面向机械振动监测的无线传感器网络结构*

汤宝平,, 贺 超, 曹小佳

(1重庆大学机械传动国家重点实验室 重庆,400030)

(2重庆交通科研设计院桥梁结构动力学国家重点实验室 重庆,400067)

引 言

目前,一些较为成熟的基于有线连接的振动监测系统难以避免线缆布设复杂、成本高、可维护性差和系统灵活性差等缺点。面对这些问题,解决思路就是采用无线传感器网络[1]监测模式来构建无线机械振动监测系统,但是无线传感器网络技术发展还不成熟,各种软、硬件条件限制了无线传感器的应用范围,在振动信号监测中仅能胜任一些振动频率较低的测试要求(0～200 Hz)[2-3],对于频率相对较高的机械振动监测(采样频率通常在 1 kHz～10 kHz)还有很多关键技术需要解决,首要解决的问题是如何保证大量监测数据连续可靠传输。

本文针对机械振动监测应用的特点,优化了无线传感器网络结构和传输机制,以无线传感器网络结构为突破点,在目前通用的无线传感器网络硬件平台上实现机械振动监测。

1 多数据汇集点网络结构设计

无线传感器网络是典型的多跳网络,其拓扑结构是灵活多变的动态拓扑,网络结构可以直接影响数据传输的效率。因此,设计网络结构的核心任务是对其进行拓扑控制,这对于延长网络的生存时间、减小通信干扰、提高媒体接入控制协议(media access control,简称M AC)和路由协议的效率等具有重要意义。

针对机械振动监测系统中网络规模和振动采集的高性能要求,采用的组网方式通常结构简练、鲁棒性强,以树状定向网络结构为主,该网络的数据汇集点(基站节点)接受数据的速率有限,一定程度上影响网络传输速率和组网节点的数量,同时其网络的能量消耗不均衡,影响网络生存的时间。因此,本文提出了多数据汇集点的网络结构来解决上述问题。

1.1 网络拓扑结构优化设计

基于无线传感器网络的机械振动监测系统中,所需要的组网节点数量较少,同时覆盖面积较小,多数应用中无线传输距离较短(数十米以内),可以采用单跳的组网模式来完成数据采集任务。

图1为单跳星形拓扑结构,其网络结构简单,在进行自组网时较为容易,网络中不存在多跳,虽然节点至基站点的通信距离不等会造成各节点无线发射功率有所不同,但是相对来讲节点能量消耗较为平均,数据包的网络延迟较小。根据不同对象的测试需要,网内的各点分布并非均匀分布,加上测试环境射频条件复杂,很难保证所有的节点都处在较好的无线收发环境中。同时基站接受速率有限,在采样频率较高的振动数据采集过程中,其节点数量N受到节点的数据包发送频率和基站节点数据包接受频率的限制,而且N的值与硬件的性能有直接关系,对于Micaz平台通常N在十几个节点左右可以保证数据低速传输的要求。

图1 单跳星型拓扑结构

为了解决现场测试环境中射频条件恶劣,增加数据传输的可靠性和布点的灵活性,机械振动测试主要采用的网络结构为多跳树状定向组网模式,如图 2所示,网络在初始化时通过自拓扑建立网络结构,每个节点根据射频信号强度,选择单跳或者多跳的方式定向向基站节点进行数据传输,这种方式避免了节点需要进行大功率发射信号的情况,不会由于距离过大或者射频干扰较强导致能量过多的耗散,同时增加了数据传输的可靠性和测点布置的灵活性。但由于多跳会导致越靠近基站的节点转发任务越重,MAC层信道冲突负担较大,网络的能量消耗不均衡,图 2中 6号节点、7号节点和 10号节点都需要转发较多节点发送的数据。同单跳型网络结构一样,其数据传输速率也受到基站节点的接受速率影响。

图2 多跳树状定向拓扑结构

单跳星型网络结构主要面临的问题是网络范围较小,安装传感器节点受到一定的约束;而树状定向网络结构中节点的能量消耗不均衡,靠近基站节点的传感器节点往往转发数据包的任务较重,在一定程度上影响了网络的传输速率。基站节点和传感器节点的无线收发性能相同,但是基站节点所要接受的数据来自所有网内节点,因此可以得出以下结果:基站节点即网络的数据汇集点,接受数据包的速率对网络数据传输的速度起着决定性的作用;多跳网络增加了部署传感器节点时的灵活性,可以避免节点由于距离原因或者射频干扰较大而导致传输可靠性减低和能量消耗过大;减少传感器节点到基站的跳数可以提高网络传输性能。

