CN105897897A - 一种基于无线传感器网络故障监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络故障监测装置，其包括传感器网络节点和监测中心服务器，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息；所述传感器网络节点包括：采用椭圆定位法进行定位的传感器网络定位模块、用于对传感器的费用和能量进行约束的传感器约束模块、采用色素增感型光电池供能的自供电模块和数据修正模块。本发明使用寿命长，监测精度高，加快了传感器网络节点的定位速度，且对传感器的费用和能量进行约束，最大限度的节省了监测成本。

Description

一种基于无线传感器网络故障监测装置

技术领域

本发明涉及故障监测应用领域，具体涉及一种基于无线传感器网络故障监测装置。

背景技术

在安全监测中，传感器往往分布于电力系统中的关键点或薄弱点。这些测点布局较分散，而且由于被监测对象的类型不同往往位于不同的位置。随着监测时间推移以及感测数据量的增长，在传感器的管理、感测数据的组织上存在较大的困难，而对于传感器网络节点所采集到的数据必须结合其在测量坐标系内的位置信息才有意义。

此外，监测所使用的传感器工作能耗大且容易受到温度等环境的影响，导致传感器所测得的数据准确度降低，并进一步影响了监测的精度和成本。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可以快速定位传感器网络节点、同时对传感器的费用和能量进行约束、精确度较高的基于无线传感器网络故障监测装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种基于无线传感器网络故障监测装置，包括传感器网络节点、局域网、监测中心服务器和短信报警模块，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征是，所述传感器网络节点包括：

(1)传感器网络定位模块，用于获取传感器网络节点自身位置信息，其包括依次连接的任务驱动子模块、定位子模块和信号处理子模块，所述任务驱动子模块通过局域网与监测中心服务器连接，任务驱动子模块驱动定位子模块获取特定传感器网络节点的自身位置信息，所述信号处理子模块读取所述特定传感器网络节点的自身位置信息后将自身位置信息送至所述监测中心服务器；所述定位子模块采用椭圆定位法进行定位，定位时设置传感器网络节点的坐标为(x,y)，参考节点的坐标为(x_n,y_n)，n＝A,B,C,D，以(x_A,y_A)作为第一参考节点的坐标，以(x_m,y_m)作为第二参考节点的坐标，定位方程为：

$\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2}+\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}=d_{Am}$

其中，m＝B,C,D，d_Am为传感器网络节点到第一参考节点、第二参考节点的距离和，求解方程得到传感器的位置；

(2)传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，将传感器网络表示为无向带权连接图W＝(N,L)，N表示网络节点数，L表示双向链路集，约束函数为：

$f=\frac{1}{\[{\mathrm{\Σ}}_{l\∈L}c\left(l\right)+{\mathrm{\Σ}}_{n\∈N}c\left(n\right)\]\[{\mathrm{\Σ}}_{l\∈L}p\left(l\right)+{\mathrm{\Σ}}_{n\∈N}p\left(n\right)\]}({\mathrm{Af}}_b+{\mathrm{Bf}}_d+{\mathrm{Cf}}_{dj}+{\mathrm{Df}}_{pl})$

其中，f_b、f_d、f_dj、f_pl分别为带宽、延时、延时抖动、丢包率惩罚函数，A、B、C、D分别为f_b、f_d、f_dj、f_pl的加权系数_，[∑_l∈Lc(l)+∑_n∈Nc(n)]为费用约束_，[∑_l∈Lp(l)+∑_n∈Np(n)]为能量约束；

当传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件时，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，其他情况f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆在(0，1)范围内，费用约束和能量约束应当在满足带宽、延时、延时抖动及丢包率约束的条件下取最小值；

(3)自供电模块，用于向传感器供能，其包括可在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池；

进一步地，所述基于无线传感器网络故障监测装置还包括数据修正模块和与信号处理子模块连接的电源检测模块；

所述数据修正模块用于对传感器采集的数据进行校正，校正后的数据送往监测中心服务器，设置校正因子其中T₀为当地平均温度，T为传感器采集数据时的实时温度，m为根据传感器类型选择的修正系数，设置m的取值在(0，0.05)范围内，则

T≥T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1-{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

T＜T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1+{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

