低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統的製作方法
2023-05-06 10:38:36 4
低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統的製作方法
【專利摘要】低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，是為了解決無線傳感器網絡節點自身局限性及在惡劣環境中易導致網絡節點故障頻發現象，不能快速對故障癥結定位及對部分故障還無法自修復的技術問題而設計的。該系統以故障診斷晶片為核心，接收來自傳感器模塊、電源供電模塊及射頻發射裝置故障信息檢測模塊周期性採集網絡節點的狀態信息，由故障診斷模塊對上述信息進行分析，並按照診斷結果轉入相應的處理機制。特點：能對節點故障進行自檢測和預防，及時採取有效的措施補救故障帶來的損失，通過故障檢測模塊加快故障的排除，有效地減少網絡因故障導致的損失。極大地節約了網絡的維護和組件成本。
【專利說明】低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種網絡節點故障檢測系統，尤其涉及一種低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統。屬於無線傳感器網絡節點檢測【技術領域】。
【背景技術】:
[0002]目前，無線傳感器網絡應用廣泛，無線傳感器網絡節點因其自身的局限性以及經常布置在惡劣的環境中導致無線傳感器網絡節點故障頻發。雖然該領域有很多故障檢測的措施、架構和協議等，但是這些僅僅局限於宏觀的無線傳感器網絡故障檢測；而對於無線傳感器網絡節點並沒有一個行之有效的方法對其進行故障檢測，更沒有一個成熟的系統在能夠實現故障檢測的同時當部分重要功能模塊出現故障後進行自修復。無線傳感器節點不僅攜帶著各種傳感器以實現感知各種環境信息的功能，而且節點自身具有信號收發功能、對指令的處理功能和組網功能等。功能越複雜的無線傳感器網絡節點成本也就越高，因此如何配置一個無線傳感器網絡節點的故障檢測系統，以實現對重要模塊的自檢測及時的察覺故障，對部分故障的功能模塊進行自修復使節點的生命周期得到最大地延長。這對於降低無線傳感器網絡的部署成本以及網絡維護和網絡的可靠性具有非常重要的意義。
【發明內容】
:
[0003]本發明為了解決無線傳感器網絡節點因其自身的局限性以及經常布置在惡劣的環境中導致無線傳感器網絡節點故障頻發的情況，目前還不具備快速對無線傳感器網絡節點出現故障的癥結定位以及對部分故障還無法達到自修復的技術問題，提供了一種低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，它包括主電源供電模塊、備用電源模塊、傳感器模塊、信號放大模塊、射頻發射模塊、故障狀態指示模塊、射頻發射裝置故障檢測模塊、射頻故障指示燈模塊、實時時鐘模塊、故障信息存儲模塊及故障診斷晶片以及手持故障檢測模塊；該系統以故障診斷晶片為核心，接收來自傳感器模塊、電源供電模塊以及射頻發射模塊中的射頻發射裝置故障信息檢測模塊，所進行的周期性採集網絡節點的狀態信息，由故障診斷模塊對上述各個模塊上傳的信息進行分析，並根據診斷結果按照故障狀態、危險警告或正常狀態轉入相應的處理機制；由故障診斷模塊將診斷出的除射頻發射模塊以外的所有模塊的故障信息發送給射頻發射模塊中的MCU，已設定的幀格式將故障信息進行打包逐級上傳至Sink節點以達到通知網絡管理人員及時修復和排除故障的目的；收到故障信息的Sink節點會向全網絡的無線傳感器網絡節點廣播該故障信息，其他正常的網絡節點在收到故障節點的故障信息後會更新路由表，孤立故障節點使信息流不在經過該故障節點以達到節約網絡其他節點能耗的目的；直到修復故障節點後由網絡的Sink節點向全網絡廣播更新路由表的命令，使網絡中各個節點更新路由表後重新連入被修復的故障節點；對危險警告信息，由故障診斷模塊將警告信息從故障診斷晶片傳遞至射頻發射模塊內的MCU，之後射頻發射模塊採用已設定的幀格式對警告信息進行打包封裝並逐級上傳至Sink節點通知網絡管理員，以達到在無線傳感器網絡節點切實的發生故障前將潛在的故障排除，使網絡節點正常的運行提高網絡的魯棒性。
