冗余模块的自修复无线传感网络系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术公布了一种冗余模块的自修复无线传感网络系统及其实现方法，属自修复无线传感网络系统及其实现方法。本发明专利技术所述系统包括冗余模块、故障检测诊断模块、动态控制模块、故障检测信号线、故障诊断信号线和ｎ个节点工作模块，其中冗余模块包括ｎ个冗余节点工作模块，故障检测诊断模块由故障诊断电路串接微处理器组成，动态控制模块由控制模块和可编程门阵列组成，可编程门阵列包括ｎ个Ｉ／Ｏ模块、ｎ个冗余Ｉ／Ｏ模块和ｎ个开关Ｓ。本发明专利技术所述方法利用现场可编程阵列切换冗余模块进行冗余来实现节点失效自修复。本发明专利技术改善无线传感节点由于环境和能量消耗易出故障或失效的状况，维护良好的无线传感网络性能，延长网络使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自修复无线传感网络系统及其实现方法，尤其涉及一种冗余模块的自修复无线传感网络系统及其实现方法。
技术介绍
无线传感器网络是由大量自由分布的、具有计算和通信功能的传感器节点通过自组织方式协同通信以完成特定功能的智能网络系统，具有高可靠、易部署和可扩展等优点，是当前研究的重点方向之一。无线传感器一般被长时间部署在很广泛的地理区域内，在使用时存在以下安全隐患：1、网络易于受到地势地貌和气候条件等外部环境因素变化的影响，造成通信中断；2、由于节点本身能量有限、工作环境恶劣，有可能造成节点失效；3、传感节点通常部署在无人维护的环境当中，因而每个节点都是一个潜在的被攻击点，都能被攻击者进行物理和逻辑攻击；此外，由于应用任务的变化，用户可能赋予无线传感器系统新的功能需求。在很多应用环境中，对传感器系统的维护十分困难甚至不可维护，因此研究无线传感器网络的鲁棒性是其研究的一个重要方向。在已有的研究中，无线传感器节点的硬件都是固定的，除非将节点从传感器网络中移开并且重新设计节点的软硬件系统，否则节点在布置完毕后就再也不能改变其配置。在网络节点失效情况下，现有的节点无法进行自身硬件的重构和自修复，目前所采用的方法主要是舍弃该失效节点，这将带来不必要的浪费和网络覆盖范围的缩小。因此节点能自主地检测和修复故障至关重要。从1992年瑞士联邦工学院提出仿生硬件的概念以来，仿生自修复已经成为国内外的研究热点之一，国外主要在理论与应用基础方面取得了不少研究进展，国内主要集中在数字电路的编码方案、可进化门级、模拟电路原理等。而将仿生自修复用于无线传感网络系统的研究还是空白。无线传感器节点由于具有体积小、集成度高的特点，传统的容错与系统功能恢复方法(基于板级重构技术的故障检测、故障定位、硬件冗余)难以实现。而现场可编程阵列由于具有可重构特性，为设计新型容错系统、实现系统故障自修复提供了灵活的手段和平台。但对于高精度要求的无线传感网络节点，由于现场可编程阵列内部阵列单元精度相对较低，不能满足要求，须采用精度较高的硬件冗余模块，结合可编-->程阵列，利用可编程阵列集成度高的特点，减小传统开关切换所引起的误差和节点的体积，实现节点的动态重构和自修复。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种冗余模块的自修复无线传感网络系统及其实现方法。