其中，Y为由传感器采集的一组数据，Y_x为校正后数据；

所述信号处理子模块读取电源检测模块检测的传感器网络节点的电源信息，进而将传感器网络节点的电源信息发送至所述监测中心服务器。

进一步地，在采集数据前，采用TPSN算法来实现无线传感器网络的时钟同步，具体为在待同步节点处的本地时钟加上时钟偏差,完成节点的时钟同步。

本发明的有益效果为：

1、对传感器网络节点进行定位是准确监测的前提，设置采用椭圆定位法的传感器网络定位模块，简化了定位计算，加快了传感器网络节点的定位速度，迅速建立起对故障的监测体系；

2、通过设定传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，能够在对故障进行有效监测的前提下最大限度的节省监测成本；

3、一般传感器节点使用一段时间后，自身携带的电源耗尽而失效，设置在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池，延长了故障监测装置的使用寿命；

4、设置用于对传感器采集的数据进行校正的数据修正模块，提高了基于无线传感器网络故障监测装置的监测精度。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明各模块间的连接示意图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参见图1，本实施例一种基于无线传感器网络故障监测装置，包括传感器网络节点、局域网、监测中心服务器和短信报警模块，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征是，所述传感器网络节点包括：

(1)传感器网络定位模块，用于获取传感器网络节点自身位置信息，其包括依次连接的任务驱动子模块、定位子模块和信号处理子模块，所述任务驱动子模块通过局域网与监测中心服务器连接，任务驱动子模块驱动定位子模块获取特定传感器网络节点的自身位置信息，所述信号处理子模块读取所述特定传感器网络节点的自身位置信息后将自身位置信息送至所述监测中心服务器；所述定位子模块采用椭圆定位法进行定位，定位时设置传感器网络节点的坐标为(x,y)，参考节点的坐标为(x_n,y_n)，n＝A,B,C,D，以(x_A,y_A)作为第一参考节点的坐标，以(x_m,y_m)作为第二参考节点的坐标，定位方程为：

$\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2}+\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}=d_{Am}$

其中，m＝B,C,D，d_Am为传感器网络节点到第一参考节点、第二参考节点的距离和，求解方程得到传感器的位置；

(2)传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，将传感器网络表示为无向带权连接图W＝(N,L)，N表示网络节点数，L表示双向链路集，约束函数为：

$f=\frac{1}{\[{\mathrm{\Σ}}_{l\∈L}c\left(l\right)+{\mathrm{\Σ}}_{n\∈N}c\left(n\right)\]\[{\mathrm{\Σ}}_{l\∈L}p\left(l\right)+{\mathrm{\Σ}}_{n\∈N}p\left(n\right)\]}({\mathrm{Af}}_b+{\mathrm{Bf}}_d+{\mathrm{Cf}}_{dj}+{\mathrm{Df}}_{pl})$

其中，f_b、f_d、f_dj、f_pl分别为带宽、延时、延时抖动、丢包率惩罚函数，A、B、C、D分别为f_b、f_d、f_dj、f_pl的加权系数_，[∑_l∈Lc(l)+∑_n∈Nc(n)]为费用约束_，[∑_l∈Lp(l)+∑_n∈Np(n)]为能量约束_；

当传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件时，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，其他情况f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆在(0，1)范围内，费用约束和能量约束应当在满足带宽、延时、延时抖动及丢包率约束的条件下取最小值；

(3)自供电模块，用于向传感器供能，其包括可在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池；

进一步地，所述基于无线传感器网络故障监测装置还包括数据修正模块和与信号处理子模块连接的电源检测模块；

所述数据修正模块用于对传感器采集的数据进行校正，校正后的数据送往监测中心服务器，设置校正因子其中T₀为当地平均温度，T为传感器采集数据时的实时温度，m为根据传感器类型选择的修正系数，设置m的取值在(0，0.05)范围内，则

T≥T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1-{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

T＜T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1+{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

其中，Y为由传感器采集的一组数据，Y_x为校正后数据；

所述信号处理子模块读取电源检测模块检测的传感器网络节点的电源信息，进而将传感器网络节点的电源信息发送至所述监测中心服务器。

进一步地，在采集数据前，采用TPSN算法来实现无线传感器网络的时钟同步，具体为在待同步节点处的本地时钟加上时钟偏差,完成节点的时钟同步。

本实施例加快了传感器网络节点的定位速度，设置在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池延长了监测装置的使用寿命；传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，监测成本相对降低了10％；根据传感器类型选择的修正系数m取值为0.01，监测精度相对提高了2％。

实施例2

参见图1，本实施例一种基于无线传感器网络故障监测装置，包括传感器网络节点、局域网、监测中心服务器和短信报警模块，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征是，所述传感器网络节点包括：

