面向機械振動監測的無線傳感器網絡結構*

湯寶平,, 賀 超, 曹小佳

(1重慶大學機械傳動國家重點實驗室 重慶,400030)

(2重慶交通科研設計院橋梁結構動力學國家重點實驗室 重慶,400067)

引 言

目前,一些較為成熟的基于有線連接的振動監測系統難以避免線纜布設復雜、成本高、可維護性差和系統靈活性差等缺點。面對這些問題,解決思路就是采用無線傳感器網絡[1]監測模式來構建無線機械振動監測系統,但是無線傳感器網絡技術發展還不成熟,各種軟、硬件條件限制了無線傳感器的應用范圍,在振動信號監測中僅能勝任一些振動頻率較低的測試要求(0～200 Hz)[2-3],對于頻率相對較高的機械振動監測(采樣頻率通常在 1 kHz～10 kHz)還有很多關鍵技術需要解決,首要解決的問題是如何保證大量監測數據連續可靠傳輸。

本文針對機械振動監測應用的特點,優化了無線傳感器網絡結構和傳輸機制,以無線傳感器網絡結構為突破點,在目前通用的無線傳感器網絡硬件平臺上實現機械振動監測。

1 多數據匯集點網絡結構設計

無線傳感器網絡是典型的多跳網絡,其拓撲結構是靈活多變的動態拓撲,網絡結構可以直接影響數據傳輸的效率。因此,設計網絡結構的核心任務是對其進行拓撲控制,這對于延長網絡的生存時間、減小通信干擾、提高媒體接入控制協議(media access control,簡稱M AC)和路由協議的效率等具有重要意義。

針對機械振動監測系統中網絡規模和振動采集的高性能要求,采用的組網方式通常結構簡練、魯棒性強,以樹狀定向網絡結構為主,該網絡的數據匯集點(基站節點)接受數據的速率有限,一定程度上影響網絡傳輸速率和組網節點的數量,同時其網絡的能量消耗不均衡,影響網絡生存的時間。因此,本文提出了多數據匯集點的網絡結構來解決上述問題。

1.1 網絡拓撲結構優化設計

基于無線傳感器網絡的機械振動監測系統中,所需要的組網節點數量較少,同時覆蓋面積較小,多數應用中無線傳輸距離較短(數十米以內),可以采用單跳的組網模式來完成數據采集任務。

圖1為單跳星形拓撲結構,其網絡結構簡單,在進行自組網時較為容易,網絡中不存在多跳,雖然節點至基站點的通信距離不等會造成各節點無線發射功率有所不同,但是相對來講節點能量消耗較為平均,數據包的網絡延遲較小。根據不同對象的測試需要,網內的各點分布并非均勻分布,加上測試環境射頻條件復雜,很難保證所有的節點都處在較好的無線收發環境中。同時基站接受速率有限,在采樣頻率較高的振動數據采集過程中,其節點數量N受到節點的數據包發送頻率和基站節點數據包接受頻率的限制,而且N的值與硬件的性能有直接關系,對于Micaz平臺通常N在十幾個節點左右可以保證數據低速傳輸的要求。

圖1 單跳星型拓撲結構

為了解決現場測試環境中射頻條件惡劣,增加數據傳輸的可靠性和布點的靈活性,機械振動測試主要采用的網絡結構為多跳樹狀定向組網模式,如圖 2所示,網絡在初始化時通過自拓撲建立網絡結構,每個節點根據射頻信號強度,選擇單跳或者多跳的方式定向向基站節點進行數據傳輸,這種方式避免了節點需要進行大功率發射信號的情況,不會由于距離過大或者射頻干擾較強導致能量過多的耗散,同時增加了數據傳輸的可靠性和測點布置的靈活性。但由于多跳會導致越靠近基站的節點轉發任務越重,MAC層信道沖突負擔較大,網絡的能量消耗不均衡,圖 2中 6號節點、7號節點和 10號節點都需要轉發較多節點發送的數據。同單跳型網絡結構一樣,其數據傳輸速率也受到基站節點的接受速率影響。

圖2 多跳樹狀定向拓撲結構

單跳星型網絡結構主要面臨的問題是網絡范圍較小,安裝傳感器節點受到一定的約束;而樹狀定向網絡結構中節點的能量消耗不均衡,靠近基站節點的傳感器節點往往轉發數據包的任務較重,在一定程度上影響了網絡的傳輸速率。基站節點和傳感器節點的無線收發性能相同,但是基站節點所要接受的數據來自所有網內節點,因此可以得出以下結果:基站節點即網絡的數據匯集點,接受數據包的速率對網絡數據傳輸的速度起著決定性的作用;多跳網絡增加了部署傳感器節點時的靈活性,可以避免節點由于距離原因或者射頻干擾較大而導致傳輸可靠性減低和能量消耗過大;減少傳感器節點到基站的跳數可以提高網絡傳輸性能。

