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无线传感器网络故障检测研究

摘 要:针对无线传感器网络资源受限特点,研究了故障管理相关内容,比较说明故障检测的几种常见方法,对无线传感器网络应用具有一定指导意义。

关键词:无线传感器;资源受限;故障管理;故障检测

无线传感器网络是由大量低成本且具传感、数据处理和无线通信能力传感器节点通过自组织方式形成的网络。它独立于基站或移动路由器等基础通信设施,通过特定分布式协议组织起来形成网络。它能协作实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对象信息,并对信息进行处理,使需要信息用户在任何时间、地点和环境条件下获取大量详实可靠信息。

随着无线传感器网络应用范围扩展,常被部署在极端环境来收集外部环境数据。由于传感器节点电源、存储和计算能力有限,且应用环境恶劣,使得传感器节点比传统网络节点更易失效。因此,对无线传感器网络故障管理非常重要。

1.无线传感器网络故障管理。

当网络或系统出现故障时,网络故障管理便成管理员首选手段。因此,故障管理事实上是整个网络管理重中之重。但由于网络故障涉及不同厂商和类型设备,涉及复杂网络拓扑结构,涉及不同组织对故障类型的不同定位规则。

对用户来说,希望日常工作和生活中网络运营畅通,信息传输不受任何网络故障干扰。对网络管理者来说,他们希望在网络运营过程中,能很快得到故障发生原因。这些方面因素使对无线传感器网络故障管理研究在近年来发展缓慢。下面参照传统网络故障管理,将无线传感器网络故障管理分三阶段:故障检测、故障诊断和故障恢复来分别说明。

(1)故障检测。

为确定故障存在,需收集与网络状态相关数据。一般来说,网络发生故障后,网络设备将处于不正常状态。通过获取设备状态信息,可及时发现网络故障。收集网络状态信息有两种方法:设备向管理系统报告关键网络事件;由网络管理系统定期查询网络设备状态,即主动轮询。

一般网络管理系统将两种方法结合使用。当对网络组成部件状态进行检测后,简单故障通常被记录在错误日志中,不作特别处理。而严重故障则需通过网络管理器,即所谓“告警”。

网络设备一般都具感知异常情况能力,当设备发现自身或网络严重异常时,它采用告警方式报告给网管中心,因此,故障检测一般由网络中设备完成。

(2)故障诊断。

故障会在网络中传播,所有感知到故障的网络对象(包括物理和逻辑对象)都会发生告警,在大型网络中,一个故障可能会引起大量告警。故障诊断就是对网络设备发出告警进行处理,从众多告警中找到故障发生原因和故障节点。在网络故障诊断中,理想告警应包含有关故障五W 信息(Who 、What 、Where 、When 和why )。由于网络设备对自身以外网络情况了解有限,所以网络设备产生的大部分网络告警只回答了who 、what 和when ,而故障诊断要进行where 和why 推理。另外,告警噪声存在进一步增加故障诊断难度,告警噪声包含告警丢失、延迟、重复和虚假告警等。

(3)故障恢复。

故障恢复主要目的是根据识别的故障原因,自动或手动对网络进行控制操作,恢复网络正常运行。

2.无线传感器网络故障检测常见方法。

(1)集中式方法。

集中式方法是无线传感器网络中较常见方法,一般来说是物理或逻辑上处中心位置节点,负责对网络进行监控,追踪失败或可疑节点。由于中心节点负责事务较多,通常都让该节点不受能量限制,能执行大范围故障管理事务。中心节点通常采用周期性主动探测方式发布一些探测包,来获取节点状态信息,对所获信息进行分析,从而确定节点是否失效。

采用集中式网络管理,所有网络设备都由一个管理者进行管理。当信息流量不大时,集中式网络管理

简单且有效,在失效节点定位方面具高效和准确优点,所以非常适用小型局域网络。在集中式网络管理结构下,管理者作为“客户”要完成复杂网络管理任务,同时还须与多个作为“服务器”的代理交换信息。这种结构存在较大缺陷,主要表现为:

一是所有分析和计算任务都集中在中心节点站,造成网络管理瓶颈,中心节点负载过重。由于其余节点信息收集后都发往中心节点,中心节点很可能变成专门用于数据传输节点以满足故障检测和管理需要。随之而来的问题是中心节点所在区域会有大量流量往来,导致区域节点能量消耗急剧增加,越靠近中心节点越如此。二是中心节点站一旦失效,整个网管系统就崩溃了,导致整个系统可靠性偏低。三是集中式结构导致大量原始数据在网络上传输,带来大量额外通信量,占用大量通信带宽,导致网管系统工作效率降低。四是用于监测网络并收集数据代理是预先定义好且功能固定,一旦扩展新功能十分不便,造成系统可扩展性较差。五是远端节点与管理中心间距离较远,且传感器网络中采用多跳通信,两者间信息交互时延过长。

(2)分布式方法。

一是节点自检测。节点自检测依赖于节点自身所包含功能进行故障检测,并将检测结果发至管理节点。硬件接口包含几个灵活电路用于检测节点方位和碰撞。软件接口包含几个软件部件,用于采样传感器节点读取行为。由于故障检测由节点本身完成,这种方法优点是不需部署额外软件或硬件节点用于故障检测。二是邻居协作。顾名思义,邻居协作基本思想是节点发出故障告警前,将节点获得故障信息与邻居(一跳通信范围内)获得故障信息进行比较,得到确认情况下才将故障信息发往管理节点。大多数情况下,中心节点并不知道网络中任何失效信息,除非那些已用节点协作方式确认的故障。这样设计减少了网络通信信息,保留了节点能量。三是基于分簇。基于分簇将整个网络分成不同簇,将故障管理也分散到各自区域内。簇内采用散播方式定位失败节点,簇头节点与一跳范围内邻居以某种规则交换信息。通过分析收集到的信息,据预先定义的失败检测规则可最终确定失败节点。如发现一个故障节点,区域所在节点将会把信息传播给所有簇。

3.常见方法比较。

集中式与分布式方法各有优缺点,针对不同应用类型网络,应选取不同方法。考虑无线传感器网络本身能量有限特点,及故障检测一般目的,我们选取能量消耗、通信开销、故障检测率和虚警率这四个方面进行比较。

4.结束语。

无线传感器网络的应用已经十分广泛,而且,一般认为物联网的最底部一层即为无线传感器网络,因此对无线传感器网络的研究能很好地指导实践工作。本文对无线传感器网络故障检测的方法进行了分类描述分析,对于指导无线传感器网络故障研究工作具有一定的指导意义。

浅谈固定式可燃气体检测报警器的应用

摘要:在社会信息化进程曰益发展的今天, 信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域, 在建筑领域, 人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。这时候气体燃料的应用也越来越广泛。目前家用煤气, 液化器、天然气作为气体燃料, 已用与家庭旅馆, 深入人民的生活之中。气体燃料的应用和普及, 伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。众多周知由于CO 与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍, 因此, 当它进入人体血液循环系统后, 就会大量取代氧而与血红素结合, 抑制血液中氧气的释放, 从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO 中毒严重, 轻者于康复过程申可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍, 严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。所以怎样防止煤气申毒与爆炸已成为人们的需要。本文通过固定式可燃气体的检查功能概述、并通过影响报警器的注意要素的分析, 最后就固定式可燃气体检测报警器的应用得出自己的结论。

关键词:可燃气体 报警 半导体传感器 振荡器

一、固定式可燃气体检测报警器的概述

(一) 概述

可燃气体检泗报警器(以下简称仪器) 可对作业环境空气中可燃气体爆炸下限(简称LEL) 以室内浓度进行测定和报警。按使用方式, 仪器可分为便携式、可移动式和固定式三种。按工作原理仪器可分为催化燃烧型、电化学型和半导体型等几种。