(1)传感器网络定位模块，用于获取传感器网络节点自身位置信息，其包括依次连接的任务驱动子模块、定位子模块和信号处理子模块，所述任务驱动子模块通过局域网与监测中心服务器连接，任务驱动子模块驱动定位子模块获取特定传感器网络节点的自身位置信息，所述信号处理子模块读取所述特定传感器网络节点的自身位置信息后将自身位置信息送至所述监测中心服务器；所述定位子模块采用椭圆定位法进行定位，定位时设置传感器网络节点的坐标为(x,y)，参考节点的坐标为(x_n,y_n)，n＝A,B,C,D，以(x_A,y_A)作为第一参考节点的坐标，以(x_m,y_m)作为第二参考节点的坐标，定位方程为：

$\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2}+\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}=d_{Am}$

其中，m＝B,C,D，d_Am为传感器网络节点到第一参考节点、第二参考节点的距离和，求解方程得到传感器的位置；

(2)传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，将传感器网络表示为无向带权连接图W＝(N,L)，N表示网络节点数，L表示双向链路集，约束函数为：

$f=\frac{1}{\[{\Σ}_{l\∈L}c\left(l\right)+{\Σ}_{l\∈N}c\left(n\right)\]\[{\Σ}_{l\∈L}p\left(l\right)+{\Σ}_{l\∈N}p\left(n\right)\]}({\mathrm{Af}}_b+{\mathrm{Bf}}_d+{\mathrm{Cf}}_{dj}+{\mathrm{Df}}_{pl})$

其中，f_b、f_d、f_dj、f_pl分别为带宽、延时、延时抖动、丢包率惩罚函数，A、B、C、D分别为f_b、f_d、f_dj、f_pl的加权系数_，[∑_l∈Lc(l)+∑_n∈Nc(n)]为费用约束_，[∑_l∈Lp(l)+∑_n∈Np(n)]为能量约束_；

当传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件时，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，其他情况f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆在(0，1)范围内，费用约束和能量约束应当在满足带宽、延时、延时抖动及丢包率约束的条件下取最小值；

(3)自供电模块，用于向传感器供能，其包括可在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池；

进一步地，所述基于无线传感器网络故障监测装置还包括数据修正模块和与信号处理子模块连接的电源检测模块；

所述数据修正模块用于对传感器采集的数据进行校正，校正后的数据送往监测中心服务器，设置校正因子其中T₀为当地平均温度，T为传感器采集数据时的实时温度，m为根据传感器类型选择的修正系数，设置m的取值在(0，0.05)范围内，则

T≥T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1-{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

T＜T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1+{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

其中，Y为由传感器采集的一组数据，Y_x为校正后数据；

所述信号处理子模块读取电源检测模块检测的传感器网络节点的电源信息，进而将传感器网络节点的电源信息发送至所述监测中心服务器。

进一步地，在采集数据前，采用TPSN算法来实现无线传感器网络的时钟同步，具体为在待同步节点处的本地时钟加上时钟偏差,完成节点的时钟同步。

本实施例加快了传感器网络节点的定位速度，设置在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池延长了监测装置的使用寿命；传感器网络路由不满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为0.2，监测成本相对降低了15％；根据传感器类型选择的修正系数m取值为0.02，监测精度相对提高了3％。

实施例3

参见图1，本实施例一种基于无线传感器网络故障监测装置，包括传感器网络节点、局域网、监测中心服务器和短信报警模块，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征是，所述传感器网络节点包括：

(1)传感器网络定位模块，用于获取传感器网络节点自身位置信息，其包括依次连接的任务驱动子模块、定位子模块和信号处理子模块，所述任务驱动子模块通过局域网与监测中心服务器连接，任务驱动子模块驱动定位子模块获取特定传感器网络节点的自身位置信息，所述信号处理子模块读取所述特定传感器网络节点的自身位置信息后将自身位置信息送至所述监测中心服务器；所述定位子模块采用椭圆定位法进行定位，定位时设置传感器网络节点的坐标为(x,y)，参考节点的坐标为(x_n,y_n)，n＝A,B,C,D，以(x_A,y_A)作为第一参考节点的坐标，以(x_m,y_m)作为第二参考节点的坐标，定位方程为：

$\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2}+\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}=d_{Am}$