根据以上分析,本文设计了具有多个基站节点的多数据汇集点网络结构,如图3所示。通过增加基站节点的数量可以减少每个基站的数据吞吐量,增加网络的数据传输速率,提高每个节点的采样频率,以就近原则实现了围绕基站节点的分组之后,明显减少边缘节点数据传送的多跳次数,降低数据包丢失的概率和传输延迟,提高数据传输的可靠性,也减小中转节点的传输负载,增加网络能量耗散的平衡性,同时继承了树状定向网络结构的测点部署灵活性。

图3 多数据汇集点网络拓扑结构

1.2 网络自组织方法

在多数据汇集点网络结构中,网络自组织的过程与树状定向网络有些类似,多跳树状网络结构的自组织方法较多,Blast[4]是一个较为成熟的方法,具有较强的数据传输可靠性。但是由于增加了基站节点,网内的数据扩散方向由一个变成了多个,这给组网过程增加了难度。多数据汇集点网络的组网方式在 Blast原型基础上进行改进,Blast主要由两个组件构成:一个用于选择父节点组件网络,另一个用于数据的可靠传输,本文仅采用了其数据可靠传输组件。

在网络自组织过程中通过以下原则完成网络的自拓扑控制:由基站节点向网内广播初始化网内节点,每个节点根据接受信号强度 (received signal strength indication,简称 RSSI)值选择基站节点分组,并由 RSSI阈值决定节点是否进行单跳通信。RSSI阈值按经验取值[5],不同组内的单跳节点分别进行广播,接收到广播信号的非单跳节点根据 RSSI选择组号和父节点,以此类推,完成网络的自组织。由于网络的多个基站节点受到位置和射频环境的影响,很可能造成网络内分组不均衡,导致基站节点的通信负荷产生极大的差异,这就对基站节点的部署提出较高的要求。

2 多数据汇集点网络传输实现

为了实现多数据汇集点网络结构的传输机制,首先搭建基于无线传感器网络的机械振动监测试验平台,如图4所示。无线传感器网络部分采用Crossbow公司的 Micaz无线传感器节点和基站节点Mib520,Micaz节点工作在 2.4 GHz频段,可以产生RSSI信号,并且以 Tinyos操作系统作为软件平台,有较多的组件接口程序支持,这使得开发过程变得灵活高效。采用Lance公司的LC0401型加速度传感器和信号调理箱实现振动信号的获取,利用 Micaz节点的自带A/D实现振动信号的采集。在试验平台的具体构建过程中,主要工作是软件设计和网络传输实现。

图4 多数据汇集点的机械振动监测试验平台

2.1 软件实现

在软件开发的过程中直接使用 Tinyos已有的协议栈组件,避免了物理层和 M AC层的重复性开发,开发的节点软件主要为以下几个模块:a.根据本文提出的网络结构进行组网的组件;b.对振动信号采集并进行数据存储的组件;c.时间同步组件;d.以可靠传输为目的的数据包重传组件;e.控制数据包发送的数据传输组件。

节点软件的构架如图 5所示,主要由两部分组成:一个以数据采集及其相关处理的模块完成对振动信号的数据采集,另一个将采集到的数据通过选定的网络路径传输到基站。

2.2 网络传输技术实现

由于多数据汇集点网络结构的传输协议栈主要是利用Tinyos操作系统中针对Micaz平台的底层协议作为基础,并以多数据汇集点网络自组织策略为依据,完成对路由层和应用层协议的构建,从而形成较为完整的网络协议。

图5 节点软件构架示意图

标准的 Tinyos的物理层针对 Micaz的 CC2420芯片提供了全面的接口支持,利用 Tinyos提供的接口对组件操作,屏蔽了复杂繁琐的底层编码过程,简便易用。Tinyos MAC协议是基于冲突检测的M AC协议 B-MAC,它通过低能量监听,相对较为节能并且协议简洁,占用的硬件资源较少,在无线传感器网络振动信号采集系统中较为适用。路由协议设计的主要任务是根据多数据汇集点网络结构所提出的网络自组织方法形成节点数据包中的路由表。在网络自组织过程中,基站初始化每个节点的编号,每个节点通过选择基站分组和父节点号形成其路由表,从而确定了数据包的发送路径。要实现网络传输应用还需要考虑以下技术问题:直接影响数据传输速率的数据包长度、数据包的发送频率确定及数据包的可靠传输机制的实现。

