基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)和挖掘方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)和挖掘方法，本發(fā)明的挖掘系統(tǒng)包括工控計算機、無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器和無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器與工控計算機網(wǎng)絡(luò)連接，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器位于無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中；本發(fā)明中的報文挖掘方法解決在分布式網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點間的復(fù)雜交互而產(chǎn)生的非頻繁發(fā)生的錯誤，這些錯誤難以定位。本發(fā)明利用改進的基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘方法找到報文序列中存在的問題序列，幫助找到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)調(diào)試中難以找到的錯誤。本發(fā)明對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議改進、調(diào)試都有很好的借鑒作用，具有廣泛的應(yīng)用價值。
【專利說明】基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)和挖掘方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)和挖掘方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著嵌入式計算技術(shù)、無線通信技術(shù)、微處理器技術(shù)和微傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和無線通信能力的微型傳感節(jié)點開始出現(xiàn)。由微型傳感節(jié)點以自組織方式組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注，這種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息或監(jiān)測外來目標(biāo)的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的結(jié)果，最終傳送至需要這些信息的用戶。
[0003]眾所周知，由于資源的限制，開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序不像開發(fā)PC應(yīng)用程序一樣方便；同樣的，調(diào)試無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序也有諸多困難。為了實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的調(diào)試功能，代碼級調(diào)試是現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中使用的比較普遍的方法，代碼級調(diào)試是指可以允許開發(fā)人員以語句或者代碼塊執(zhí)行程序并同時可觀察程序運行狀態(tài)的調(diào)試。現(xiàn)在國內(nèi)外也出現(xiàn)了許多的針對傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的代碼級調(diào)試工具，這些工具通過在運行狀態(tài)下提供更多可見性因素使得定位錯誤更容易，這在故障排除過程中提供了相當(dāng)大的便利作用。
[0004]不幸的是，對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說，應(yīng)用錯誤的產(chǎn)生往往不是由于單個點的編碼錯誤產(chǎn)生的，而是不同傳感器節(jié)點間的不正確的交互所造成的。造成這種類型的交互可能的原因包括:1.無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計缺陷(丟失了對一些邊界事件的處理，使得協(xié)議不能夠正確地處理這些事件)2.不可預(yù)見的人為的節(jié)點交互事件。同時，這些交互性的錯誤是不可重復(fù)性的，這是因為重復(fù)相同的實驗步驟不一定能夠進入相同的邊界條件。同時由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中Ad-hoc的多跳的工作結(jié)構(gòu)，外部很難觀察無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的交互和結(jié)構(gòu)，對于這樣的錯誤，代碼級調(diào)試下對于錯誤的定位及排除就顯的比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供了一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于，提供了一種基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘方法，通過這種方法，解決無線傳感網(wǎng)絡(luò)中在表面上看起來是各個獨立的傳感器節(jié)點間由于交互作用而產(chǎn)生的錯誤問題。
[0007]為了達到上述第一目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)，包括工控計算機、無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器以及無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器與工控計算機網(wǎng)絡(luò)連接，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器位于無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中；[0009]所述無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)包括多個無線傳感器節(jié)點，無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議來進行通信，無線傳感器節(jié)點接收來自網(wǎng)絡(luò)中其它傳感器節(jié)點的信息，并向網(wǎng)絡(luò)中其它傳感器節(jié)點發(fā)送返回信息及網(wǎng)絡(luò)信息；
[0010]無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器，用于監(jiān)聽無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的命令，并將監(jiān)聽到的命令信息傳遞給工控計算機；