其中，m＝B,C,D，d_Am为传感器网络节点到第一参考节点、第二参考节点的距离和，求解方程得到传感器的位置；

(2)传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，将传感器网络表示为无向带权连接图W＝(N,L)，N表示网络节点数，L表示双向链路集，约束函数为：

$f=\frac{1}{\[{\Σ}_{l\∈L}c\left(l\right)+{\Σ}_{l\∈N}c\left(n\right)\]\[{\Σ}_{l\∈L}p\left(l\right)+{\Σ}_{l\∈N}p\left(n\right)\]}({\mathrm{Af}}_b+{\mathrm{Bf}}_d+{\mathrm{Cf}}_{dj}+{\mathrm{Df}}_{pl})$

其中，f_b、f_d、f_dj、f_pl分别为带宽、延时、延时抖动、丢包率惩罚函数，A、B、C、D分别为f_b、f_d、f_dj、f_pl的加权系数_，[∑_l∈Lc(l)+∑_n∈Nc(n)]为费用约束_，[∑_l∈Lp(l)+∑_n∈Np(n)]为能量约束_；

当传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件时，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，其他情况f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆在(0，1)范围内，费用约束和能量约束应当在满足带宽、延时、延时抖动及丢包率约束的条件下取最小值；

(3)自供电模块，用于向传感器供能，其包括可在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池；

进一步地，所述基于无线传感器网络故障监测装置还包括数据修正模块和与信号处理子模块连接的电源检测模块；

所述数据修正模块用于对传感器采集的数据进行校正，校正后的数据送往监测中心服务器，设置校正因子其中T₀为当地平均温度，T为传感器采集数据时的实时温度，m为根据传感器类型选择的修正系数，设置m的取值在(0，0.05)范围内，则

T≥T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1-{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

T＜T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1+{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

其中，Y为由传感器采集的一组数据，Y_x为校正后数据；

所述信号处理子模块读取电源检测模块检测的传感器网络节点的电源信息，进而将传感器网络节点的电源信息发送至所述监测中心服务器。

进一步地，在采集数据前，采用TPSN算法来实现无线传感器网络的时钟同步，具体为在待同步节点处的本地时钟加上时钟偏差,完成节点的时钟同步。

本实施例加快了传感器网络节点的定位速度，设置在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池延长了监测装置的使用寿命；传感器网络路由不满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为0.4，监测成本相对降低了8％；根据传感器类型选择的修正系数m取值为0.03，监测精度相对提高了5％。

实施例4

参见图1，本实施例一种基于无线传感器网络故障监测装置，包括传感器网络节点、局域网、监测中心服务器和短信报警模块，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征是，所述传感器网络节点包括：

(1)传感器网络定位模块，用于获取传感器网络节点自身位置信息，其包括依次连接的任务驱动子模块、定位子模块和信号处理子模块，所述任务驱动子模块通过局域网与监测中心服务器连接，任务驱动子模块驱动定位子模块获取特定传感器网络节点的自身位置信息，所述信号处理子模块读取所述特定传感器网络节点的自身位置信息后将自身位置信息送至所述监测中心服务器；所述定位子模块采用椭圆定位法进行定位，定位时设置传感器网络节点的坐标为(x,y)，参考节点的坐标为(x_n,y_n)，n＝A,B,C,D，以(x_A,y_A)作为第一参考节点的坐标，以(x_m,y_m)作为第二参考节点的坐标，定位方程为：

$\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2}+\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}=d_{Am}$

其中，m＝B,C,D，d_Am为传感器网络节点到第一参考节点、第二参考节点的距离和，求解方程得到传感器的位置；

(2)传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，将传感器网络表示为无向带权连接图W＝(N,L)，N表示网络节点数，L表示双向链路集，约束函数为：

$f=\frac{1}{\[{\Σ}_{l\∈L}c\left(l\right)+{\Σ}_{l\∈N}c\left(n\right)\]\[{\Σ}_{l\∈L}p\left(l\right)+{\Σ}_{l\∈N}p\left(n\right)\]}({\mathrm{Af}}_b+{\mathrm{Bf}}_d+{\mathrm{Cf}}_{dj}+{\mathrm{Df}}_{pl})$

其中，f_b、f_d、f_dj、f_pl分别为带宽、延时、延时抖动、丢包率惩罚函数，A、B、C、D分别为f_b、f_d、f_dj、f_pl的加权系数_，[∑_l∈Lc(l)+∑_n∈Nc(n)]为费用约束_，[∑_l∈Lp(l)+∑_n∈Np(n)]为能量约束_；