[0004]本發明的有益效果與特點:能對節點的故障進行自我檢測和預防；當故障發生後能採取有效的自修復措施補救故障帶來的損失；以及採取新型的故障檢測機制加快故障的排除，有效地減少網絡因故障導致的損失，極大地節約了網絡的建設成本與維護成本。
[0005](I)無線傳感器網絡節點能周期性的進行自檢測及時的發現故障，並採取有效地措施將故障信息上傳，使故障能及時的得到維修。
[0006](2)當網絡管理人員得知故障後可以攜帶手持故障檢測模塊對故障節點進行迅速定位找到節點的位置，並通過讀取故障信息存儲模塊中的信息迅速確定故障的癥結，能達到有的放矢的快速排除故障使節點能儘快的加入網絡。
[0007](3)通過對故障狀態的程度劃分分為故障狀態和警告狀態。警告狀態可以達到向網絡管理人員示警該節點即將出現故障，能達到對即將發生的故障進行排除使節點不進入故障狀態，保持節點正常的工作。
[0008](4)對於節點中的重要模塊提供了故障自動修復的機制，當該模塊出現故障時可以激活節點中的備份模塊替代該模塊進行工作，極大地延長了節點的生命周期和提高了網絡的魯棒性。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0009]圖1系統模塊結構框圖
[0010]圖2故障診斷晶片電路原理圖
[0011]圖3主電源供電模塊電路原理圖
[0012]圖4備用電源模塊和射頻故障指示燈模塊電路原理圖
[0013]圖5故障信息存儲模塊電路原理圖
[0014]圖6實時時鐘模塊電路原理圖
[0015]圖7故障狀態指示模塊電路原理圖
[0016]圖8射頻發射模塊電路原理圖
[0017]圖9串口通信模塊電路原理圖
[0018]圖10傳感器模塊和信號放大模塊電路原理圖
[0019]圖11手持故障檢測模塊原理圖
[0020]圖12故障檢測軟體流程圖
[0021]圖13無線傳感器網絡結構示意圖
[0022]圖14故障自檢測、處理、自修復機制流程圖
【具體實施方式】:
[0023]參看圖1-圖14，低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，它包括主電源供電模塊、備用電源模塊、傳感器模塊、信號放大模塊、射頻發射模塊、故障狀態指示模塊、射頻發射裝置故障檢測模塊、射頻故障指示燈模塊、實時時鐘模塊、故障信息存儲模塊及故障診斷晶片以及手持故障檢測模塊；該系統以故障診斷晶片為核心，接收來自傳感器模塊、電源供電模塊以及射頻發射模塊中的射頻發射裝置故障信息檢測模塊，所進行的周期性採集網絡節點的狀態信息，由故障診斷模塊對上述各個模塊上傳的信息進行分析，並根據診斷結果按照故障、危險警告或正常狀態轉入相應的處理機制；由故障診斷模塊將診斷出的除射頻發射模塊以外的所有模塊的故障信息發送給射頻發射模塊中的MCU，按照已設定的幀格式將故障信息進行打包逐級上傳至Sink節點以達到通知網絡管理人員及時修復和排除故障的目的；收到故障信息的Sink節點會向全網絡的無線傳感器網絡節點廣播該故障信息，其他正常的網絡節點在收到故障節點的故障信息後會更新路由表，以達到孤立故障節點使信息流不在經過該故障節點的目的；直到修復故障節點後由網絡的Sink節點向全網絡廣播更新路由表的命令，使網絡中各個節點更新路由表後重新連入被修復的故障節點；對於危險警告信息的處理，由故障診斷模塊將警告信息從故障診斷晶片傳遞至射頻發射模塊內的MCU，之後射頻發射模塊採用已設定的幀格式對警告信息進行打包封裝並逐級上傳至Sink節點通知網絡管理員，以達到在無線傳感器網絡節點切實的發生故障前將潛在的故障排除，使網絡節點正常運行提高網絡的魯棒性。
[0024]該系統設有一獨立於無線傳感器網絡節點的手持故障檢測模塊，該模塊接收用於顯示無線傳感器網絡節點的拓撲結構，便於定位故障節點的地理位置，以及通過讀取和顯示故障信息存儲模塊中的該節點故障信息，快速定位故障模塊和找到故障原因。
