CN104935473A - 一种无线传感器网络的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络的检测方法和装置，其中，该方法包括：传感器节点根据设定的心跳周期向SINK节点发送心跳信息；判断SINK节点是否在规定时间内接收到心跳信息；如果SINK节点未接收到心跳信息，则向传感器节点发送询问信息；判断SINK节点是否接收到传感器节点对询问信息的应答信息；如果SINK节点未接收到应答信息，则向主控节点上报传感器节点故障。本发明的无线传感器网络的检测方法和装置，SINK节点与传感器节点之间的心跳信息通信采取单向通信方式，仅从传感器节点向SINK节点发送心跳包，SINK节点只接收来自传感器的心跳包，而不向传感器发送心跳包，降低了传感器的功耗，提高了检测效率。

Description

一种无线传感器网络的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及电力无线传感网技术领域，具体地，涉及一种无线传感器网络的检测方法和装置。

背景技术

微传感概念及节点的无线连接使无线传感器网络在电力测控领域具有很高的理论和现实意义，无线传感器网络以其低成本、低功耗等特点，在电力领域有着广泛的应用。

心跳包是网络数据流中一种自定义协议，固定信息、循环发送的数据包，在电力无线传感器网络中作为在线状态检测、状态汇报方式、网络同步或其他定时机制的应用而普遍存在。心跳协议作为一种在传感器网络系统用来检测节点状态的关键技术，目前主要分类三类：简单心跳协议、经典加速心跳协议及基于选举算法的心跳协议。

由于变电站设备通常不能停电以检修无线传感器等二次设备，变电站高压带电设备的无线传感器节点不具备随意更换电池的条件，所以变电站传感器网络要求传感器节点具备低功耗长时间工作能力。此外，由于电力设备长时间保持在一定的工作状态下，设备参数在一定时间内基本不会发生变化，因此传感器通常休眠时间远大于工作时间(10000倍以上)。同时，电力无线传感器网络中，包含多种类型的传感器节点,他们对工作周期的要求各不相同。

但是在现有技术中，在使用心跳检测方法对无线传感器网络进行检测的过程中存在以下问题：无法适应传感器低功耗和大占空比工作时间的特性，检测效率低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的对无线传感器网络进行检测功耗过大的问题，本发明提出了一种无线传感器网络的检测方法和装置。

本发明的无线传感器网络的检测方法包括：

传感器节点根据设定的心跳周期向SINK节点发送心跳信息；

判断SINK节点是否在规定时间内接收到心跳信息；

如果SINK节点未接收到心跳信息，则向传感器节点发送询问信息；

判断SINK节点是否接收到传感器节点对询问信息的应答信息；

如果SINK节点未接收到应答信息，则向主控节点上报传感器节点故障。

本发明的无线传感器网络的检测方法，SINK节点与传感器节点之间的心跳信息通信采取单向通信方式，仅从传感器节点向SINK节点发送心跳包，SINK节点只接收来自传感器的心跳包，而不向传感器发送心跳包；传感器节点根据自身生命周期、工作时间、失效概率与失效模型预测，动态调整心跳周期。降低了传感器的功耗，提高了对无线传感器网络的检测效率。

本发明的无线传感器网络的检测装置包括：

心跳发送模块，用于传感器节点根据设定的心跳周期向SINK节点发送心跳信息；

心跳判断模块，用于判断SINK节点是否在规定时间内接收到心跳信息；

心跳询问模块，用于如果SINK节点未接收到心跳信息，则向传感器节点发送询问信息；

应答判断模块，用于判断SINK节点是否接收到传感器节点对询问信息的应答信息；

故障上报模块，用于如果SINK节点未接收到应答信息，则向主控节点上报传感器节点故障。

本发明的无线传感器网络的检测装置，SINK节点与传感器节点之间的心跳信息通信采取单向通信方式，仅从传感器节点向SINK节点发送心跳包，SINK节点只接收来自传感器的心跳包，而不向传感器发送心跳包；传感器节点根据自身生命周期、工作时间、失效概率与失效模型预测，动态调整心跳周期。降低了传感器的功耗，提高了对无线传感器网络的检测效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的无线传感器网络的检测方法的流程图；

图2为本发明的传感器工作时间与心跳周期的关系图；

图3为本发明实施例的心跳周期调整示意图；

图4为本发明的无线传感器网络的检测装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为了解决现有技术中存在的对无线传感器网络进行检测功耗过大的问题，本发明提出了一种无线传感器网络的检测方法和装置。

微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

电力无线传感器网络采用星型组网方式，SINK节点作为簇头采用有源供电方式，其作用就是收集其通信范围内的传感器节点采集的信息，各传感器节点的作用就是负责采集信息和向SINK节点发送采集到的信息。