[0011]工控計算機，用于接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器監(jiān)聽到的返回信息并對該返回信息進行分析處理。
[0012]優(yōu)選的，所述無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)使用的組網(wǎng)類型包括星型網(wǎng)絡(luò)、帶狀網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
[0013]優(yōu)選的，無線傳感器節(jié)點包括用于接收讀寫器發(fā)送的能量來完成內(nèi)部存儲信息的收發(fā)模塊、用于對應(yīng)信息數(shù)據(jù)的寫入和存儲的存儲模塊以及天線，收發(fā)模塊和存儲模塊信號連接。
[0014]優(yōu)選的，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器包括能夠監(jiān)聽無線信號的監(jiān)聽模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊，其通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器的監(jiān)聽范圍覆蓋整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。
[0015]為了達到上述第二目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0016]基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)的挖掘方法，包括下述步驟:
[0017](I)數(shù)據(jù)采集:無線傳感網(wǎng)絡(luò)由任意個無線傳感器節(jié)點組成，通過位于無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器收集各傳感器節(jié)點的通信信息并傳送給工控計算機；
[0018](2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:在進行報文挖掘前，首先對采集到的通信報文數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；
[0019](3)報文分析:對預(yù)處理后的報文數(shù)據(jù)通過候選序列產(chǎn)生、數(shù)據(jù)分段、頻繁序列產(chǎn)生、問題序列產(chǎn)生步驟得到問題序列的產(chǎn)生。
[0020]優(yōu)選的，步驟(2 )具體為:
[0021]2.1)刪除不需要的應(yīng)答報文和廣播報文，廣播報文為周期性報文，是某一節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點的信息的傳遞，其它節(jié)點收到時并不對其做出回應(yīng)，應(yīng)答報文和廣播報文不是報文序列的組成成分；
[0022]2.2)選取在同一網(wǎng)絡(luò)ID的報文，由于監(jiān)聽到的報文不止一個網(wǎng)絡(luò)ID，但在同一個網(wǎng)絡(luò)ID的通信報文，才是完整的各節(jié)點間的通信；
[0023]2.3)刪除冗余報文，在通信過程中，有可能存在節(jié)點重復(fù)發(fā)送同一條報文的現(xiàn)象，為此要刪除冗余報文，即將同步幀序列號值重復(fù)的報文刪除；
[0024]2.4)報文序列化，將各報文用特定的字母數(shù)字符號來表示，在以上兩步處理之后所得的數(shù)據(jù)為各節(jié)點間通信的數(shù)據(jù)型報文。
[0025]優(yōu)選的，步驟(3)具體為:
[0026]3.1)候選序列產(chǎn)生，采用基于序列模式的候選序列生成方式來生成候選序列；
[0027]3.2)數(shù)據(jù)分段，為了準(zhǔn)確找出所出現(xiàn)的報文序列，每一次候選項計數(shù)時，以每個候選序列的第一個元素對已經(jīng)序列化的報文進行分段；
[0028]3.3)頻繁序列的產(chǎn)生，在進行候選序列計數(shù)過程中，為了確保找到正確的序列，需要對找到的序列識別，刪除干擾序列，防止錯誤計數(shù)，對于每個小段中如果存在尋找的報文序列則查找的到的數(shù)量加1，即可得到候選序列c發(fā)生的次數(shù)σ &)，當(dāng)σ (c)大于設(shè)定的值m時，把其加入到頻繁序列中；
[0029]3.4)問題序列產(chǎn)生，在給每一項序列計數(shù)后，將計數(shù)所得值進行比較，以發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，對于一個k-Ι序列，可能被多個k序列包含，對于一 k-Ι子序列，頻繁項計數(shù)為σ(Ch)，包含此子序列的頻繁序列的計數(shù)，計數(shù)分別為O1 (ck)、o2 (Ck)...ση (ck)，將所有
包含該子序列的頻繁序列計數(shù)相加，得到
【權(quán)利要求】
1.基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)，其特征在于，包括工控計算機、無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器以及無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器與工控計算機網(wǎng)絡(luò)連接，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器位于無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中； 所述無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)包括多個無線傳感器節(jié)點，無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議來進行通信，無線傳感器節(jié)點接收來自網(wǎng)絡(luò)中其它傳感器節(jié)點的信息，并向網(wǎng)絡(luò)中其它傳感器節(jié)點發(fā)送返回信息及網(wǎng)絡(luò)信息； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器，用于監(jiān)聽無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的命令，并將監(jiān)聽到的命令信息傳遞給工控計算機； 