[0025]所述電源供電模塊，除設有主電源供電模塊外，還設有主電源剩餘電量檢測模塊和備用電源模塊，由所述主電源剩餘電量檢測模塊周期性檢測主電源所剩電量，以控制備用電源的啟用與否。
[0026]在所述Sink節點上，針對射頻發射模塊的故障檢測設有定期主動輪詢網絡中節點的機制，若連續輪詢兩次某節點無應答則認為該節點的射頻發射模塊出現故障，並且通知網絡管理員攜帶手持故障檢測模塊通過讀取節點上的故障信息存儲模塊中的信息對故障原因進行準確定位以達到快速維修該故障節點，並且當射頻發射模塊出現故障後節點上有警告指示燈進行示警。
[0027]所述故障診斷晶片周期性的檢測節點上重要模塊的狀態信息，通過和預先設定的正常閾值相比較，將狀態信息分為嚴重故障狀態、警告狀態和正常狀態，對於嚴重故障狀態和警告狀態信息，結合實時時鐘晶片信息存儲至故障信息存儲模塊中，並通過射頻發射模塊將故障信息逐級上傳至Sink節點。
[0028]下面結合附圖作進一步說明:
[0029]圖1為系統模塊結構框圖，反映了無線傳感器網絡節點各個模塊之間的邏輯關係。該系統主要包括故障診斷晶片及故障診斷晶片Debug接口、傳感器模塊、故障信息存儲模塊、實時時鐘模塊、主電源供電模塊、備用電源模塊、主電源剩餘電量檢測模塊、故障狀態指示燈模塊、射頻故障指示燈模塊、信號放大模塊、射頻發射模塊及射頻發射模塊Debug接口、射頻發射裝置故障檢測模塊、手持故障檢測模塊、串口通信模塊和管理端PC機。手持故障檢測模塊包含液晶顯示模塊和MCU。其中:
[0030]由傳感器模塊、信號放大模塊、主電源供電模塊和射頻發射模塊負責完成組網、感知環境信息和承擔傳統傳感器的通信功能；由故障診斷晶片診斷無線傳感器網絡節點的故障狀態，並將節點故障信息通過射頻發射模塊及射頻發射裝置故障檢測模塊對故障網絡節點進行檢測、發布故障消息和進行故障處理；由故障狀態指示燈模塊、射頻故障指示燈模塊實時顯示故障診斷晶片和射頻發射模塊的工作狀態，以達到當網絡管理人員維修故障節點時能結合手持故障檢測模塊顯示的故障信息以及故障狀態指示燈模塊顯示的信息快速定位故障模塊；同時故障診斷晶片將診斷出的節點中某個模塊的故障信息連同實時時鐘模塊提供的時鐘信息一起保存到故障信息存儲模塊中，並且將故障信息通過射頻發射模塊主機上傳至Sink節點，當Sink節點收到來自網絡節點的故障信息後經串口通信模塊發送給管理端的PC機；主電源供電模塊為整個系統供電，由主電源剩餘電量檢測模塊周期性檢測主電源剩餘電量，當主電源電量不足時啟用備用電源。通過手持故障檢測模塊由MCU和液晶顯示模塊組成，用於讀取和顯示故障信存儲模塊所記錄的故障信息。故障診斷晶片Debug接口和射頻發射模塊Debug接口分別用於向故障診斷晶片和射頻發射模塊下載並調試程序。
[0031]圖2是故障診斷晶片電路原理圖即故障診斷晶片的外圍電路，該模塊主要由故障診斷晶片即MSP430晶片、低速晶振TXl和高速晶振TX2、電容CPU CT1-CT4、C13-C22構成。該部分是本發明的核心部分，主要負責運行故障檢測程序和故障處理程序。電容C13-C22對周期性的採樣各個模塊的狀態信息進行A/D轉換的優化使轉換精度提高。TXl是32.768kHz的低速晶振，TX2是8MHz的高速晶振，為故障診斷晶片提供外圍時鐘。CT1-CT4是晶振的接地電容，便於晶振穩定的起震。
[0032]圖3為主電源供電模塊電路原理圖，該模塊主要由LD0(low dropout regulator,低壓差線性穩壓器)即AP1117晶片、DC插座、電池插座、Bet-DC供電方式選擇開關、主電源開關、二極體Dl和D5、電容C7-C9構成。所示無線傳感器網絡節點供電方式既可以是直流電源供電也可以是電池供電，提升了無線傳感器節點的適用範圍。首先通過Bet-DC供電方式選擇開關，若選擇直流電源供電(DC)，將5V的電源接在DC插座上，通過二極體Dl經濾波電解電容C7後的電源信號作為LDO的輸入信號,穩壓後LDO會輸出穩定的3.3V電壓信號，為無線傳感器節點提供穩定電源，電容CS、C9是對穩壓後的信號進行去紋波處理；若選擇電池供電(Bet)，將兩節AA電池放入電池盒並接入電池插座後可以為無線傳感器節點提供3V的電壓信號確保無線傳感器節點正常工作。二極體D5的作用是平衡主電源模塊和備用電源模塊之間的電壓差。