固定式仪器一般由两部分组成, 即可燃气体检测器和可燃气体报警器。检测器安装于现场、可将可燃气体的浓度转化为电信号送人报警器, 由报警器显示可燃气体的浓度, 当环境空气中可燃气体的浓度达到或超过报警设定值时, 报警器立即发出报警信号, 以提醒人们及早采取安全措施, 防止发生火灾爆炸事故。该仪器是众多具有可燃气体的石化企业、油库、液化气站、加油站等场所为防火防爆而进行安全检测、报警的必备仪器, 对安全生产起到了保障作用尽管仪器的生产厂家众多、型号规格广、品种杂, 但其使用方法基本相同。

(二) 工作原理

可燃气体检测报警器主要用于监测可燃气体产生、使用、储存的室内外危险场所的泄漏情况, 它由探测器与报警仪表构成, 报警电路以气敏半导体传感器为主要组成部分, 气敏半导体传感器检测到可燃气体时通过电导率的改变来控制多谐振荡器及正反馈振荡器间歇工作, 探测器将感知信号并传输到报警仪表, 仪表即显示出可燃气体爆炸下限的百分比浓度值。当可燃气体浓度超过报警设定值时发出声光报警信号提示。值班人员采取安全措施, 避免燃爆事故的发生。

固定安装式检测报警器一经安装就位, 它的监测范围就己确定。当需要监测一个三维空间且规模较大的工业生产装置时, 仅有的少数几个监测点很难确保监测效果。因此, 对于布点的疏密程度、上下高度以及与可能泄漏点的距离等都要考虑。报警器的布点安装不仅涉及到投资的合理性和可接受程度, 还涉及到投资的切实效果和安全生产。

二、影响固定式可燃气体检测报警器的因素

(一) 工作环境对报警器的影响

对于家庭的检测器来说, 可燃气体浓度是在报警器检测出其周围环境超出原先设定好的报警参数时进行报警。由于家庭内部一般的环境不会达到, 甚至超过规定浓度的环境, 但安装报警器的位置一般安置在厨房等, 存在着高温、高热气体的位置之上。检测器周围的环境温度应符合检测器的使用温度。一般检测器的使用温度为20℃~40℃。因此厨房煮饭、炒菜的热气往往会让检测器的检测元件长时间受高温、高热气体的冲击, 而使检测元件损坏或者影响检测结果都将受到影响, 造成检测结果失准。

(二) 安装位置对检测报警器的影响

报警器安装位置的高低应视被测气体的密度而定, 被测气体密度小于空气密度时, 其检测器探头应安装在泄漏点的上方位置; 被测气体密度大于空气密度时, 其检测器探头应安装在泄漏点的下方位置, 以便当被测气体在扩展过程中, 一些浓度气体由于密度比空气密度大或小, 气体的扩散将会沉于空气下方或浮于空气上

方, 检测器无法检测出来, 影响检测报警。

特别应注意的是:1、室外检测器的安装位置不能过低, 否则容易造成“水泡”现象;2、室外检测器在安装时, 一定要让传感器的方向冲下, 否则当下雨的时候会使传感器进水, 导致传感器受损。

(三) 化合物对报警器的影响

由于在户外进行安装固定式可燃气体检测报警器, 安装过程中一些用户不注意安装位置附近是否会有化合物的出现, 例如:探测器位置位于露天之下, 容易受到雨水的侵蚀。特别是我国的一些城市由于工业化程度较高, 因此工厂、车间所排放的化合物进入雨水, 形成当地的酸雨。该酸雨渗透到报警器中, 将会使检测器灵敏度下降, 寿命缩短, 严重时还可使检测器元件失效、出错。在出现浓度超标时无法正常报警的严重事故。

(四) 设备维护不及时对报警器的影响

受温度、湿度等因素的影响, 检测报警器的零点漂移较严重。特别是在我国北方的冬天, 气温从零点漂到0以下发生可燃气体泄漏时, 会造成误判。泵吸式检测器的泵系统吸人物料堵塞或扩散式检测器的防尘网灰尘积聚时, 检测器的反应时间都将会滞后, 无法尽快地将已释放出来的气体浓度反映给操作人员。特别应注意的是, 当有大量可燃气体泄露时, 要及时切断电源, 以免造成大规模的人员伤亡事故。

