块显示的信息快速定位故障模块；同时故障诊断芯片将诊断出的节点中某个模块的故障信息连同实时时钟模块提供的时钟信息一起保存到故障信息存储模块中，并且将故障信息通过射频发射模块主机上传至Sink节点，当Sink节点收到来自网络节点的故障信息后经串口通信模块发送给管理端的PC机；主电源供电模块为整个系统供电，由主电源剩余电量检测模块周期性检测主电源剩余电量，当主电源电量不足时启用备用电源。通过手持故障检测模块由MCU和液晶显示模块组成，用于读取和显示故障信存储模块所记录的故障信息。故障诊断芯片Debug接口和射频发射模块Debug接口分别用于向故障诊断芯片和射频发射模块下载并调试程序。
[0031]图2是故障诊断芯片电路原理图即故障诊断芯片的外围电路，该模块主要由故障诊断芯片即MSP430芯片、低速晶振TXl和高速晶振TX2、电容CPU CT1-CT4、C13-C22构成。该部分是本发明的核心部分，主要负责运行故障检测程序和故障处理程序。电容C13-C22对周期性的采样各个模块的状态信息进行A/D转换的优化使转换精度提高。TXl是32.768kHz的低速晶振，TX2是8MHz的高速晶振，为故障诊断芯片提供外围时钟。CT1-CT4是晶振的接地电容，便于晶振稳定的起震。
[0032]图3为主电源供电模块电路原理图，该模块主要由LD0(low dropout regulator,低压差线性稳压器)即AP1117芯片、DC插座、电池插座、Bet-DC供电方式选择开关、主电源开关、二极管Dl和D5、电容C7-C9构成。所示无线传感器网络节点供电方式既可以是直流电源供电也可以是电池供电，提升了无线传感器节点的适用范围。首先通过Bet-DC供电方式选择开关，若选择直流电源供电(DC)，将5V的电源接在DC插座上，通过二极管Dl经滤波电解电容C7后的电源信号作为LDO的输入信号,稳压后LDO会输出稳定的3.3V电压信号，为无线传感器节点提供稳定电源，电容CS、C9是对稳压后的信号进行去纹波处理；若选择电池供电(Bet)，将两节AA电池放入电池盒并接入电池插座后可以为无线传感器节点提供3V的电压信号确保无线传感器节点正常工作。二极管D5的作用是平衡主电源模块和备用电源模块之间的电压差。
[0033]图4为备用电源模块和射频故障指示灯模块电路原理图。该模块主要由二极管D3和D4、发光二极管warning指示灯、电阻RlO和Rll、PNP三极管Q1、备用电池Battery构成。在备用电源电路图中通过D3和D4提供电压差，确保在主电源正常供电的情况下不使用备用电源，当主电源即将枯竭的情况下启用备用电源使节点继续工作，极大地延长节点的生命周期。射频故障指示灯模块主要应用于当射频发射模块故障后导致不能与外界通信的情况下，在该情况发生时，PNP型三极管Ql、电阻RlO-Rll构成的开关电路依靠备用电池(Battery)作为该开关电路的供电能源使发光二极管warning指示灯常亮,待网络维护人员维修该节点时向维修人员示意射频发射模块出现故障。以达到节省维修人员检查故障的时间，提高网络的维护效率和降低维护成本。
[0034]图5是故障信息存储模块电路原理图，该模块主要由故障信息存储模块即AT24C16芯片、退耦合电容C23和故障信息读取接口构成。主要用于存储故障信息，C23是退耦合电容对电源进行滤除文波的作用。故障信息存储芯片采用IIC的总线方式对数据进行存储，存储的故障信息包含:故障发生的时间、发生故障的模块和故障发生时该模块的状态信息。图中所示的故障信息读取接口 I号和2号引脚分别与故障信息存储模块5号和6号引脚相连接，用于和手持故障检测模块中的故障检测接口相连接以达到读取故障存储模块内的信息快速定位故障症结。
[0035]图6是实时时钟模块电路原理图即实时时钟芯片的外围电路，该模块主要由实时时钟芯模块DS1302、低速晶振TX3和退耦合电容C24构成。主要实现为故障信息提供准确的时钟信息的功能。该时钟信息将存入故障信息存储芯片中。该时钟芯片的I号引脚与电源和退耦合电容C24相连接，C24是退耦合电容对电源进行滤除文波为芯片提供稳定的电源。芯片的8号引脚与备用电源DVcc相连接。若主电源电量充足时由主电源为实时时钟模块供电，若主电源即将枯竭则由备用电源为实时时钟模块供电。该芯片的2、3引脚与TX332.768K的石英晶体相连接，作为芯片的时钟源。芯片的5-7号引脚与图2所示的故障诊断芯片的25-27号引脚相连接，便于故障诊断芯片对实时时钟芯片进行设置和读取信息。
