基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法，其先采用最小簇均匀分簇算法对整个无线传感器网络进行均匀分簇，使每个簇中的簇成员节点个数都相同，且分簇之后的簇头个数最少，每个簇的簇头通过广播的方式告知簇成员节点提交感知数据，簇成员节点接收到广播消息后将自身感知数据发送给簇头，再采用故障检测算法，簇头对自身感知数据以及接收到的感知数据进行分析计算，得到簇内所有节点的状态信息，并进行存储，最后规划最短路径，利用移动充电传感器按照最短路径移动，以对每个簇的簇头进行充电并将簇头所存储的状态信息反馈到基站。

【技术实现步骤摘要】
基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法
本专利技术涉及无线传感器
，尤其涉及一种基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法。
技术介绍
一个无线传感器节点主要由传感器模块、CPU模块、无线通信模块和电源模块4部分组成，其中，传感器模块主要用来感知数据，CPU模块的作用是处理、计算数据，无线通信模块保证传感器节点与其他传感器节点进行通信，电源模块携带有限的能量为传感器节点提供能量。若干个无线传感器节点随机地部署在待检测的特定区域内，节点间以自组织的形式连接形成无线传感器网络。无线传感器网络可看作一个无向图G(v,e)，其中G(v)为所有的传感器节点的集合，G(e)是网络中边的集合。若eij∈G(e)，则表明节点i,j之间可以相互通信。在无线传感器网络中，若eij∈G(e)，则eji∈G(e)。节点间能否相互通信取决于节点间的欧几里得距离。假设传感器节点i,j在监测区域的位置坐标分别为(xi,yi)，(xj,yj)，节点i,j之间的欧几里得距离为当dij小于或等于传感器节点的传输半径R时，则有eij∈G(e)。传感器节点每经过Δt时间进行一次数据采集，并将数据存储到自身的内存中。假设每个传感器节点可存储l个感知数据，在t时刻，传感器节点i存储的数据为当无线传感器网络中故障率较高时，现有的故障检测算法虽然能够一定程度的故障诊断精度，但在无线传感器网络中，传感器节点的电池寿命很大程度上决定了无线传感器网络的生存周期。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种设计合理，结构简单，故障诊断精确度高，能量消耗少的基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法，其先采用最小簇均匀分簇算法对整个无线传感器网络进行均匀分簇，使每个簇中的簇成员节点个数都相同，且分簇之后的簇头个数最少，每个簇的簇头通过广播的方式告知簇成员节点提交感知数据，簇成员节点接收到广播消息后将自身感知数据发送给簇头，再采用故障检测算法，簇头对自身感知数据以及接收到的感知数据进行分析计算，得到簇内所有节点的状态信息，并进行存储，最后规划最短路径，利用移动充电传感器按照最短路径移动，以对每个簇的簇头进行充电并将簇头所存储的状态信息反馈到基站。作为优选，所述最小簇均匀分簇算法的步骤如下：A1)假设无线传感器网络中有n个传感器节点，构成集合X＝{x1,x2,...,xn}，并假设无线传感器网络中的平均节点度为d；A2)计算每个节点的d个邻居节点加入该节点的邻居集合S中，得到由n个传感器节点的邻居集合所构成的候选簇头集合N＝{S1,S2,...,Sn}；A3)采用大步贪心算法从候选簇头集合N＝{S1,S2,...,Sn}中找到个数最少的最小簇集合C＝{St1,St2,...,Sth}，其中th≤n，且满足得到作为优选，所述故障检测算法的步骤如下：B1)假设簇中的每个节点都可以存储l个时刻的感知数据，并且每个节点在收到簇头提交感知数据的广播之后都将l个历史数据发送给簇头；B2