[0033]圖4為備用電源模塊和射頻故障指示燈模塊電路原理圖。該模塊主要由二極體D3和D4、發光二極體warning指示燈、電阻RlO和Rll、PNP三極體Q1、備用電池Battery構成。在備用電源電路圖中通過D3和D4提供電壓差，確保在主電源正常供電的情況下不使用備用電源，當主電源即將枯竭的情況下啟用備用電源使節點繼續工作，極大地延長節點的生命周期。射頻故障指示燈模塊主要應用於當射頻發射模塊故障後導致不能與外界通信的情況下，在該情況發生時，PNP型三極體Ql、電阻RlO-Rll構成的開關電路依靠備用電池(Battery)作為該開關電路的供電能源使發光二極體warning指示燈常亮,待網絡維護人員維修該節點時向維修人員示意射頻發射模塊出現故障。以達到節省維修人員檢查故障的時間，提高網絡的維護效率和降低維護成本。
[0034]圖5是故障信息存儲模塊電路原理圖，該模塊主要由故障信息存儲模塊即AT24C16晶片、退耦合電容C23和故障信息讀取接口構成。主要用於存儲故障信息，C23是退耦合電容對電源進行濾除文波的作用。故障信息存儲晶片採用IIC的總線方式對數據進行存儲，存儲的故障信息包含:故障發生的時間、發生故障的模塊和故障發生時該模塊的狀態信息。圖中所示的故障信息讀取接口 I號和2號引腳分別與故障信息存儲模塊5號和6號引腳相連接，用於和手持故障檢測模塊中的故障檢測接口相連接以達到讀取故障存儲模塊內的信息快速定位故障癥結。
[0035]圖6是實時時鐘模塊電路原理圖即實時時鐘晶片的外圍電路，該模塊主要由實時時鐘芯模塊DS1302、低速晶振TX3和退耦合電容C24構成。主要實現為故障信息提供準確的時鐘信息的功能。該時鐘信息將存入故障信息存儲晶片中。該時鐘晶片的I號引腳與電源和退耦合電容C24相連接，C24是退耦合電容對電源進行濾除文波為晶片提供穩定的電源。晶片的8號引腳與備用電源DVcc相連接。若主電源電量充足時由主電源為實時時鐘模塊供電，若主電源即將枯竭則由備用電源為實時時鐘模塊供電。該晶片的2、3引腳與TX332.768K的石英晶體相連接，作為晶片的時鐘源。晶片的5-7號引腳與圖2所示的故障診斷晶片的25-27號引腳相連接，便於故障診斷晶片對實時時鐘晶片進行設置和讀取信息。
[0036]圖7為故障狀態指示模塊電路原理圖，該模塊主要由發光二級管D6-D9和限流電阻R12-R15構成。故障狀態指示燈由不同顏色的LED燈組成，每一組LED燈與限流電阻相連接，限流電阻的另一端與圖2所示的故障診斷晶片的38-41號引腳I/O相連接。當故障發生後故障診斷晶片以若干組不同顏色的LED燈的同時點亮或熄滅代表節點上不同的模塊出現故障。
[0037]圖8為射頻發射模塊電路原理圖，該模塊主要由射頻發射晶片CC2530、發光二級管D10-D13、限流電阻R16-R19、電阻R3、R4和濾波電容ClO構成。射頻頻發射模塊主要由CC2530晶片和天線組成。模塊的3號引腳通過ClO和R3連接到CC2530Debug模塊，由於CC2530Debug模塊有復位按鈕RSTn，當完成對CC2530的燒寫後，按下復位按鈕使CC2530復位。因為按下開關的過程會產生一定的高頻分量，所以通過R3和ClO組成的低通濾波器對高頻分量進行濾除，得到穩定的低頻分量。高頻發射模塊通過3號引腳、15號和16號引腳、21號引腳、22號引腳、26號引腳、27號引腳分別與CC2530Debug的RSTn引腳、GND引腳、Pl_4引腳、Pl_5引腳、P2_l引腳、P2_2引腳相連接，實現CC2530Debug對CC2530的程序下載與調試。發光二極體D10-D13分別和限流電阻R16-R19相連接，主要實現顯示該模塊的工作狀態和在網絡中的作用。晶片的6號引腳和7號引腳分別與圖2所示的故障診斷晶片的32號和33號引腳相連接，主要實現兩晶片之間傳遞故障信息。