当传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件时，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，其他情况f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆在(0，1)范围内，费用约束和能量约束应当在满足带宽、延时、延时抖动及丢包率约束的条件下取最小值；

(3)自供电模块，用于向传感器供能，其包括可在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池；

进一步地，所述基于无线传感器网络故障监测装置还包括数据修正模块和与信号处理子模块连接的电源检测模块；

所述数据修正模块用于对传感器采集的数据进行校正，校正后的数据送往监测中心服务器，设置校正因子其中T₀为当地平均温度，T为传感器采集数据时的实时温度，m为根据传感器类型选择的修正系数，设置m的取值在(0，0.05)范围内，则

T≥T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1-{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

T＜T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1+{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

其中，Y为由传感器采集的一组数据，Y_x为校正后数据；

所述信号处理子模块读取电源检测模块检测的传感器网络节点的电源信息，进而将传感器网络节点的电源信息发送至所述监测中心服务器。

进一步地，在采集数据前，采用TPSN算法来实现无线传感器网络的时钟同步，具体为在待同步节点处的本地时钟加上时钟偏差,完成节点的时钟同步。

本实施例加快了传感器网络节点的定位速度，设置在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池延长了监测装置的使用寿命；传感器网络路由不满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为0.6，监测成本相对降低了15％；根据传感器类型选择的修正系数m取值为0.04，监测精度相对提高了4％。

实施例5

参见图1，本实施例一种基于无线传感器网络故障监测装置，包括传感器网络节点、局域网、监测中心服务器和短信报警模块，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征是，所述传感器网络节点包括：

(1)传感器网络定位模块，用于获取传感器网络节点自身位置信息，其包括依次连接的任务驱动子模块、定位子模块和信号处理子模块，所述任务驱动子模块通过局域网与监测中心服务器连接，任务驱动子模块驱动定位子模块获取特定传感器网络节点的自身位置信息，所述信号处理子模块读取所述特定传感器网络节点的自身位置信息后将自身位置信息送至所述监测中心服务器；所述定位子模块采用椭圆定位法进行定位，定位时设置传感器网络节点的坐标为(x,y)，参考节点的坐标为(x_n,y_n)，n＝A,B,C,D，以(x_A,y_A)作为第一参考节点的坐标，以(x_m,y_m)作为第二参考节点的坐标，定位方程为：

$\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2}+\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}=d_{Am}$

其中，m＝B,C,D，d_Am为传感器网络节点到第一参考节点、第二参考节点的距离和，求解方程得到传感器的位置；

(2)传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，将传感器网络表示为无向带权连接图W＝(N,L)，N表示网络节点数，L表示双向链路集，约束函数为：

$f=\frac{1}{\[{\mathrm{\Σ}}_{l\∈L}c\left(l\right)+{\mathrm{\Σ}}_{n\∈N}c\left(n\right)\]\[{\mathrm{\Σ}}_{l\∈L}p\left(l\right)+{\mathrm{\Σ}}_{n\∈N}p\left(n\right)\]}({\mathrm{Af}}_b+{\mathrm{Bf}}_d+{\mathrm{Cf}}_{dj}+{\mathrm{Df}}_{pl})$

其中，f_b、f_d、f_dj、f_pl分别为带宽、延时、延时抖动、丢包率惩罚函数，A、B、C、D分别为f_b、f_d、f_dj、f_pl的加权系数_，[∑_l∈Lc(l)+∑_n∈Nc(n)]为费用约束_，[∑_l∈Lp(l)+∑_n∈Np(n)]为能量约束；

当传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件时，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，其他情况f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆在(0，1)范围内，费用约束和能量约束应当在满足带宽、延时、延时抖动及丢包率约束的条件下取最小值；

(3)自供电模块，用于向传感器供能，其包括可在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池；

进一步地，所述基于无线传感器网络故障监测装置还包括数据修正模块和与信号处理子模块连接的电源检测模块；

所述数据修正模块用于对传感器采集的数据进行校正，校正后的数据送往监测中心服务器，设置校正因子其中T₀为当地平均温度，T为传感器采集数据时的实时温度，m为根据传感器类型选择的修正系数，设置m的取值在(0，0.05)范围内，则

T≥T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1-{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

T＜T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1+{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