)设定需判定状态的节点i的l个历史数据为簇头计算节点i的l个历史数据的均值Ei与方差S2，并设定均值阈值为θ1，方差阈值为θ2，计算公式如下：若方差S2＝0，则判定节点i的状态为故障，记做Ti＝1，否则再判断是否满足Ei≤θ1且S2≤θ2，若是，则判定节点i的状态为正常，记做Ti＝0，若否，则判定节点i的状态为可能故障，记做PTi＝1；B3)簇头检测步骤B2)中是否有状态判定为正常的节点i，若是，则执行步骤B4)，若否，则执行步骤B5)；B4)簇头将正常节点i的状态通过基于距离加权的节点相似性进行扩散至簇内其它节点j，并计算传感器节点间的相似性ES，设定阈值为θ3，计算公式如下：其中，dij为节点i,j之间的欧几里得距离；若ES＜θ3，表明节点j与节点i数据相似，则判定节点j的状态为正常，否则判定节点j的状态为故障；B5)重复步骤B2)，簇头逐个计算簇内其余节点的均值和方差以判定其状态，若簇头计算完簇内所有节点的均值和方差后，都未能检测到有状态判定为正常的节点，则执行步骤B6)；B6)簇头通过计算簇内所有节点的相似性来构建一颗二叉树，并利用多数投票原则来判定簇内所有节点状态。作为优选，步骤B6)中构建二叉树的方法为：假设簇头为节点i，簇成员分别为节点j,k,l,…，簇头节点i先将节点j的感知数据与自身感知数据根据公式(6)进行比较，若满足相似性ES≤θ3，则将节点j作为自己的右子节点加入到二叉树中，否则将节点j作为自己的左子节点加入到二叉树中；假设节点j与节点i相似，则将节点j放右边作为节点i的第一个右子节点，之后判断节点k，假设节点k与节点i不相似，则放左边作为节点i的第一个左子节点，然后判断节点l，假设节点l与节点i不相似，则进一步判断节点l与节点j是否相似，若不相似，则放在节点j的左边，若相似，则放在节点j的右边，按照上述方法依次计算簇成员节点，直到将簇内所有节点都加入到二叉树中。作为优选，步骤B6)中利用多数投票原则来判定簇内所有节点状态的方法为：假设二叉树的右分支中节点个数最多为NS(NS≤n)，并假设每个簇的簇成员节点个数为d+1个，若满足则判定NS个节点状态均为正常，且判定簇内其他d+1-NS个节点状态为故障，若则判定簇内所有节点状态均为故障。作为优选，步骤B6)中利用多数投票原则来判定簇内所有节点状态的方法为：簇头计算簇内所有节点之间的相似性，若存在一个节点的数据满足簇内超过一半的节点与之相似，则判定该节点的状态为正常，然后利用节点间的空间相似性将该节点的正常状态在未检测的节点间进行扩散，以判断出簇内其它节点的状态，若不存在，则说明簇内所有节点的状态均为故障。作为优选，所述规划最短路径的方法为：设定目标函数：满足如下约束条件：其中，cij表示从簇头节点i到簇头节点j的花费(例如，所需耗费的能量或者时间)，eijt＝1表示在t时刻，移动充电传感器从簇头节点i移动到簇头节点j，eijt＝0表示移动充电传感器在t时刻不经过边eij，约束条件(8)表示每个簇头只能遍历一次，约束条件(9)表示在t时刻，移动充电传感器只能从当前所在的簇头到达下一个簇头，约束条件(10)表示每个簇头都被遍历且移动充电传感器在t时刻到达簇头节点i，约束条件(11)表示每个簇头都被遍历且移动充电传感器在t+1时刻离开簇头节点i。本专利技术采用以上技术方案，首先对检测区域内的所有无线传感器节点进行固定分簇，将整个检测区域分成多个子区域，在每个子区域内进行集中式故障检测。与传统的分布式故障检测算法相比，本专利技术传感器节点的故障检测仅由簇头完成，且簇成员节点只需与簇头进行一次信息交换即可。与基于分簇的故障检测算法相比，本专利技术算法无需在检测之后对所有传感器节点进行再次分簇，从而减少了节点间能量的消耗和通信代价。同时，使用移动充电传感器对簇头进行能量补充的同时收集簇内成员节点的诊断状态发送到基站，使簇头能量充足，有效地延长了无线传感器网络的寿命。