对于传感器节点，为了节约电能，相对于工作时间，传感器长时间处于休眠状态，心跳周期相应地设置得较长，但只要传感器节点处于正常工作状态，就只需要通过心跳信息定时向SINK节点汇报自身当前状态—即传感器正常在线工作或休眠。如果传感器节点发生故障，则无法向SINK节点正常发送心跳信息，SINK节点就能通过心跳信息判断传感器节点故障。传感器节点不用关心SINK节点的故障，SINK节点的故障是通过SINK节点与主控节点之间的心跳信息来进行检测的。

对于SINK节点，只需要接收来自传感器节点的心跳信息，而不需要向传感器节点发送心跳信息，这样可以节省传感器节点监听、侦测和接收心跳信息的能量。如果传感器节点出现故障，SINK节点不能在规定时间内收到来自传感器节点的心跳信息，则SINK节点判断传感器节点故障并向主控节点汇报。因此，SINK节点和传感器节点之间的心跳通信可以优化为单向通信；传感器节点无需接收来自SINK节点的心跳信息，节省了传感器节点的能量。

如图1所示，本发明的无线传感器网络的检测方法包括：

步骤S101：传感器节点根据设定的心跳周期向SINK节点发送心跳信息；

步骤S102：判断SINK节点是否接收到传感器节点发送的心跳信息；

步骤S103：如果SINK节点未接收到心跳信息，则向传感器节点发送询问信息；

步骤S104：SINK节点向传感器节点发送完询问信息后，判断是否接收到传感器节点的应答信息；

步骤S105：如果SINK节点未接收到应答信息，则认为传感器节点发生故障，并向主控节点进行上报，记录传感器节点的故障时间；

如果SINK节点接收到传感器节点对询问信息的应答信息，则说明传感器节点无故障；

步骤S106：根据韦伯分布函数，基于传感器的特征寿命和故障时间，建立传感器失效预测模型，根据传感器失效预测模型的预测结果，动态调整心跳周期；

传感器失效预测模型主要包括：

根据以下公式计算传感器的失效概率：

根据以下公式计算传感器的可靠度：

根据以下公式计算传感器失效的概率密度：

其中β为传感器的特征寿命，θ为传感器故障时间的形状分布。

本发明的无线传感器网络的检测方法，SINK节点与传感器节点之间的心跳信息通信采取单向通信方式，仅从传感器节点向SINK节点发送心跳包，SINK节点只接收来自传感器的心跳包，而不向传感器发送心跳包；传感器节点根据自身生命周期、工作时间、失效概率与失效模型预测，动态调整心跳周期。降低了传感器的功耗，提高了对无线传感器网络的检测效率。

对于传感器本身的心跳周期设置，由于传感器节点在绝大部分工作时间中处于正常工作的状态，可以适当增大心跳周期。而缩小心跳周期的目的，是为了更快速地发现传感器节点失效。传感器失效主要有以下几个方面：外部因素(如雷击、地震、人为破坏等)造成意外失效，传感器节点刚部署到位开始工作的初始阶段，传感器内部元器件老化，以及电源耗尽的时候。此外，在进行高密度数据采集实验或失效模型预测失效的时候，可以适当缩小心跳周期，保证快速检测到传感器节点故障。

因此，可以根据传感器的生命周期、工作时间和失效发生概率，动态设置心跳周期，如图2所示为传感器在不同工作阶段的心跳周期。如图3所示，传感器的心跳周期调整具体说明如下：

(1)在传感器初始安装之后的一段工作时间内，适当缩小心跳周期；

(2)在传感器进入正常工作时间段内，适当增大心跳周期；

(3)在出现恶劣天气(如雷击、冰雹、地震等)、需要进行高密度测试、失效模型预测失效等时间段内，适当缩小心跳周期；

(4)在传感器电能即将耗尽或元器件因为老化即将达到使用寿命的工作时间段内，适当缩小心跳周期。

如图4所示，本发明的无线传感器网络的检测装置包括：

心跳发送模块10，用于传感器节点根据设定的心跳周期向SINK节点发送心跳信息；

心跳判断模块20，用于判断SINK节点是否在规定时间内接收到心跳信息；

心跳询问模块30，用于如果SINK节点未接收到心跳信息，则向传感器节点发送询问信息；

应答判断模块，用于判断SINK节点是否接收到传感器节点对询问信息的应答信息；

故障上报模块40，用于如果SINK节点未接收到应答信息，则向主控节点上报传感器节点故障；

故障排除模块50，用于如果SINK节点接收到传感器节点对询问信息的应答信息，则传感器节点无故障；

预测调整模块60，用于根据韦伯分布函数建立传感器失效预测模型，根据传感器失效预测模型的预测结果，动态调整心跳周期。

其中，预测调整模块具体包括：

第一计算模块601，用于根据以下公式计算传感器的失效概率：

$\mathrm{\λ}\left(t\right)=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\θ}}{\left(\frac{t}{\mathrm{\θ}}\right)}^{\mathrm{\β}-1};$