[0036]图7为故障状态指示模块电路原理图，该模块主要由发光二级管D6-D9和限流电阻R12-R15构成。故障状态指示灯由不同颜色的LED灯组成，每一组LED灯与限流电阻相连接，限流电阻的另一端与图2所示的故障诊断芯片的38-41号引脚I/O相连接。当故障发生后故障诊断芯片以若干组不同颜色的LED灯的同时点亮或熄灭代表节点上不同的模块出现故障。
[0037]图8为射频发射模块电路原理图，该模块主要由射频发射芯片CC2530、发光二级管D10-D13、限流电阻R16-R19、电阻R3、R4和滤波电容ClO构成。射频频发射模块主要由CC2530芯片和天线组成。模块的3号引脚通过ClO和R3连接到CC2530Debug模块，由于CC2530Debug模块有复位按钮RSTn，当完成对CC2530的烧写后，按下复位按钮使CC2530复位。因为按下开关的过程会产生一定的高频分量，所以通过R3和ClO组成的低通滤波器对高频分量进行滤除，得到稳定的低频分量。高频发射模块通过3号引脚、15号和16号引脚、21号引脚、22号引脚、26号引脚、27号引脚分别与CC2530Debug的RSTn引脚、GND引脚、Pl_4引脚、Pl_5引脚、P2_l引脚、P2_2引脚相连接，实现CC2530Debug对CC2530的程序下载与调试。发光二极管D10-D13分别和限流电阻R16-R19相连接，主要实现显示该模块的工作状态和在网络中的作用。芯片的6号引脚和7号引脚分别与图2所示的故障诊断芯片的32号和33号引脚相连接，主要实现两芯片之间传递故障信息。
[0038]图9串口输出模块电路原理图，串口输出模块主要由芯片MAX3223、RS232、电容C1-C6、电阻Rl和选择器SWl构成，MAX3223是3V供电的具有自动关机、唤醒功能的通信接口，高数据率的能力，以及增强的静电放电(ESD)保护，MAX3223含有两个驱动器和两个接收器。MAX3223通过15号引脚RXDl与图8中射频发射模块的24号引脚相连，MAX3223的16和17号引脚与RS232的I和2号引脚相连，13号引脚与选择器SWl的2号引脚相连，而选择器SWl的输出端I号引脚与图8中射频发射模块的23号引脚相连,选择器SWl的3号引脚与图2故障诊断芯片MSP430的34号引脚相连接。实现了在管理端通过RS232接口读取故障诊断芯片MSP430和射频发射模块CC2530的信息。电容C1-C6实现滤波作用，使芯片工作在较理想的电压状态下。
[0039]图10为传感器模块和信号放大模块电路原理图，该模块主要由运算放大器芯片LT2051、电阻R6-R8、电容C12和传感器插座CN1、CN2构成。由于电阻R8与射频发射模块相串联，当射频发射模块工作状态出现异常时，会影响到R8两端的工作电压的变化。因此通过对电阻R8的检测可以实现对射频发射模块的检测。以R8采样的电压值作为LT2051的输入信号，将输入信号进行放大，在7号引脚输出，并且将输出值送入故障诊断芯片的AO引脚后进行A/D转换，将转换得到的数字信号与预先设定的阈值相比较，判断该模块是否出现故障。图中的CNl和CN2构成了传感器模块的接口，该接口同时兼容传输模拟信号的传感器和传输数字信号的传感器。CNl接口的2号和3号引脚分别与图2所示的故障诊断芯片的32号和33号引脚相连接，CN2接口的2号和3号引脚分别与图2所示的故障诊断芯片的60号和61号引脚相连接，主要完成故障诊断芯片对传感器模块的状态信息的采集，判断传感器模块是否出现故障。
[0040]图11为手持故障检测模块电路图，该模块主要由复位电路、时钟电路、故障信息显示电路、电源供电指示模块、翻页和选择电路、MCU即STC89C52RC芯片组成。电阻R2、微动开关SI和电容C3构成了复位电路；高速晶振XTL12M晶振和电容Cl、C2构成了时钟电路；变阻器Rl和液晶屏构成了故障信息显示电路；发光二极管Dl和电阻R3构成了电源供电指示模块；微动开关S2-S5构成了液晶屏翻页和选择电路；STC89C52RC构成了手持故障检测设备的MCU，用于处理读取和显示故障信息存储芯片中的故障信息。故障检测接口用于连接无线传感器网络节点上的故障信息存储芯片的数据接口。