此外，本专利技术算法在对节点进行故障诊断时，将节点自身感知数据与邻居节点之间的相似性相结合，从而判断出节点的状态。与传统的分簇式故障诊断算法相比，在节点故障率较高时，本专利技术算法仍有很好的故障诊断本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法，其特征在于：其先采用最小簇均匀分簇算法对整个无线传感器网络进行均匀分簇，使每个簇中的簇成员节点个数都相同，且分簇之后的簇头个数最少，每个簇的簇头通过广播的方式告知簇成员节点提交感知数据，簇成员节点接收到广播消息后将自身感知数据发送给簇头，再采用故障检测算法，簇头对自身感知数据以及接收到的感知数据进行分析计算，得到簇内所有节点的状态信息，并进行存储，最后规划最短路径，利用移动充电传感器按照最短路径移动，以对每个簇的簇头进行充电并将簇头所存储的状态信息反馈到基站。

【技术特征摘要】
1.基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法，其特征在于：其先采用最小簇均匀分簇算法对整个无线传感器网络进行均匀分簇，使每个簇中的簇成员节点个数都相同，且分簇之后的簇头个数最少，每个簇的簇头通过广播的方式告知簇成员节点提交感知数据，簇成员节点接收到广播消息后将自身感知数据发送给簇头，再采用故障检测算法，簇头对自身感知数据以及接收到的感知数据进行分析计算，得到簇内所有节点的状态信息，并进行存储，最后规划最短路径，利用移动充电传感器按照最短路径移动，以对每个簇的簇头进行充电并将簇头所存储的状态信息反馈到基站。2.根据权利要求1所述的基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法，其特征在于：所述最小簇均匀分簇算法的步骤如下：A1)假设无线传感器网络中有n个传感器节点，构成集合X＝{x1,x2,...,xn}，并假设无线传感器网络中的平均节点度为d；A2)计算每个节点的d个邻居节点加入该节点的邻居集合S中，得到由n个传感器节点的邻居集合所构成的候选簇头集合N＝{S1,S2,...,Sn}；A3)采用大步贪心算法从候选簇头集合N＝{S1,S2,...,Sn}中找到个数最少的最小簇集合C＝{St1,St2,...,Sth}，其中th≤n，且满足得到3.根据权利要求1所述的基于移动充电传感器的无线传感器故障检测方法，其特征在于：所述故障检测算法的步骤如下：B1)假设簇中的每个节点都可以存储l个时刻的感知数据，并且每个节点在收到簇头提交感知数据的广播之后都将l个历史数据发送给簇头；B2)设定需判定状态的节点i的l个历史数据为簇头计算节点i的l个历史数据的均值Ei与方差S2，并设定均值阈值为θ1，方差阈值为θ2，计算公式如下：若方差S2＝0，则判定节点i的状态为故障，记做Ti＝1，否则再判断是否满足Ei≤θ1且S2≤θ2，若是，则判定节点i的状态为正常，记做Ti＝0，若否，则判定节点i的状态为可能故障，记做PTi＝1；B3)簇头检测步骤B2)中是否有状态判定为正常的节点i，若是，则执行步骤B4)，若否，则执行步骤B5)；B4)簇头将正常节点i的状态通过基于距离加权的节点相似性进行扩散至簇内其它节点j，并计算传感器节点间的相似性ES，设定阈值为θ3，计算公式如下：其中，dij为节点i,j之间的欧几里得距离；若ES＜θ3，表明节点j与节点i数据相似，则判定节点j的状态为正常，否则判定节点j的状态为故障；B5)重复步骤B2)，簇头逐个计算簇内其余节点的均值和方差以判定其状态，若簇头计算完簇内所有节点的均值和方差后，都未能检测到有状态判...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志德，马梦莹，龚平，郑金花，许力，黄欣沂，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：福建,35