[0038]圖9串口輸出模塊電路原理圖，串口輸出模塊主要由晶片MAX3223、RS232、電容C1-C6、電阻Rl和選擇器SWl構成，MAX3223是3V供電的具有自動關機、喚醒功能的通信接口，高數據率的能力，以及增強的靜電放電(ESD)保護，MAX3223含有兩個驅動器和兩個接收器。MAX3223通過15號引腳RXDl與圖8中射頻發射模塊的24號引腳相連，MAX3223的16和17號引腳與RS232的I和2號引腳相連，13號引腳與選擇器SWl的2號引腳相連，而選擇器SWl的輸出端I號引腳與圖8中射頻發射模塊的23號引腳相連,選擇器SWl的3號引腳與圖2故障診斷晶片MSP430的34號引腳相連接。實現了在管理端通過RS232接口讀取故障診斷晶片MSP430和射頻發射模塊CC2530的信息。電容C1-C6實現濾波作用，使晶片工作在較理想的電壓狀態下。
[0039]圖10為傳感器模塊和信號放大模塊電路原理圖，該模塊主要由運算放大器晶片LT2051、電阻R6-R8、電容C12和傳感器插座CN1、CN2構成。由於電阻R8與射頻發射模塊相串聯，當射頻發射模塊工作狀態出現異常時，會影響到R8兩端的工作電壓的變化。因此通過對電阻R8的檢測可以實現對射頻發射模塊的檢測。以R8採樣的電壓值作為LT2051的輸入信號，將輸入信號進行放大，在7號引腳輸出，並且將輸出值送入故障診斷晶片的AO引腳後進行A/D轉換，將轉換得到的數位訊號與預先設定的閾值相比較，判斷該模塊是否出現故障。圖中的CNl和CN2構成了傳感器模塊的接口，該接口同時兼容傳輸模擬信號的傳感器和傳輸數位訊號的傳感器。CNl接口的2號和3號引腳分別與圖2所示的故障診斷晶片的32號和33號引腳相連接，CN2接口的2號和3號引腳分別與圖2所示的故障診斷晶片的60號和61號引腳相連接，主要完成故障診斷晶片對傳感器模塊的狀態信息的採集，判斷傳感器模塊是否出現故障。
[0040]圖11為手持故障檢測模塊電路圖，該模塊主要由復位電路、時鐘電路、故障信息顯示電路、電源供電指示模塊、翻頁和選擇電路、MCU即STC89C52RC晶片組成。電阻R2、微動開關SI和電容C3構成了復位電路；高速晶振XTL12M晶振和電容Cl、C2構成了時鐘電路；變阻器Rl和液晶屏構成了故障信息顯示電路；發光二極體Dl和電阻R3構成了電源供電指示模塊；微動開關S2-S5構成了液晶屏翻頁和選擇電路；STC89C52RC構成了手持故障檢測設備的MCU，用於處理讀取和顯示故障信息存儲晶片中的故障信息。故障檢測接口用於連接無線傳感器網絡節點上的故障信息存儲晶片的數據接口。
[0041]圖12為故障檢測軟體流程圖，其無線傳感器網絡節點故障檢測系統軟體工作流程:對主電源故障檢測，系統初始化後等待Timer A信號I響應對主電源故障檢測程序的中斷，即進行故障檢測功能組件中主電源剩餘電量檢測模塊利用A/D轉換模塊對主電源供電模塊進行周期性的信號採樣和A/D轉換，若低於正常的閾值電壓即不能正常的為節點各個模塊提供穩定的電源，則被判定主電源模塊出現故障。主電源剩餘電量檢測模塊在判定主電源出現故障後會將故障信息上傳至圖2所示的故障診斷晶片，故障診斷晶片在主電源出現故障後，會觸發故障處理功能組件開始工作。首先，主電源剩餘電量檢測模塊在判定主電源出現故障後，會觸發備用電源替代主電源為整個節點提供穩定的能源，最大的延長該節點的使用壽命，進而延長整個無線傳感器網絡的使用壽命。其次，故障診斷晶片會將主電源故障信息傳遞給射頻發射模塊，故障信息會通過射頻發射模塊發送至Sink節點直至上傳至管理端軟體，通知網絡管理人員。最後，故障診斷晶片會將主電源故障信息加上實時時鐘晶片此時此刻的時間信息一起存入故障信息存儲模塊中。