其中，Y为由传感器采集的一组数据，Y_x为校正后数据；

所述信号处理子模块读取电源检测模块检测的传感器网络节点的电源信息，进而将传感器网络节点的电源信息发送至所述监测中心服务器。

进一步地，在采集数据前，采用TPSN算法来实现无线传感器网络的时钟同步，具体为在待同步节点处的本地时钟加上时钟偏差,完成节点的时钟同步。

本实施例加快了传感器网络节点的定位速度，设置在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池延长了监测装置的使用寿命；传感器网络路由不满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为0.9，监测成本相对降低了12％；根据传感器类型选择的修正系数m取值为0.04，监测精度相对提高了4％。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (3)

1.一种基于无线传感器网络故障监测装置，包括传感器网络节点、局域网、监测中心服务器和短信报警模块，所述传感器网络节点布置在被测部位并与监测中心服务器通过局域网相连接，监测中心服务器通过网络向远程用户提供数据服务或发出预警信息，也可通过短信报警模块发出预警短信，其特征是，所述传感器网络节点包括：

(1)传感器网络定位模块，用于获取传感器网络节点自身位置信息，其包括依次连接的任务驱动子模块、定位子模块和信号处理子模块，所述任务驱动子模块通过局域网与监测中心服务器连接，任务驱动子模块驱动定位子模块获取特定传感器网络节点的自身位置信息，所述信号处理子模块读取所述特定传感器网络节点的自身位置信息后将自身位置信息送至所述监测中心服务器；所述定位子模块采用椭圆定位法进行定位，定位时设传感器网络节点的坐标为(x,y)，参考节点的坐标为(x_n,y_n)，n＝A,B,C,D，以(x_A,y_A)作为第一参考节点的坐标，以(x_m,y_m)作为第二参考节点的坐标，定位方程为：

$\sqrt{{(x-x_m)}^2+{(y-y_m)}^2}+\sqrt{{(x-x_A)}^2+{(y-y_A)}^2}=d_{Am}$

其中，m＝B,C,D，d_Am为传感器网络节点到第一参考节点、第二参考节点的距离和，求解方程得到传感器的位置；

(2)传感器约束模块，用于对传感器的费用和能量进行约束，将传感器网络表示为无向带权连接图W＝(N,L)，N表示网络节点数，L表示双向链路集，约束函数为：

$f=\frac{1}{\[{\Σ}_{l\∈L}c\left(l\right)+{\Σ}_{n\∈N}c\left(n\right)\]\[{\Σ}_{l\∈L}p\left(l\right)+{\Σ}_{n\∈N}p\left(n\right)\]}({\mathrm{Af}}_b+{\mathrm{Bf}}_d+{\mathrm{Cf}}_{dj}+{\mathrm{Df}}_{pl})$

其中，f_b、f_d、f_dj、f_pl分别为带宽、延时、延时抖动、丢包率惩罚函数，A、B、C、D分别为f_b、f_d、f_dj、f_pl的加权系数，[∑_l∈Lc(l)+∑_n∈Nc(n)]为费用约束，[∑_l∈Lp(l)+∑_n∈Np(n)]为能量约束；

当传感器网络路由满足带宽、延时、延时抖动、丢包率约束条件时，f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆为1，其他情况f_b、f_d、f_dj、f_pl的取值皆在(0，1)范围内，费用约束和能量约束应当在满足带宽、延时、延时抖动及丢包率约束的条件下取最小值；

(3)自供电模块，用于向传感器供能，其包括可在光照条件下向传感器持续供能的色素增感型光电池。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络故障监测装置，其特征是，还包括数据修正模块和与信号处理子模块连接的电源检测模块；

所述数据修正模块用于对传感器采集的数据进行校正，校正后的数据送往监测中心服务器，设置校正因子其中T₀为当地平均温度，T为传感器采集数据时的实时温度，m为根据传感器类型选择的修正系数，设置m的取值在(0，0.05)范围内，则

T≥T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1-{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

T＜T₀时，校正公式为：

$Y_x=Y\·(1+{\mathrm{me}}^{-(\sqrt{\left|\frac{T-T_0}{T}\right|}+0.001)})$

其中，Y为由传感器采集的一组数据，Y_x为校正后数据；

所述信号处理子模块读取电源检测模块检测的传感器网络节点的电源信息，进而将传感器网络节点的电源信息发送至所述监测中心服务器。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络故障监测装置，其特征是，在采集数据前，采用TPSN算法来实现无线传感器网络的时钟同步，具体为在待同步节点处的本地时钟加上时钟偏差,完成节点的时钟同步。