浅谈无线传感器在航空监测网络中的故障检测

2011-09-17周东晖

湖南邮电职业技术学院学报 2011年2期

周东晖

（湖南机场股份有限公司常德桃花源机场分公司，湖南常德 415000）

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络通过特定的分布式协议自组织起来形成网络，能够协作地实时监测、感知、采集和处理网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，使需要这些信息的用户能随时随地地获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统具有十分广阔的应用前景，可应用于军事国防、航空救援、城市管理、工农业控制、环境检测、生物医疗、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

随着无线传感器网络应用范围的进一步扩展，其常常被部署在极端环境中来收集外部环境的数据。但是，传感器节点尺寸小的特点限制了传感器节点的硬件，而在软件上就处理能力、存储量、电源和通讯吞吐量来说，传感器节点也有很大的局限性。其中电源的局限性是最大的，因为它通常无法充电。此外，大量的低价节点的应用也导致了故障的增多。而且，由于传感器常被用来监测外部环境，所以它还会常常受到一些自然现象的破坏，比如雨、火甚至是树木的倒塌等。因此，对无线传感器进行有效的故障管理，以克服其受制造工艺的限制，使用寿命以及工作条件的影响，维持高质量的服务，并尽可能地降低能源消耗就显得尤为重要。下面参照传统网络的故障管理[1]，将无线传感器网络的故障管理分为故障检测、故障诊断和故障恢复三阶段来分别加以说明。

1 无线传感器网络故障检测

故障管理是任何网络管理系统的重要组成部分，而故障检测对于故障管理，特别是安全和性能来说尤为重要。它是故障管理的第一阶段，网络系统要对意外故障进行正确的鉴定。而为了确定故障的存在，就需要收集与网络状态相关的数据。无线传感器网络故障检测方法按照故障检测的执行主体所处位置的不同可以分为两类：集中式方法[3]和分布式方法。

1.1 集中式方法

集中式方法是一种常见的用以鉴别或者定位无线传感器网络中问题节点或可疑节点的解决方法。通常，一个地理上或逻辑上集中的传感器节点负责监控和跟踪网络中的失败或表现不正常的节点。这个方法考虑到中央节点有无限资源（如能源），并能够执行范围广泛的故障管理维护，同时，复杂的管理工作和信息传输被转移到中心节点，从而可以延长网络使用寿命。中心节点通常采用一个主动探测模型通过定期向网络发送指令来检索网络的性能以及个别传感器节点的状态，然后通过分析这些获取到的信息状态来鉴别和发现网络中的问题和可疑节点。为了减少节点的信息传输量，节约能源，节点还可以选择性地发送重要事件到接受节点。另外，也可以使用一个简单的“分而治之”的策略来有效地追踪到故障节点。但是需要注意这种方法要求每个节点都要有一个单独的身份号码，而且基站要能够向网络中的任何一个节点传输信息。采用集中式网络管理，所有的网络设备都由一个管理者进行管理。当信息流量不大的时候，集中式网络管理简单且有效，在失效节点定位方面具有高效和准确的优点，所以它非常适用于小型的局域网络。但是资源有限的传感器网络不总是能定期地以集中的方式收集到所有传感器的数据和状态。所有的分析和计算任务都集中在中心节点站，当出现数据传输量过大时，就会造成网络管理的瓶颈而导致中心节点负载过重，以致引起网络堵塞情况的发生。由于其余节点的信息收集后都是发往中心节点，因此中心节点很有可能变成一个专门用于数据传输的节点，以满足故障检测和管理的需要。随之而来的问题就是中心节点所在的区域会有大量的流量往来，导致该区域的节点能量消耗急剧增加，越是靠近中心节点的越是如此。所以，这种方法在大规模的传感器网络中尤其低效和昂贵。此外，这种方法的多跳通信也会延迟基站对网络中错误的反应。而且，中心节点站一旦失效，整个网管系统就会崩溃，这样导致整个系统的可靠性偏低。因此，我们必须寻找一个本地化和更加计算有效的故障检测模式。