第二计算模块602，用于根据以下公式计算传感器的可靠度：

$R\left(t\right)=\exp [-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\θ}}{\left(\frac{t^{\′}}{\mathrm{\θ}}\right)}^{\mathrm{\β}-1}{\mathrm{dt}}^{\′}];$

第三计算模块603，用于根据以下公式计算传感器失效的概率密度：

$f\left(t\right)=-\frac{\mathrm{dR}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\θ}}{\left(\frac{t^{\′}}{\mathrm{\θ}}\right)}^{\mathrm{\β}-1}{e}^{-{(t/\mathrm{\θ})}^{\mathrm{\β}}},$

其中β为传感器的特征寿命，θ为传感器故障时间的形状分布。

本发明的无线传感器网络的检测装置，SINK节点与传感器节点之间的心跳信息通信采取单向通信方式，仅从传感器节点向SINK节点发送心跳包，SINK节点只接收来自传感器的心跳包，而不向传感器发送心跳包；传感器节点根据自身生命周期、工作时间、失效概率与失效模型预测，动态调整心跳周期。降低了传感器的功耗，提高了对无线传感器网络的检测效率。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图4为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络的检测方法，其特征在于，包括：

传感器节点根据设定的心跳周期向SINK节点发送心跳信息；

判断所述SINK节点是否在规定时间内接收到所述心跳信息；

如果所述SINK节点未接收到所述心跳信息，则向所述传感器节点发送询问信息；

判断所述SINK节点是否接收到所述传感器节点对所述询问信息的应答信息；

如果所述SINK节点未接收到所述应答信息，则向主控节点上报所述传感器节点故障。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的检测方法，其特征在于，还包括：

如果所述SINK节点接收到所述传感器节点对所述询问信息的应答信息，则所述传感器节点无故障。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的检测方法，其特征在于，还包括：

根据韦伯分布函数建立传感器失效预测模型，根据所述传感器失效预测模型的预测结果，动态调整所述心跳周期。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络的检测方法，其特征在于，所述根据韦伯分布函数建立传感器失效预测模型具体包括：

根据以下公式计算传感器的失效概率：

根据以下公式计算传感器的可靠度：

根据以下公式计算传感器失效的概率密度：

其中β为传感器的特征寿命，θ为传感器故障时间的形状分布。

5.一种无线传感器网络的检测装置，其特征在于，包括：

心跳发送模块，用于传感器节点根据设定的心跳周期向SINK节点发送心跳信息；

心跳判断模块，用于判断所述SINK节点是否在规定时间内接收到所述心跳信息；

心跳询问模块，用于如果所述SINK节点未接收到所述心跳信息，则向所述传感器节点发送询问信息；

应答判断模块，用于判断所述SINK节点是否接收到所述传感器节点对所述询问信息的应答信息；

故障上报模块，用于如果所述SINK节点未接收到所述应答信息，则向主控节点上报所述传感器节点故障。

6.根据权利要求5所述的无线传感器网络的检测装置，其特征在于，还包括：

故障排除模块，用于如果所述SINK节点接收到所述传感器节点对所述询问信息的应答信息，则所述传感器节点无故障。

7.根据权利要求5所述的无线传感器网络的检测装置，其特征在于，还包括：

预测调整模块，用于根据韦伯分布函数建立传感器失效预测模型，根据所述传感器失效预测模型的预测结果，动态调整所述心跳周期。

8.根据权利要求7所述的无线传感器网络的检测装置，其特征在于，所述预测调整模块具体包括：

第一计算模块，用于根据以下公式计算传感器的失效概率：

第二计算模块，用于根据以下公式计算传感器的可靠度： $R\left(t\right)=\exp [-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\θ}}{\left(\frac{t^{\′}}{\mathrm{\θ}}\right)}^{\mathrm{\β}-1}{\mathrm{dt}}^{\′}];$

第三计算模块，用于根据以下公式计算传感器失效的概率密度： $f\left(t\right)=-\frac{\mathrm{dR}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\β}}{\mathrm{\θ}}{\left(\frac{t^{\′}}{\mathrm{\θ}}\right)}^{\mathrm{\β}-1}{e}^{-{(t/\mathrm{\θ})}^{\mathrm{\β}}},$

其中β为传感器的特征寿命，θ为传感器故障时间的形状分布。