根據以上分析,本文設計了具有多個基站節點的多數據匯集點網絡結構,如圖3所示。通過增加基站節點的數量可以減少每個基站的數據吞吐量,增加網絡的數據傳輸速率,提高每個節點的采樣頻率,以就近原則實現了圍繞基站節點的分組之后,明顯減少邊緣節點數據傳送的多跳次數,降低數據包丟失的概率和傳輸延遲,提高數據傳輸的可靠性,也減小中轉節點的傳輸負載,增加網絡能量耗散的平衡性,同時繼承了樹狀定向網絡結構的測點部署靈活性。

圖3 多數據匯集點網絡拓撲結構

1.2 網絡自組織方法

在多數據匯集點網絡結構中,網絡自組織的過程與樹狀定向網絡有些類似,多跳樹狀網絡結構的自組織方法較多,Blast[4]是一個較為成熟的方法,具有較強的數據傳輸可靠性。但是由于增加了基站節點,網內的數據擴散方向由一個變成了多個,這給組網過程增加了難度。多數據匯集點網絡的組網方式在 Blast原型基礎上進行改進,Blast主要由兩個組件構成:一個用于選擇父節點組件網絡,另一個用于數據的可靠傳輸,本文僅采用了其數據可靠傳輸組件。

在網絡自組織過程中通過以下原則完成網絡的自拓撲控制:由基站節點向網內廣播初始化網內節點,每個節點根據接受信號強度 (received signal strength indication,簡稱 RSSI)值選擇基站節點分組,并由 RSSI閾值決定節點是否進行單跳通信。RSSI閾值按經驗取值[5],不同組內的單跳節點分別進行廣播,接收到廣播信號的非單跳節點根據 RSSI選擇組號和父節點,以此類推,完成網絡的自組織。由于網絡的多個基站節點受到位置和射頻環境的影響,很可能造成網絡內分組不均衡,導致基站節點的通信負荷產生極大的差異,這就對基站節點的部署提出較高的要求。

2 多數據匯集點網絡傳輸實現

為了實現多數據匯集點網絡結構的傳輸機制,首先搭建基于無線傳感器網絡的機械振動監測試驗平臺,如圖4所示。無線傳感器網絡部分采用Crossbow公司的 Micaz無線傳感器節點和基站節點Mib520,Micaz節點工作在 2.4 GHz頻段,可以產生RSSI信號,并且以 Tinyos操作系統作為軟件平臺,有較多的組件接口程序支持,這使得開發過程變得靈活高效。采用Lance公司的LC0401型加速度傳感器和信號調理箱實現振動信號的獲取,利用 Micaz節點的自帶A/D實現振動信號的采集。在試驗平臺的具體構建過程中,主要工作是軟件設計和網絡傳輸實現。

圖4 多數據匯集點的機械振動監測試驗平臺

2.1 軟件實現

在軟件開發的過程中直接使用 Tinyos已有的協議棧組件,避免了物理層和 M AC層的重復性開發,開發的節點軟件主要為以下幾個模塊:a.根據本文提出的網絡結構進行組網的組件;b.對振動信號采集并進行數據存儲的組件;c.時間同步組件;d.以可靠傳輸為目的的數據包重傳組件;e.控制數據包發送的數據傳輸組件。

節點軟件的構架如圖 5所示,主要由兩部分組成:一個以數據采集及其相關處理的模塊完成對振動信號的數據采集,另一個將采集到的數據通過選定的網絡路徑傳輸到基站。

2.2 網絡傳輸技術實現

由于多數據匯集點網絡結構的傳輸協議棧主要是利用Tinyos操作系統中針對Micaz平臺的底層協議作為基礎,并以多數據匯集點網絡自組織策略為依據,完成對路由層和應用層協議的構建,從而形成較為完整的網絡協議。

圖5 節點軟件構架示意圖

標準的 Tinyos的物理層針對 Micaz的 CC2420芯片提供了全面的接口支持,利用 Tinyos提供的接口對組件操作,屏蔽了復雜繁瑣的底層編碼過程,簡便易用。Tinyos MAC協議是基于沖突檢測的M AC協議 B-MAC,它通過低能量監聽,相對較為節能并且協議簡潔,占用的硬件資源較少,在無線傳感器網絡振動信號采集系統中較為適用。路由協議設計的主要任務是根據多數據匯集點網絡結構所提出的網絡自組織方法形成節點數據包中的路由表。在網絡自組織過程中,基站初始化每個節點的編號,每個節點通過選擇基站分組和父節點號形成其路由表,從而確定了數據包的發送路徑。要實現網絡傳輸應用還需要考慮以下技術問題:直接影響數據傳輸速率的數據包長度、數據包的發送頻率確定及數據包的可靠傳輸機制的實現。