(五) 检测介质对报警器的影响

当现场周围环境的气体种类过多时, 对检测器的要求也相应地增加, 若选择的检测器不符合现场环境, 不但检测器不能检测出现场周围释放出的气体浓度, 而且检测器容易发生故障, 造成损坏。

三、固定式可燃气体检测报警器的应用

可燃气体与空气均匀混合且达到一定浓度, 遇到火源就会发生爆炸。这种混合气称之为燈炸性混合气体。遇着火源能发生爆炸的可燃气体浓度(体积百分比) 范围, 称为爆炸浓度极限。例如:氢气的体积百分数为

4.74%。因此在使用检测报警器之前, 明确报警器的用途和应用方法将是报警器使用中重要的一环。

(一) 报警器可用于监测报警

由于固定式可燃气体报警器在家庭中会放置于易燃易爆气体当中, 因此对其检测其周围的空气进行检查气体中的含量, 及早发现泄漏, 并在泄漏时所产生的保护系统连动, 报警、激活排风扇、自动切断煤气、电源等自动保护措施, 都能够避免事故的发生, 进而可以让安全事故得到较好的保障。因此使用报警器用于检测空气环境则是固定式可燃气体检测报警器的重要作用。

(二) 报警器可用于寻找泄漏点

由于一些家庭的住宅面积较广, 煤气管道、热水管道拉放的位置也较长、且都埋于地面之下, 因此用户可以将固定式可燃气体报警器与计算机系统相连接。当煤气系统发生泄漏吋, 用户可以通过计算机系统的计算, 迅速的找到泄漏地点, 采取适当的堵漏措施。在有些情况下, 由于管线较长, 容器较多, 泄漏点较隐蔽, 而在有效制止泄漏之前, 一定要确定泄漏的地点。由于任何情况下, 任何气体或蒸汽都是从其源头扩散出来的, 离泄漏点越近, 气体的浓度越高。当完全扩散后, 浓度稀释为零。采用固定式的报警器可以通过复杂的计算公式获得大约的泄露地点, 方便于检修与维护煤气管道。报警器所具有的泄漏检测能力不仅可以快速找到危险源头, 而且可以节省很多时间和费用。

(三) 报警器可用于个人防护

当工作人员进入储藏危险物品的密闭空间、进人危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时, 应携带便携式可燃气体报警器检测危险气体或液体(蒸汽) 的浓度。工作人员在设备检修置换后应检测残留危险气体或液体嚥气), 特别是动火前检测更为重要。

基于无线传感器网络的有毒气体监测系统设计 [日期:2008-12-3 13:52:00] 作者:未知 来源:

1 引 言

在工业生产过程中有许多领域会涉及到有毒气体的Ⅸ域,国家、行业、企业从各个方面配置了各种类型的监测设备和仪器,为保护在该区域作业的工作人员的安全起到了重要作用,但固定的有线的监测设备仍是当今的主流

本文从另一方面利用无线传感器网络技术提出一种新的监测系统,即基于无线传感器网络的有毒气体监测系统,该系统充分考虑到有毒气体区域的特殊性和无线传感器网络的自身特点利用无线从传感器网络技术组建的监测网络,具有组网方便、安全、精确并能实现远程控制

无线传感器网络是一组传感器以Ad hoc方式构成的无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中的感知对象的信息,并发布给观察者其应用有着十分广阔的前景,在军事、国防、工农业生产、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域都有潜在的实用价值,被认为足对21世纪产生臣大影响的技术之一

2 系统设计

2.1 系统网络模型

无线传感器网络体系结构有对等式和层次分布式本体系采用层次分布式,如图1所示最低层为分布在监测区域的传感器节点,被分布后将以自组形式构建网络,传感器节点将所采集数据打包后传向簇头,簇头再将其传送至基站,基站与有线网络连接,将整个区域内采集的数据通过Internet 传向远程控制端供其集中处理