工控計算機，用于接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器監(jiān)聽到的返回信息并對該返回信息進行分析處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)使用的組網(wǎng)類型包括星型網(wǎng)絡(luò)、帶狀網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、環(huán)形網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)，其特征在于，無線傳感器節(jié)點包括用于接收讀寫器發(fā)送的能量來完成內(nèi)部存儲信息的收發(fā)模塊、用于對應(yīng)信息數(shù)據(jù)的寫入和存儲的存儲模塊以及天線，收發(fā)模塊和存儲模塊信號連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器包括能夠監(jiān)聽無線信號的監(jiān)聽模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊，其通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)，無線傳感 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器的監(jiān)聽范圍覆蓋整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)的挖掘方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)數(shù)據(jù)采集:無線傳感網(wǎng)絡(luò)由任意個無線傳感器節(jié)點組成，通過位于無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽器收集各傳感器節(jié)點的通信信息并傳送給工控計算機； (2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:在進行報文挖掘前，首先對采集到的通信報文數(shù)據(jù)進行預(yù)處理； (3)報文分析:對預(yù)處理后的報文數(shù)據(jù)通過候選序列產(chǎn)生、數(shù)據(jù)分段、頻繁序列產(chǎn)生、問題序列產(chǎn)生步驟得到問題序列的產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)的挖掘方法，其特征在于，步驟(2)具體為: 2.1)刪除不需要的應(yīng)答報文和廣播報文，廣播報文為周期性報文，是某一節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點的信息的傳遞，其它節(jié)點收到時并不對其做出回應(yīng)，應(yīng)答報文和廣播報文不是報文序列的組成成分； 2.2)選取在同一網(wǎng)絡(luò)ID的報文，由于監(jiān)聽到的報文不止一個網(wǎng)絡(luò)ID，但在同一個網(wǎng)絡(luò)ID的通信報文，才是完整的各節(jié)點間的通信； 2.3)刪除冗余報文，在通信過程中，有可能存在節(jié)點重復(fù)發(fā)送同一條報文的現(xiàn)象，為此要刪除冗余報文，即將同步幀序列號值重復(fù)的報文刪除； 2.4)報文序列化，將各報文用特定的字母數(shù)字符號來表示，在以上兩步處理之后所得的數(shù)據(jù)為各節(jié)點間通信的數(shù)據(jù)型報文。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)的挖掘方法，其特征在于，步驟(3)具體為:.3.1)候選序列產(chǎn)生，采用基于序列模式的候選序列生成方式來生成候選序列； .3.2)數(shù)據(jù)分段，為了準(zhǔn)確找出所出現(xiàn)的報文序列，每一次候選項計數(shù)時，以每個候選序列的第一個元素對已經(jīng)序列化的報文進行分段； .3.3)頻繁序列的產(chǎn)生，在進行候選序列計數(shù)過程中，為了確保找到正確的序列，需要對找到的序列識別，刪除干擾序列，防止錯誤計數(shù)，對于每個小段中如果存在尋找的報文序列則查找的到的數(shù)量加1，即可得到候選序列c發(fā)生的次數(shù)σ (C)，當(dāng)σ (c)大于設(shè)定的值m時，把其加入到頻繁序列中； .3.4)問題序列產(chǎn)生，在給每一項序列計數(shù)后，將計數(shù)所得值進行比較，以發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象，對于一個k-Ι序列，可能被多個k序列包含，對于一 k-Ι子序列，頻繁項計數(shù)為σ ((V1),包含此子序列的頻繁序列的計數(shù)，計數(shù)分別為Oi (Ck)、O 2 (Ck)...0 n (Ck),將所有包含該子序列的頻繁序列計數(shù)相加，得到
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)的挖掘方法，其特征在于，無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽到的報文格式包括:報文長度、同步幀控制域、同步幀序列號、個域網(wǎng)標(biāo)志符、目標(biāo)地址、源地址、鏈路層報文說明、有效載荷、校驗位；整條的報文是通過特點的字母數(shù)字符號來表示，其最終結(jié)構(gòu)為:(gl, g2, g3, g4, el, elgl, g2, g3, g4, el, g2, g3，g4, gl, el, g2, g3, g4, gl, el, gl, g2, g3, g4…),其中g(shù), e分別代表不同類型的數(shù)據(jù)報文，1，2，3，4代表特定的不同節(jié)點間的通信，并得知報文有5種種類gl，g2, g3, g4, el，各種項集計數(shù)，找出可能的問題序列。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)的挖掘方法，其特征在于，候選序列產(chǎn)生方法如下:通過一對頻繁(k-Ι)-序列合并，產(chǎn)生候選k-序列，對于(k-Ι)-序列S(1)和S(2)，僅當(dāng)從S(1)中去掉第一個事件得到的子序列與從S(2)中去掉最后一個事件得到的子序列相同，結(jié)果候選是序列S(1)與S(2)的最后一個事件的連接，得到的結(jié)果候選序列中，如果候選k-序列的(k-Ι) -序列至少有一個是非頻繁的，那么這個候選k-序列將被移除。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線傳感網(wǎng)絡(luò)報文挖掘系統(tǒng)的挖掘方法，其特征在于，頻繁序列產(chǎn)生過程中，刪除干擾序列的方法如下: 在需要進行處理的報文序列S中，在以某單個數(shù)據(jù)單元將報文分成各片段后，在得到的某個片段中查找某候選序列時，讀取到的候選序列中的某個數(shù)據(jù)單元為下一個單獨報文序列中的元素，對此現(xiàn)象，判斷所獲取的序列在片段中的長度，設(shè)置一參數(shù)h，任一挖掘所得的序列長度不得超過h ，一旦超過h，則該序列被刪除。
【文檔編號】H04W24/04GK103716824SQ201310743725
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】肖金超, 曾鵬, 魏三喜 申請人:廣州中國科學(xué)院沈陽自動化研究所分所, 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所