2.2.1 數據包參數

無線傳感器網絡節點硬件所支持的帶寬并不等于實際的數據傳輸速率,數據包所包含的不僅僅是采集獲取的振動數據,還有與網絡傳輸相關的數據頭。一般數據包的頭長度是確定的,顯然數據包的長度越長,其有效數據的傳輸效率越高,但是數據包的長度過長會導致發送時丟包的概率較大,同時由于數據包過長,在硬件性能一定的條件下,數據包的發送頻率會降低,也會導致有效數據發送的速度降低。

多數據匯集點網絡結構的數據傳輸速率是由基站節點的接收速率決定的,在單節點對基站發送數據包的條件下,經過試驗得到數據包的長度和數據包發送頻率的關系,如圖6(a)所示。隨著數據包容量的增加,節點處理發送數據包的速度會下降,由于每個數據包的內容長度和數據包發送頻率之積為數據的有效傳輸速率,圖 6(b)直觀地反映出數據包長度和有效傳輸速率的關系。為了獲取最高的有效數據傳輸速率,發現數據包長度在 65 Byte左右,有效數據的傳輸速率最高,可以達到 6.5 kByte左右,這也是基站接受數據能力的最大值。

2.2.2 可靠傳輸機制

無線傳感器網絡的可靠傳輸機制是無線傳感器網絡的一個研究熱點,形成了一些較為典型的可靠傳輸機制,例如:多段可靠性傳輸(reliable multisegment transport,簡稱 RMST)[6]、比率控制的可靠傳輸 (rate-controlled reliable transport,簡稱RCRT)[7]等,但這些方法并不適合機械振動監測系統使用。在比較了幾種較為常用的可靠傳輸機制后,針對機械振動監測系統組網規模較小、需要高速傳輸以及能耗較大等特點,在端到端可靠傳輸機制的基礎上添加了以傳輸路徑優先進行數據包恢復的機制。在監測到數據包丟失進行數據恢復時,考慮到有些節點傳輸路徑為多跳,不必再由源節點重新發送丟失的數據包,而是從轉發節點對此數據進行重發,該恢復機制相對效率較高且更加節能。

2.3 節點部署

以多數據匯集點網絡結構進行組網,基站節點的部署需要著重考慮。通常在振動信號的采集中,傳感器節點在安裝部署時較為固定,針對結構的振動測試要求,安裝點相對較為均勻,基站節點的數量與傳感器的采樣頻率成正比,按照本文的測試經驗,每個節點以 1 kHz的采樣頻率獲取數據時,需要保證在組網中每個基站組中不超過 4個節點,基站節點的部署需要盡量均勻地分布在網絡中或者網絡邊緣,保證組網時不會出現分組不均衡的現象。

3 性能評價

為了測試多數據匯集點網絡結構在無線傳感器網絡機械振動監測系統中的傳輸性能,采用圖 4所示的試驗平臺,部署了15個測點并配合4個基站節點對某摩托車車架振動信號進行測試,評估多數據匯集點網絡結構的傳輸性能,傳感器節點的采樣頻率設置為1 kHz。圖7為測試中節點的自組網拓撲圖。

圖7 實測節點拓撲結構

圖8 各節點數據包一次性發送成功率

在不使用數據可靠性傳輸機制時,無線傳感器網絡數據包發送成功率的統計數據如圖 8所示。可以看出,數據包一次性發送成功率比常規網絡結構高,均在90%以上。采用數據包可靠傳輸機制后,在整個數據采集過程中未發現數據包丟失的狀況,表明針對多數據匯集點網絡結構所實現的網絡傳輸機制可以滿足 1 kHz采樣得到的振動信號數據傳輸要求。

數據包的時間延遲概率統計分析如圖 9所示,發現數據包的時間延遲較低,最大數據包時間延遲為 10.13 ms,平均時間延遲為 6.35 ms,表現出了良好的實時性。

圖9 數據包時間延遲統計分析

由于機械設備現場的射頻環境復雜,本文采用的 Micaz節點工作在 2.4 GHz的無線發射頻段,通過與 Mica2節點(工作在 868 M Hz頻段)對比發現,同等環境下 Micaz節點的無線信號收發質量較高,而對于其他頻段的無線信號質量有待于進一步的研究。同時,節點能量限制因素對于現場應用影響較大。無線傳感器節點采用兩節普通的5號電池供電,節點的供電電壓小于2.7 V時會導致采樣誤差過大,因此在試驗過程中節點在連續采樣的工作條件下,平均在10～15 h之后,供電電壓會下降到2.7 V以下。在以后的系統開發中,可以通過數據壓縮[8]等一些技術手段延長監測時間。

4 結 論

本文提出了以多數據匯集點為特征的無線傳感器網絡組網方式,通過構建試驗平臺對某摩托車架的振動信號進行測試,試驗表明基于該網絡結構的無線傳感器網絡在通用硬件條件下的系統性能有所提高,多數據匯集點網絡結構在數據高速傳輸過程中表現出良好的性能。但是該系統僅能達到頻率相對較低的機械振動測試的基本要求,網絡的生存時間較短。

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