2.2.1 数据包参数

无线传感器网络节点硬件所支持的带宽并不等于实际的数据传输速率,数据包所包含的不仅仅是采集获取的振动数据,还有与网络传输相关的数据头。一般数据包的头长度是确定的,显然数据包的长度越长,其有效数据的传输效率越高,但是数据包的长度过长会导致发送时丢包的概率较大,同时由于数据包过长,在硬件性能一定的条件下,数据包的发送频率会降低,也会导致有效数据发送的速度降低。

多数据汇集点网络结构的数据传输速率是由基站节点的接收速率决定的,在单节点对基站发送数据包的条件下,经过试验得到数据包的长度和数据包发送频率的关系,如图6(a)所示。随着数据包容量的增加,节点处理发送数据包的速度会下降,由于每个数据包的内容长度和数据包发送频率之积为数据的有效传输速率,图 6(b)直观地反映出数据包长度和有效传输速率的关系。为了获取最高的有效数据传输速率,发现数据包长度在 65 Byte左右,有效数据的传输速率最高,可以达到 6.5 kByte左右,这也是基站接受数据能力的最大值。

2.2.2 可靠传输机制

无线传感器网络的可靠传输机制是无线传感器网络的一个研究热点,形成了一些较为典型的可靠传输机制,例如:多段可靠性传输(reliable multisegment transport,简称 RMST)[6]、比率控制的可靠传输 (rate-controlled reliable transport,简称RCRT)[7]等,但这些方法并不适合机械振动监测系统使用。在比较了几种较为常用的可靠传输机制后,针对机械振动监测系统组网规模较小、需要高速传输以及能耗较大等特点,在端到端可靠传输机制的基础上添加了以传输路径优先进行数据包恢复的机制。在监测到数据包丢失进行数据恢复时,考虑到有些节点传输路径为多跳,不必再由源节点重新发送丢失的数据包,而是从转发节点对此数据进行重发,该恢复机制相对效率较高且更加节能。

2.3 节点部署

以多数据汇集点网络结构进行组网,基站节点的部署需要着重考虑。通常在振动信号的采集中,传感器节点在安装部署时较为固定,针对结构的振动测试要求,安装点相对较为均匀,基站节点的数量与传感器的采样频率成正比,按照本文的测试经验,每个节点以 1 kHz的采样频率获取数据时,需要保证在组网中每个基站组中不超过 4个节点,基站节点的部署需要尽量均匀地分布在网络中或者网络边缘,保证组网时不会出现分组不均衡的现象。

3 性能评价

为了测试多数据汇集点网络结构在无线传感器网络机械振动监测系统中的传输性能,采用图 4所示的试验平台,部署了15个测点并配合4个基站节点对某摩托车车架振动信号进行测试,评估多数据汇集点网络结构的传输性能,传感器节点的采样频率设置为1 kHz。图7为测试中节点的自组网拓扑图。

图7 实测节点拓扑结构

图8 各节点数据包一次性发送成功率

在不使用数据可靠性传输机制时,无线传感器网络数据包发送成功率的统计数据如图 8所示。可以看出,数据包一次性发送成功率比常规网络结构高,均在90%以上。采用数据包可靠传输机制后,在整个数据采集过程中未发现数据包丢失的状况,表明针对多数据汇集点网络结构所实现的网络传输机制可以满足 1 kHz采样得到的振动信号数据传输要求。

数据包的时间延迟概率统计分析如图 9所示,发现数据包的时间延迟较低,最大数据包时间延迟为 10.13 ms,平均时间延迟为 6.35 ms,表现出了良好的实时性。

图9 数据包时间延迟统计分析

由于机械设备现场的射频环境复杂,本文采用的 Micaz节点工作在 2.4 GHz的无线发射频段,通过与 Mica2节点(工作在 868 M Hz频段)对比发现,同等环境下 Micaz节点的无线信号收发质量较高,而对于其他频段的无线信号质量有待于进一步的研究。同时,节点能量限制因素对于现场应用影响较大。无线传感器节点采用两节普通的5号电池供电,节点的供电电压小于2.7 V时会导致采样误差过大,因此在试验过程中节点在连续采样的工作条件下,平均在10～15 h之后,供电电压会下降到2.7 V以下。在以后的系统开发中,可以通过数据压缩[8]等一些技术手段延长监测时间。

4 结 论

本文提出了以多数据汇集点为特征的无线传感器网络组网方式,通过构建试验平台对某摩托车架的振动信号进行测试,试验表明基于该网络结构的无线传感器网络在通用硬件条件下的系统性能有所提高,多数据汇集点网络结构在数据高速传输过程中表现出良好的性能。但是该系统仅能达到频率相对较低的机械振动测试的基本要求,网络的生存时间较短。

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