1.2 分布式方法

分布式方法就是支持局部决策，将故障管理平滑地分散到网络中去。其目的就是让一个传感器节点做出一定层次的决定。一个节点能够做出的决定越多，它需向中心节点发出的信息量就越少。从而减少通信量并且还能节省节点的能源。这种方法的基本理念就是传感器节点通过依赖于节点自身所包含的功能来达到自我监控和自我检测的目的，让节点针对出现的错误做出决定，而不用经常咨询中心管理者。文献[4]中介绍了一种节点自检测的方法，通过软件和硬件的接口检测物理节点的失效。硬件接口包含了几个用于检测节点方位和碰撞的电路。软件接口包含了几个用于采样传感器节点的读取行为的软件部件。由于故障的检测由节点本身完成，这种方法的优点就是不需要专门部署额外的软件或硬件节点用于故障检测。此外，一个（或几个）节点可以在汇总来自网络节点的决定后做出对错误检测的决定。在下图中我们可以看到一个典型的例子。一个融合节点在比较和汇合来自一套节点的数据之后检测出一个节点的不正常传感器读数。

邻居协作的方法也是一个分布式方法的例子。比如说，将传感器节点的读数与它邻近节点的读数相比较，就可以发现可疑的或是故障节点。节点在把故障信息发往中心节点之前将先获得的故障信息与邻居（一跳通信范围内）获得的故障信息进行比较。确认后再将故障信息发往管理节点。除了那些已经用邻居协作方式已经确定了的故障之外，中心节点对其网络中的任何失效信息是一无所知的。这样的设计减少了网络的通信信息量，从而保留了节点的能量。邻居协作的方法还可以被用来加强故障检测的准确性。节点不会在检测到一个故障后马上发出警告，它会先向邻居咨询来得到一个更加准确的决定。两阶段邻居协作方案就是这样的做法。在第一阶段，节点等待它的邻居更新与可疑节点相关的信息。在第二阶段它再次通过咨询邻居做出更加准确的决定。因此中心节点只需监控很少量的子传感器。这种方法要求网络是预先配置好的，每个传感器要有一个单独的身份号码，中心节点要知道每个传感器的存在和身份号码。此外还需要有特殊的软件组件来支持邻居协作。

另外一种分布式方法——基于分簇的方法。它是一种新兴的分配故障管理任务的技术。它创造了一个虚拟的通信构架将节点分组，将整个网络分成不同的簇。故障管理任务被分配到各个簇中进行。通常，一个簇中的领头节点使用集中的方式进行故障检测。它通过与小组成员交换信息来检测出可疑节点。簇头节点运用预先定义的故障检测规则来定位故障节点。当地检测到的故障信息也将通过一个网关节点被传递到网络中其他所有的簇。网关节点，在这种情况下，被认为是邻近两个不同簇的簇头。这种方法能使当地的各簇能了解整个网络的变化和管理目标。

综上所述，集中式方法和分布式方法各有利弊，针对不同应用类型的网络，应选取不同的方法，也可将这两种方法结合起来使用。下面就是一个吸收了这两种方法的例子，我们可以引进一个分层管理结构，将不同层次的管理任务分配给网络中的不同节点。这个方法不完全依赖中心管理者进行分析和决策。故障管理的本质对所有的节点是一样的，但是就执行范围（比如节点的数目）和程度（比如执行频率）而言是不同的。因此，中心管理者只需专注于整个网络的运转，不要求关注任何个体节点的状态。而个体小组的管理者须管理好其所在区域的节点。

2 无线传感器网络故障诊断

在检测阶段，检测到的故障由网络系统正确地识别并将其与别的不相干的或虚假的警报区分开来。故障检测的准确性与正确性已经被用大量的故障检测方法部分地实现。但是还没有能够区分无线传感器网络中的各种故障并且支持网络系统获得准确的故障诊断或故障恢复行为的全面描述或模式。现有的方法处理了来自各个节点的故障模式（包括节点硬件组成的功能失常）。

为了提高故障诊断的准确性和正确性，某些技术可以被应用于识别来自故障警报的可疑节点，比如使用知识共享。让网关节点通过与别的网关节点分享和交换他们的连接体验，来建造一个整体网络通信地图。如果没有任何一个网关收到来自某个网关节点的数据更新，那就清楚地表明这个网关节点由于传输障碍不能向别的节点传输任何的数据。为了提供足够的运行时间进行故障诊断，多份来自源节点的数据被通过不同的路径传输到汇点。此外，还可以根据无线传感器网络最大的特点——其能量的有限性，无线传感器网络的故障诊断方法设计也就必须关注能量效率，把能量问题放在首位，以确保整个网络长期有效的工作。由于传感器网络分布的特殊性，这就要求无线传感器网络更强调自组织、自维护地工作，并且故障诊断方法需要简单实用，更多的是注重诊断的最终结果而不是故障分析的过程。