本专利技术冗余模块的自修复无线传感网络系统，包括冗余模块、故障检测诊断模块、动态控制模块、故障检测信号线、故障诊断信号线和n个节点工作模块，其中冗余模块包括n个冗余节点工作模块，故障检测诊断模块由故障诊断电路串接微处理器组成，动态控制模块由控制模块和可编程模拟阵列组成，可编程模拟阵列包括n个I/O模块、n个冗余I/O模块和n个开关S；n个节点工作模块的输出端分别通过故障检测信号线接故障诊断电路的输入端，故障诊断电路的输出端通过故障诊断信号线分别与n个节点工作模块电连接，微处理器的输出端接控制模块的输入端，控制模块的输出端接可编程模拟阵列的输入端，n个节点工作模块中：第一节点工作模块依次串接第一I/O模块、第一开关S1、第一冗余I/O模块和第一冗余节点工作模块，第二节点工作模块依次串接第一I/O模块、第二开关S2、第二冗余I/O模块和第二冗余节点工作模块，……第n节点工作模块依次串接第nI/O模块、第n开关Sn、第n冗余I/O模块和第n冗余节点工作模块，其中n为自然数。所述的冗余模块的自修复无线传感网络系统的实现方法，包括以下步骤：(1)将微处理器发出的测试信号依次经过故障诊断电路、故障诊断信号线分别输出至n个节点工作模块；(2)采用故障诊断电路通过故障检测信号线接收n个节点工作模块输出的测试信号，将测试信号经过故障诊断电路得到检测信号；(3)采用微处理器接收步骤(2)所述的检测信号并将上述检测信号与微处理器中存储的基准信号比较得到实际误差信号：当实际误差信号小于微处理器中存储的基准误差信号，则无异常返回步骤(1)；当实际误差信号大于微处理器中存储的基准误差信号，则有异常微处理器输出相应故障单元的自动修复信号，故障单元即发生故障的节点工作模块；(4)将步骤(3)所述的相应故障单元的自动修复信号经过控制模块得到切断信号；(5)采用可编程模拟阵列接收步骤(3)所述的切断信号：当第一节点工作模块发生故障，则可编程模拟阵列通过第一I/O模块切-->断第一节点工作模块与无线传感网络的连接并通过闭合第一开关S1将第一冗余节点工作模块接入无线传感网络；当第二节点工作模块发生故障，则可编程模拟阵列通过第二I/O模块切断第二节点工作模块与无线传感网络的连接并通过闭合第二开关S2将第二冗余节点工作模块接入无线传感网络；以此类推至：当第n节点工作模块发生故障，则可编程模拟阵列通过第nI/O模块切断第n节点工作模块与无线传感网络的连接并通过闭合第n开关Sn将第n冗余节点工作模块接入无线传感网络。随着嵌入式研究的不断发展，现场可编程阵列为解决动态重构问题提供了可选方案。现场可编程阵列内部提供了很多元件资源，比如放大器、滤波器、逻辑门、开关阵列等，各元件的取值及相互间的连接关系受配置数据控制，以实现用户所需的电路功能。现场可编程阵列具有集成度高、功耗低、配置方便等优点，应用越来越广泛。因此，采用现场可编程阵列实现无线传感网络节点动态重构非常方便。但对于高精度要求的无线传感网络节点，由于现场可编程阵列内部放大器、滤波器不能满足要求，有必要利用冗余模块，结合可编程阵列，实现节点的动态重构和自修复。本专利技术的优点是可对各种环境下的无线传感网络节点进行实时故障监测及仿生自修复：(1)提供了节点高效、稳定的故障监测和自修复方案，便于恶劣环境下的无线传感网络的重新配置；(2)节点自修复软件是事先植入节点存储器中的，做到了软硬集成，可自动提取故障，自动实现修复；(3)改善了节点遇到天气变化和环境影响而失效的状况，扩展了无线传感网络节点的使用范围，使其更适合实际工程应用。附图说明图1：常规无线传感网络节点工作模块的硬件模块图；图2：本专利技术整体结构图；图3：以无线传感网络节点传感采集模块为例时的仿生自修复运行流程图。具体实施方式如图1所示。常规无线传感网络节点的硬件模块主要模块包括传感器采集模块(由集成运放、滤波电路和A/D转换电路组成)，电源模块(由电池和电源管理电路组成)，数据处理模块以及通讯模块(由存储器和射频电路组成)。