2.2 传感器节点设计

系统要求传感器节点内部要具备监测、存储、分析比较等功能传感器节点由数据采集模块、控制模块、无线通信模块和能源供给模块4部分组成,如图2所示

数据采集模块 由一组传感器和相应的AC /DC 转换装置组成,负责对监测区域的信息采集和相应的数据转换模块采可用红外气敏传感器,当红外辐射通过被测气体时,气体分子能够吸收光能,通过测量入射光和透射光的强度可以监测出相应气体的浓度

控制模块 负责存储和处理本传感器节点所采集的数据和其他节点发送来的数据存储当前节点所采集到的有毒气体浓度值,路由节点具备有转发功能,存储转发该信息

无线通信模块 负责与其他节点之间通信,通信系统应有信号的发送和接收功能,在多传感器系统中,在传送的信号中加入传感节点的编号,信号格式可以设计如下所示,簇头和基站的存储采用对列结构:

能量供应模块 负责为节点提供所需的电能对于无线传感器网络,能量问题是关键,各个层次要尽可能地降低能耗,尤其是控制模块和通信模块的各个环节目前人们提出的节能策略主要有休眠机制、数据融合、冲突避免与纠错以及多跳短距离通信等

2.3 传感器节点分布

系统采用分层结构,网络被划分为多个簇(Cluster),每个簇由一个簇头(Cluster head)和多个簇成员组成,这些簇头形成了高一级的网络簇头节点对簇内数据进行融合,负责簇间的数据转发和向基站转发,而簇成员只负责数据采集这样减少了网络中路由控制信息的数量,减少了网络流量,从而延长网络生存期簇头要么预先指定,要么由节点使用分簇算法自动选举产生当前的分簇算法主要有随机分簇算法和分布式分簇算法

2.4 传感器节点的路由

传感器网络路由协议主要有平面型路由协议、层次型路由协议和基于地理位置信息型路由协议,目前大多集中在低能耗协议的研究上本系统采用UC Berkely的Tin-yOS 中所采用的树型路由机制,其构建路由的思想是,每个节点维护一个相邻的节点的信息表,同时记录父节点的标识(ID),每个节点保存相邻节点的信号的强弱属性,从邻节点选择信号强且距离根节点最近的作为父节点,为保持路由稳定,父节点不轻易更换

3 软件设计

3.1 系统开发环境

系统开发环境为无线传感器网络,在无线传感器网络中,使用UC Berkely的TinyOs TinyOS 是一个专为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系统,他具有基于组件的特性,用最小代码快速来创新和实现TinyOS 的组件库包括了网络协议,分布式服务,传感器驱动和数据获取工具,用户可以根据自己特殊需要进行扩展TinyOS 的事件驱动执行模式

使得能耗管理更细密,允许动态性调度TinyOS 操作系统的应用结构如图3所示

3.2 开发语言

在TinyOS 上编写程序使用的语言为nesC(networkembedded systems C),nesC 为

应用于嵌入式系统的一种类C 语言,他支持基于组件的编程模式,引入了接口和组件的概念

3.3 仿真平台

TOSSIM(TinyOS mote simulator)是用于对采用TinyOS 的Motes 进行bit 级仿真的工具TOSSIM 将TinyOS 环境下的nesC 代码直接编译为可在PC 环境下运行的可执行文件,提供了不用将程序下载的真实的Mote 节点上就可以对程序进行测试的一个平台TOSSIM 还提供了用于显示仿真情况的用户界面TinyViz .

3.4 节点模块程序流程

传感器节点部署到监测区域后,要进行初始化,设置相应初始值,然后等待基站发送监测命令,如果接到命令就开始计时,在规定时间内测定其所在位置的时间段气体浓度值,如果超时,就继续等待下一轮命令当测试完毕,就对相关数据转换打包上传,如果没有接到基站确认数据,即发送不成功,就再次将存储的采集到的数据包上传节点模块的程序流程如图4所示

4 结 语

本文利用无线传感器网络技术,构建了一个基于无线传感器网络有毒气体监测系统,能够完成特殊区域——有毒气体区域的数据采集、分析和处理,具有组网方便、使用安全等优点,为相关行业的有毒气体监测提供技术支持


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