[0041]图12为故障检测软件流程图，其无线传感器网络节点故障检测系统软件工作流程:对主电源故障检测，系统初始化后等待Timer A信号I响应对主电源故障检测程序的中断，即进行故障检测功能组件中主电源剩余电量检测模块利用A/D转换模块对主电源供电模块进行周期性的信号采样和A/D转换，若低于正常的阈值电压即不能正常的为节点各个模块提供稳定的电源，则被判定主电源模块出现故障。主电源剩余电量检测模块在判定主电源出现故障后会将故障信息上传至图2所示的故障诊断芯片，故障诊断芯片在主电源出现故障后，会触发故障处理功能组件开始工作。首先，主电源剩余电量检测模块在判定主电源出现故障后，会触发备用电源替代主电源为整个节点提供稳定的能源，最大的延长该节点的使用寿命，进而延长整个无线传感器网络的使用寿命。其次，故障诊断芯片会将主电源故障信息传递给射频发射模块，故障信息会通过射频发射模块发送至Sink节点直至上传至管理端软件，通知网络管理人员。最后，故障诊断芯片会将主电源故障信息加上实时时钟芯片此时此刻的时间信息一起存入故障信息存储模块中。
[0042]传感器模块故障检测，系统初始化后等待Timer A信号2响应对传感器模块故障检测程序的中断，即进行在故障检测功能组件中图2所示的故障诊断芯片会对传感器模块进行周期性的信号采集，由于传感器信号分为数字信号和模拟信号因此对这两种信号分别采用不同的处理方法。当传感器输出是数字信号时，故障诊断芯片会将该信号与预先设定的阈值相比较，若在正常阈值范围内则认为传感器节点正常工作没有出现故障，反之则发生故障；当传感器输出的是模拟信号时，故障诊断芯片先将模拟信号进行A/D转换成数字信号后与预先设定的阈值相比较若在正常的阈值范围内则表明传感器工作正常，反之则发生故障。传感器模块发生故障后会触发故障处理功能组件开始工作，故障诊断芯片一方面将故障信息发送给射频发射模块，然后故障信息会通过射频发射模块发送至Sink节点直至上传至管理端软件，通知网络管理人员。另一方面将故障信息和实时时钟芯片此时此刻的时间信息一起存入故障信息存储模块中。
[0043]射频发射模块故障检测，系统初始化后等待Timer A信号3响应对射频发射模块故障检测程序的中断，即进行在故障检测功能组件中射频发射装置故障信息检测模块通过检测与发射模块的电压变化，经过信号放大模块将电压信号进行放大后上传至图2所示的故障诊断芯片，若电压变化在正常的范围内波动则认为高频发射模块正常工作，对于射频发射模块的检测有两个极端的故障状态，一种是射频发射模块的电压无穷大接近电源电压；另一种是其电压接近于零电势。对于这两种故障状态采取不同的处理机制，针对第一种情况故障诊断芯片检测到射频发射模块电压接近于电源电压后，将故障信息和实时时钟芯片此时此刻的时间信息一起存入故障信息存储模块中。若出现第二种情况会导致节点所有的模块均不能正常工作，但是当射频发射模块出现该故障时会触发射频发射模块故障指示灯亮起已达到示警的目的，当维修人员到达现场后就能很快的定位该问题的原因。
[0044]实施例
[0045]参看图13，布置了一个树状无线传感器网络，该网络可以应用于很多场景，如楼内的火灾预警等。为了提高网络的可靠性采用本发明的低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统。Sink汇聚节点是网络的发起者和网络的核心，它拥有稳定和充足的能源。Sink汇聚节点在组件网络的同时通过图9所示的串口通信模块与上位机PC终端线连接。PC终端运行网络管理软件能够显示网络的拓扑结构，当发现故障节点后在网络拓扑图上显示故障节点达到向网络管理员示警的目的。网络中包含分控中心#l-#n个无线传感器网络节点、所述每个分控中心由一组簇首节点组成，每个所述簇首节点包含普通节点#l_#n。其中分控中心无线传感器网络节点和簇首节点的功能组件和管理局域的网络；普通节点仅仅具有感知外界环境、组网、传递信息和指令相应功能。上述所述不同功能的网络节点均采用本发明的无线传感器网络节点实现，由于烧写的程序不同，导致在网络中的具体作用与功能不同，图8所示的射频发射模块电路的发光二极管D10-D13的发光状态表示该节点在网络中的作用。
[0046]参看图14，故障自检测、处理、自修复机制流程图。