-->如图2所示。本专利技术冗余模块的自修复无线传感网络系统，包括冗余模块、故障检测诊断模块、动态控制模块、故障检测信号线、故障诊断信号线和n个节点工作模块，其中冗余模块包括n个冗余节点工作模块，故障检测诊断模块由故障诊断电路串接微处理器组成，动态控制模块由控制模块和可编程模拟阵列组成，可编程模拟阵列包括n个I/O模块、n个冗余I/O模块和n个开关S；n个节点工作模块的输出端分别通过故障检测信号线接故障诊断电路的输入端，故障诊断电路的输出端通过故障诊断信号线分别与n个节点工作模块电连接，微处理器的输出端接控制模块的输入端，控制模块的输出端接可编程模拟阵列的输入端，n个节点工作模块中：第一节点工作模块依次串接第一I/O模块、第一开关S1、第一冗余I/O模块和第一冗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冗余模块的自修复无线传感网络系统，其特征在于包括冗余模块、故障检测诊断模块、动态控制模块、故障检测信号线、故障诊断信号线和ｎ个节点工作模块，其中冗余模块包括ｎ个冗余节点工作模块，故障检测诊断模块由故障诊断电路串接微处理器组成，动态控制模块由控制模块和可编程门阵列组成，可编程门阵列包括ｎ个Ｉ／Ｏ模块、ｎ个冗余Ｉ／Ｏ模块和ｎ个开关Ｓ；ｎ个节点工作模块的输出端分别通过故障检测信号线接故障诊断电路的输入端，故障诊断电路的输出端通过故障诊断信号线分别与ｎ个节点工作模块电连接，微处理器的输出端接控制模块的输入端，控制模块的输出端接可编程门阵列的输入端，ｎ个节点工作模块中：第一节点工作模块依次串接第一Ｉ／Ｏ模块、第一开关Ｓ１、第一冗余Ｉ／Ｏ模块和第一冗余节点工作模块，第二节点工作模块依次串接第二Ｉ／Ｏ模块、第二开关Ｓ２、第二冗余Ｉ／Ｏ模块和第二冗余节点工作模块，……第ｎ节点工作模块依次串接第ｎＩ／Ｏ模块、第ｎ开关Ｓｎ、第ｎ冗余Ｉ／Ｏ模块和第ｎ冗余节点工作模块，其中ｎ为自然数。

【技术特征摘要】
1、一种冗余模块的自修复无线传感网络系统，其特征在于包括冗余模块、故障检测诊断模块、动态控制模块、故障检测信号线、故障诊断信号线和n个节点工作模块，其中冗余模块包括n个冗余节点工作模块，故障检测诊断模块由故障诊断电路串接微处理器组成，动态控制模块由控制模块和可编程门阵列组成，可编程门阵列包括n个I/O模块、n个冗余I/O模块和n个开关S；n个节点工作模块的输出端分别通过故障检测信号线接故障诊断电路的输入端，故障诊断电路的输出端通过故障诊断信号线分别与n个节点工作模块电连接，微处理器的输出端接控制模块的输入端，控制模块的输出端接可编程门阵列的输入端，n个节点工作模块中：第一节点工作模块依次串接第一I/O模块、第一开关S1、第一冗余I/O模块和第一冗余节点工作模块，第二节点工作模块依次串接第二I/O模块、第二开关S2、第二冗余I/O模块和第二冗余节点工作模块，……第n节点工作模块依次串接第n I/O模块、第n开关Sn、第n冗余I/O模块和第n冗余节点工作模块，其中n为自然数。2、一种基于权利要求1所述的冗余模块的自修复无线传感网络系统的实现方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将微处理器发出的测试信号依次经过故障诊断电路、故障诊断信号线分别输出至n个节点工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁慎芳，张英杰，杨伟伟，邱雷，陈拥军，吴键，李耀增，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]