[0042]傳感器模塊故障檢測，系統初始化後等待Timer A信號2響應對傳感器模塊故障檢測程序的中斷，即進行在故障檢測功能組件中圖2所示的故障診斷晶片會對傳感器模塊進行周期性的信號採集，由於傳感器信號分為數位訊號和模擬信號因此對這兩種信號分別採用不同的處理方法。當傳感器輸出是數位訊號時，故障診斷晶片會將該信號與預先設定的閾值相比較，若在正常閾值範圍內則認為傳感器節點正常工作沒有出現故障，反之則發生故障；當傳感器輸出的是模擬信號時，故障診斷晶片先將模擬信號進行A/D轉換成數位訊號後與預先設定的閾值相比較若在正常的閾值範圍內則表明傳感器工作正常，反之則發生故障。傳感器模塊發生故障後會觸發故障處理功能組件開始工作，故障診斷晶片一方面將故障信息發送給射頻發射模塊，然後故障信息會通過射頻發射模塊發送至Sink節點直至上傳至管理端軟體，通知網絡管理人員。另一方面將故障信息和實時時鐘晶片此時此刻的時間信息一起存入故障信息存儲模塊中。
[0043]射頻發射模塊故障檢測，系統初始化後等待Timer A信號3響應對射頻發射模塊故障檢測程序的中斷，即進行在故障檢測功能組件中射頻發射裝置故障信息檢測模塊通過檢測與發射模塊的電壓變化，經過信號放大模塊將電壓信號進行放大後上傳至圖2所示的故障診斷晶片，若電壓變化在正常的範圍內波動則認為高頻發射模塊正常工作，對於射頻發射模塊的檢測有兩個極端的故障狀態，一種是射頻發射模塊的電壓無窮大接近電源電壓；另一種是其電壓接近於零電勢。對於這兩種故障狀態採取不同的處理機制，針對第一種情況故障診斷晶片檢測到射頻發射模塊電壓接近於電源電壓後，將故障信息和實時時鐘晶片此時此刻的時間信息一起存入故障信息存儲模塊中。若出現第二種情況會導致節點所有的模塊均不能正常工作，但是當射頻發射模塊出現該故障時會觸發射頻發射模塊故障指示燈亮起已達到示警的目的，當維修人員到達現場後就能很快的定位該問題的原因。
[0044]實施例
[0045]參看圖13，布置了一個樹狀無線傳感器網絡，該網絡可以應用於很多場景，如樓內的火災預警等。為了提高網絡的可靠性採用本發明的低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統。Sink匯聚節點是網絡的發起者和網絡的核心，它擁有穩定和充足的能源。Sink匯聚節點在組件網絡的同時通過圖9所示的串口通信模塊與上位機PC終端線連接。PC終端運行網絡管理軟體能夠顯示網絡的拓撲結構，當發現故障節點後在網絡拓撲圖上顯示故障節點達到向網絡管理員示警的目的。網絡中包含分控中心#l-#n個無線傳感器網絡節點、所述每個分控中心由一組簇首節點組成，每個所述簇首節點包含普通節點#l_#n。其中分控中心無線傳感器網絡節點和簇首節點的功能組件和管理局域的網絡；普通節點僅僅具有感知外界環境、組網、傳遞信息和指令相應功能。上述所述不同功能的網絡節點均採用本發明的無線傳感器網絡節點實現，由於燒寫的程序不同，導致在網絡中的具體作用與功能不同，圖8所示的射頻發射模塊電路的發光二極體D10-D13的發光狀態表示該節點在網絡中的作用。
[0046]參看圖14，故障自檢測、處理、自修復機制流程圖。
[0047]在該圖中反映了圖2所示的故障診斷晶片在故障檢測階段周期性的對無線傳感器網絡節點各個模塊進行自檢測，若各個模塊均正常工作，則故障診斷晶片的工作狀態將停留在故障檢測階段，當某個模塊出現故障後故障診斷晶片將進入故障診斷階段，在該階段首先將故障信息進行分類，若屬於嚴重故障信息，即:該模塊已經出現故障不能正常工作；若屬於警告信息，即:該模塊的工作狀態已經進入危險狀態，但該模塊勉強可以維持工作，若不及時維修則該模塊會出現嚴重故障。故障診斷晶片完成對故障信息的分類後則進入故障處理階段，在該階段故障診斷晶片將模塊的故障信息存儲到故障信息存儲模塊內；通過射頻發射模塊將故障信息上傳至Sink節點；對於部分模塊如主電源供電模塊故障可以進行自修復；通過手持故障檢測模塊將故障信息進行顯示。