[0047]在该图中反映了图2所示的故障诊断芯片在故障检测阶段周期性的对无线传感器网络节点各个模块进行自检测，若各个模块均正常工作，则故障诊断芯片的工作状态将停留在故障检测阶段，当某个模块出现故障后故障诊断芯片将进入故障诊断阶段，在该阶段首先将故障信息进行分类，若属于严重故障信息，即:该模块已经出现故障不能正常工作；若属于警告信息，即:该模块的工作状态已经进入危险状态，但该模块勉强可以维持工作，若不及时维修则该模块会出现严重故障。故障诊断芯片完成对故障信息的分类后则进入故障处理阶段，在该阶段故障诊断芯片将模块的故障信息存储到故障信息存储模块内；通过射频发射模块将故障信息上传至Sink节点；对于部分模块如主电源供电模块故障可以进行自修复；通过手持故障检测模块将故障信息进行显示。
[0048]每一个无线传感器网络节点在构建网络的时候均更新了本节点的路由表，记录了与本节点直接相连接的父节点和子节点。图3所示主电源供电模块、图8所示射频发射模块、图10所示的传感器模块和信号放大模块协同工作可以完成无线传感器网络节点的自组网、感知外界信息和上传环境信息与指令以及相应功能。与此同时，为保证无线传感器网络节点的可靠性，每个无线传感器网络节点实现自检测的功能，来察觉自身节点的故障，并通过故障处理机制将已经发生的故障上传至网络管理室以及对故障进行自我修复，极大增强网络的可靠性。图2所示故障诊断芯片会周期性的采样无线传感器网络节点内重要模块的重要工作状态信息，即电源供电模块、传感器模块和射频发射模块。将采集的各个模块的状态信息进行A/D转换与故障检测程序设定的安全阈值相比较，若低于该阈值则被判定该模块出现故障，触发故障处理机制。首先将故障信息和实时时钟信息存入故障信息存储模块中；然后将如图7所示的故障状态指示模块中代表的该故障模块的指示灯电量，便于维修人员在维修时直观的定位故障模块；最后将该故障信息以设定的帧格式逐级向父节点直至上传到Sink节点。一方面，Sink节点会通过图9所示的串口通信模块将故障信息传递至PC终端，并在PC终端运行的网络拓扑结构上将该故障节点以指定的颜色或标记进行注释，进而达到向管理人员示警的目的。另一方面，Sink节点没有能源的限制可以向全网络广播该故障节点的地址并令网络中的其他节点更新路由表，以达到其他网络节点不在向其传送信息以节约其他网络节点的能耗，直到管理人员将故障节点修复手动通过故障Sink节点发送指令使全网更新路由表再次加入该节点。当管理人员看到PC终端的警告信息后，可以携带如图11所示的手持故障检测装置，该系统通过液晶屏显示网络的拓扑结构知道故障节点的大致方位，通过RSSI (Received Signal Strength Indication,接收的信号强度指示)精确定位该故障节点的具体位置，找到故障节点后管理人员利用如图11中所示的故障检测接口连接至图5所示的故障信息读取接口，并读取所记录的故障信息达到快速定位故障症结所在。本发明的无线传感器网络节点是以模块化构成的，因此可以对故障模块直接更换，极大地提高了网络维修的效率和降低了维修成本。
[0049]若采集的模块状态信息经A/D转换后临近预先设定的阈值则故障诊断芯片判定该模块即将出现故障，此时故障诊断芯片会将警告信息逐级上传至Sink节点以达到向网络管理人员示警的目的。之后网络管理人员可以使用手持故障检测设备确定节点的地理位置和警告信息快捷的将该模块修复。以达到在该模块发生故障前向管理人员示警，并在故障发生前修复该模块的目的。
[0050]无线传感器网络节点中的除射频发射模块以外其余指定的重要模块均可以使用上述方法进行自检测和故障处理机制直至修复故障，但是当射频发射模块发生故障后，该故障节点将无法与外界通信。因此网络管理员发现该模块故障，只能通过采取Sink节点主动轮询的方法。当该故障发生后，如图2所示的故障诊断芯片通过自检测的方式发现该模块故障之后将故障信息和实时时钟信息存入故障信息存储模块内，待网络管理人员携带如图11所示的手持故障检测模块读取该故障信息定位故障症结，及时更换故障模块。若当该模块出现短路故障后会导致节点所有模块均不能正常工作，故障信息也无法被记录。为了应对该故障的发生，本发明设计了如图4所示的备用电源与射频故障指示模块，该模块在主电源供电模块不能正常工作的情况下利用备用电源作为能源，以PNP型三极管作为开关电路使故障状态指示灯工作。当网络管理人员维修该节点时，则不再需要手持设备定位故障信息就可以锁定射频发射模块发生故障，便于及时更换该模块，使该故障节点尽快修复重新加入网络。
