智慧建筑中的低功耗WSN快速容错技术研究

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无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)技术的快速发展,使得其在智慧建筑中的监测应用越来越广泛,使用WSN在智慧建筑中进行监测时,传感器节点可能因为能量长时间消耗或物理损坏等原因失去原有效用,节点通信链路也可能会因为物体阻挡或数据碰撞堵塞等原因出现暂时或永久性的通信故障。因此研究网络能量低功耗与故障容错,是实现整个网络正常运行的关键问题。针对WSN内节点能量消耗过多问题,提出一种细粒度电源控制的低功耗管理方法,该方法将传统传感器系统睡眠、空闲和运行三种功率模式划分为五种状态,主要将睡眠模式分为深度睡眠(状态0)、中等空闲(状态1)和唤醒准备(状态2),空闲与工作模式状态不变,通过转换节点睡眠模式的工作状态调节功耗,在保证WSN正常运转前提下,大大降低了节点能源消耗,实现低功耗目标,仿真结果表明与传统方法相比节省了约74%的电量。针对WSN网络故障影响数据采集和传输稳定性问题,提出一种完备的分布式容错方案,按步骤分为初始化、故障诊断、故障分类和故障容错四个阶段。首先将网络初始化并进行簇集群设置;之后故障检测阶段使用Fletcher校验和与超时响应机制进行硬件与链路故障检测,使用具有显著概率值的MannWhitney U统计检验用于软件故障检测;随后利用高斯隶属函数将软件故障节点的测量值转换为不同故障类别的归属概率,并通过分类因子进行分类;最后在容错阶段,使用逐步回归分析,通过优化相邻传感器节点预测方程找到故障节点,得到预测数据,实现网络故障恢复。仿真结果表明该方法在检测精度、数据时延、网络功耗、容错率等方面具有较大优势。根据智慧建筑数据采集需求,对监测系统进行总体设计,采用CC2530节点开发芯片,设计终端节点与协调器节点工作程序,进行人机界面程序设计,最后构建WSN监测系统,进行传感器网络组网测试,并验证了本文低功耗与故障容错方案的有效性。综上所述,本论文研究了WSN中低功耗与容错问题,并进行实物测试。针对网络能耗高、使用寿命短以及网络故障导致网络失去原有监测功能分别提出了对应解决方案。通过实物测试和仿真结果分析,证明了本文解决方案在WSN低功耗与故障容错方面的有效性,延长了WSN生命周期,为服务智慧建筑打下了深厚基础。
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