[0048]每一個無線傳感器網絡節點在構建網絡的時候均更新了本節點的路由表，記錄了與本節點直接相連接的父節點和子節點。圖3所示主電源供電模塊、圖8所示射頻發射模塊、圖10所示的傳感器模塊和信號放大模塊協同工作可以完成無線傳感器網絡節點的自組網、感知外界信息和上傳環境信息與指令以及相應功能。與此同時，為保證無線傳感器網絡節點的可靠性，每個無線傳感器網絡節點實現自檢測的功能，來察覺自身節點的故障，並通過故障處理機制將已經發生的故障上傳至網絡管理室以及對故障進行自我修復，極大增強網絡的可靠性。圖2所示故障診斷晶片會周期性的採樣無線傳感器網絡節點內重要模塊的重要工作狀態信息，即電源供電模塊、傳感器模塊和射頻發射模塊。將採集的各個模塊的狀態信息進行A/D轉換與故障檢測程序設定的安全閾值相比較，若低於該閾值則被判定該模塊出現故障，觸發故障處理機制。首先將故障信息和實時時鐘信息存入故障信息存儲模塊中；然後將如圖7所示的故障狀態指示模塊中代表的該故障模塊的指示燈電量，便於維修人員在維修時直觀的定位故障模塊；最後將該故障信息以設定的幀格式逐級向父節點直至上傳到Sink節點。一方面，Sink節點會通過圖9所示的串口通信模塊將故障信息傳遞至PC終端，並在PC終端運行的網絡拓撲結構上將該故障節點以指定的顏色或標記進行注釋，進而達到向管理人員示警的目的。另一方面，Sink節點沒有能源的限制可以向全網絡廣播該故障節點的地址並令網絡中的其他節點更新路由表，以達到其他網絡節點不在向其傳送信息以節約其他網絡節點的能耗，直到管理人員將故障節點修復手動通過故障Sink節點發送指令使全網更新路由表再次加入該節點。當管理人員看到PC終端的警告信息後，可以攜帶如圖11所示的手持故障檢測裝置，該系統通過液晶屏顯示網絡的拓撲結構知道故障節點的大致方位，通過RSSI (Received Signal Strength Indication,接收的信號強度指示)精確定位該故障節點的具體位置，找到故障節點後管理人員利用如圖11中所示的故障檢測接口連接至圖5所示的故障信息讀取接口，並讀取所記錄的故障信息達到快速定位故障癥結所在。本發明的無線傳感器網絡節點是以模塊化構成的，因此可以對故障模塊直接更換，極大地提高了網絡維修的效率和降低了維修成本。
[0049]若採集的模塊狀態信息經A/D轉換後臨近預先設定的閾值則故障診斷晶片判定該模塊即將出現故障，此時故障診斷晶片會將警告信息逐級上傳至Sink節點以達到向網絡管理人員示警的目的。之後網絡管理人員可以使用手持故障檢測設備確定節點的地理位置和警告信息快捷的將該模塊修復。以達到在該模塊發生故障前向管理人員示警，並在故障發生前修復該模塊的目的。
[0050]無線傳感器網絡節點中的除射頻發射模塊以外其餘指定的重要模塊均可以使用上述方法進行自檢測和故障處理機制直至修復故障，但是當射頻發射模塊發生故障後，該故障節點將無法與外界通信。因此網絡管理員發現該模塊故障，只能通過採取Sink節點主動輪詢的方法。當該故障發生後，如圖2所示的故障診斷晶片通過自檢測的方式發現該模塊故障之後將故障信息和實時時鐘信息存入故障信息存儲模塊內，待網絡管理人員攜帶如圖11所示的手持故障檢測模塊讀取該故障信息定位故障癥結，及時更換故障模塊。若當該模塊出現短路故障後會導致節點所有模塊均不能正常工作，故障信息也無法被記錄。為了應對該故障的發生，本發明設計了如圖4所示的備用電源與射頻故障指示模塊，該模塊在主電源供電模塊不能正常工作的情況下利用備用電源作為能源，以PNP型三極體作為開關電路使故障狀態指示燈工作。當網絡管理人員維修該節點時，則不再需要手持設備定位故障信息就可以鎖定射頻發射模塊發生故障，便於及時更換該模塊，使該故障節點儘快修復重新加入網絡。
[0051]本發明具有對部分重要模塊發生故障後對其進行修復達到雖然發生故障但是仍然可以繼續工作的目的。例如，如圖2所示的故障診斷晶片在如圖3所示的主電源供電模塊出現故障後，會使圖4所示的備用電源替代主電源繼續工作，同時故障診斷晶片將故障信息和實時時鐘信息存入圖5所示的故障信息存儲模塊內；並且將故障信息主機上傳至Sink節點，達到向網絡管理員示警使相關人員攜帶圖11所示的手持故障檢測模塊前去維修該故障節點。當維修人員發現主電源模塊故障後對主電源模塊進行更換的期間內該節點依然可以依靠備用電源繼續工作，直到主電源模塊被修復後備用電源將停止工作。對主電源供電模塊進行維修的時候故障節點依然可以繼續工作。達到了在故障出現後可將損失降低至最小。