[0051]本发明具有对部分重要模块发生故障后对其进行修复达到虽然发生故障但是仍然可以继续工作的目的。例如，如图2所示的故障诊断芯片在如图3所示的主电源供电模块出现故障后，会使图4所示的备用电源替代主电源继续工作，同时故障诊断芯片将故障信息和实时时钟信息存入图5所示的故障信息存储模块内；并且将故障信息主机上传至Sink节点，达到向网络管理员示警使相关人员携带图11所示的手持故障检测模块前去维修该故障节点。当维修人员发现主电源模块故障后对主电源模块进行更换的期间内该节点依然可以依靠备用电源继续工作，直到主电源模块被修复后备用电源将停止工作。对主电源供电模块进行维修的时候故障节点依然可以继续工作。达到了在故障出现后可将损失降低至最小。
[0052]综上所述，采用本发明的无线传感器网络节点通过自检测发现故障，以及用故障处理机制修复故障。极大的提高了网络的可靠性和网络维护效率；降低网络的建设成本与维护成本。
【权利要求】
1.低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，它包括主电源供电模块、备用电源模块、传感器模块、信号放大模块、射频发射模块、故障状态指示模块、射频发射装置故障检测模块、射频故障指示灯模块、实时时钟模块、故障信息存储模块、故障诊断芯片以及手持故障检测模块；其特征在于:该系统以故障诊断芯片为核心，接收来自传感器模块、电源供电模块以及射频发射模块中的射频发射装置故障信息检测模块，所进行的周期性采集网络节点的状态信息，由故障诊断模块对上述各个模块上传的信息进行分析，并根据诊断结果按照故障状态、危险警告或正常状态转入相应的处理机制；由故障诊断模块将诊断出的除射频发射模块以外的所有模块的故障信息发送给射频发射模块中的MCU，已设定的帧格式将故障信息进行打包逐级上传至Sink节点以达到通知网络管理人员及时修复和排除故障的目的；收到故障信息的Sink节点会向全网络的无线传感器网络节点广播该故障信息，其他正常的网络节点在收到故障节点的故障信息后会更新路由表，以达到孤立故障节点使信息流不在经过该故障节点的目的；直到修复故障节点后由网络的Sink节点向全网络广播更新路由表的命令，使网络中各个节点更新路由表后重新连入被修复的故障节点；对危险警告信息，由故障诊断模块将警告信息从故障诊断芯片传递至射频发射模块内的MCU,之后射频发射模块采用已设定的帧格式对警告信息进行打包封装并逐级上传至Sink节点通知网络管理员，以达到在无线传感器网络节点切实的发生故障前将潜在的故障排除，使网络节点正常的运行提高网络的鲁棒性。
2.根据权利要求1所述的低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，其特征在于:该系统设有一独立于无线传感器网络节点的手持故障检测模块，该模块接收用于显示无线传感器网络节点的拓扑结构，便于定位故障节点的地理位置，以及通过读取和显示故障信息存储模块中的该节点故障信息，快速定位故障模块和找到故障原因。
3.根据权利要求1所述的低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，其特征在于:所述主电源供电模块，通过主电源剩余电量检测模块周期性检测主电源所剩电量，以控制备用电源模块的启用与否。
4.根据权利要求1所述的低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，其特征在于:在所述Sink节点上，针对射频发射模块设有定期主动轮询网络中节点的机制，若连续轮询两次某节点无应答则认为该节点的射频发射模块出现故障，并且通知网络管理员携带手持故障检测模块通过读取节点上的故障信息存储模块中的信息对故障原因进行准确定位以达到快速维修该故障节点，并且当射频发射模块出现故障后节点上有警告指示灯进行示警。
5.根据权利要求1所述的低能耗高效的无线传感器网络节点故障自检测系统，其特征在于:所述故障诊断芯片还周期性的自检测节点上重要模块的状态信息，通过和预先设定的正常阈值相比较，将状态信息分为严重故障状态、警告状态和正常状态，对于严重故障状态和警告状态信息，结合实时时钟芯片信息存储至故障信息存储模块中，并通过射频发射模块将故障信息逐级上传至Sink节点。
【文档编号】H04W84/18GK103634832SQ201210308324
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月27日 优先权日:2012年8月27日
【发明者】刘天华, 衣思超, 王晓薇, 李尚鹏 申请人:沈阳师范大学