[0052]綜上所述，採用本發明的無線傳感器網絡節點通過自檢測發現故障，以及用故障處理機制修復故障。極大的提高了網絡的可靠性和網絡維護效率；降低網絡的建設成本與維護成本。
【權利要求】
1.低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，它包括主電源供電模塊、備用電源模塊、傳感器模塊、信號放大模塊、射頻發射模塊、故障狀態指示模塊、射頻發射裝置故障檢測模塊、射頻故障指示燈模塊、實時時鐘模塊、故障信息存儲模塊、故障診斷晶片以及手持故障檢測模塊；其特徵在於:該系統以故障診斷晶片為核心，接收來自傳感器模塊、電源供電模塊以及射頻發射模塊中的射頻發射裝置故障信息檢測模塊，所進行的周期性採集網絡節點的狀態信息，由故障診斷模塊對上述各個模塊上傳的信息進行分析，並根據診斷結果按照故障狀態、危險警告或正常狀態轉入相應的處理機制；由故障診斷模塊將診斷出的除射頻發射模塊以外的所有模塊的故障信息發送給射頻發射模塊中的MCU，已設定的幀格式將故障信息進行打包逐級上傳至Sink節點以達到通知網絡管理人員及時修復和排除故障的目的；收到故障信息的Sink節點會向全網絡的無線傳感器網絡節點廣播該故障信息，其他正常的網絡節點在收到故障節點的故障信息後會更新路由表，以達到孤立故障節點使信息流不在經過該故障節點的目的；直到修復故障節點後由網絡的Sink節點向全網絡廣播更新路由表的命令，使網絡中各個節點更新路由表後重新連入被修復的故障節點；對危險警告信息，由故障診斷模塊將警告信息從故障診斷晶片傳遞至射頻發射模塊內的MCU,之後射頻發射模塊採用已設定的幀格式對警告信息進行打包封裝並逐級上傳至Sink節點通知網絡管理員，以達到在無線傳感器網絡節點切實的發生故障前將潛在的故障排除，使網絡節點正常的運行提高網絡的魯棒性。
2.根據權利要求1所述的低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，其特徵在於:該系統設有一獨立於無線傳感器網絡節點的手持故障檢測模塊，該模塊接收用於顯示無線傳感器網絡節點的拓撲結構，便於定位故障節點的地理位置，以及通過讀取和顯示故障信息存儲模塊中的該節點故障信息，快速定位故障模塊和找到故障原因。
3.根據權利要求1所述的低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，其特徵在於:所述主電源供電模塊，通過主電源剩餘電量檢測模塊周期性檢測主電源所剩電量，以控制備用電源模塊的啟用與否。
4.根據權利要求1所述的低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，其特徵在於:在所述Sink節點上，針對射頻發射模塊設有定期主動輪詢網絡中節點的機制，若連續輪詢兩次某節點無應答則認為該節點的射頻發射模塊出現故障，並且通知網絡管理員攜帶手持故障檢測模塊通過讀取節點上的故障信息存儲模塊中的信息對故障原因進行準確定位以達到快速維修該故障節點，並且當射頻發射模塊出現故障後節點上有警告指示燈進行示警。
5.根據權利要求1所述的低能耗高效的無線傳感器網絡節點故障自檢測系統，其特徵在於:所述故障診斷晶片還周期性的自檢測節點上重要模塊的狀態信息，通過和預先設定的正常閾值相比較，將狀態信息分為嚴重故障狀態、警告狀態和正常狀態，對於嚴重故障狀態和警告狀態信息，結合實時時鐘晶片信息存儲至故障信息存儲模塊中，並通過射頻發射模塊將故障信息逐級上傳至Sink節點。
【文檔編號】H04W84/18GK103634832SQ201210308324
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月27日 優先權日:2012年8月27日
【發明者】劉天華, 衣思超, 王曉薇, 李尚鵬 申請人:瀋陽師範大學