冲击试验的无线传感网络同步采集系统

周文茜，王 涛，刘建磊,高 岩

(1.北京理工大学自动化学院,北京 100081；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081)

冲击试验的无线传感网络同步采集系统

周文茜1，王 涛1，刘建磊2,高 岩2

(1.北京理工大学自动化学院,北京 100081；2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081)

针对桥梁健康检测中的冲击振动试验,搭建以WiFi为介质的无线传感器网络，将冲击发生时重锤和桥梁各测点的加速度信号由采集节点实时发送给上位机，由信号的幅值谱和相位谱可计算出桥梁结构的自振频率、振型等参数，从而判断桥梁结构的健康状况。对于不同位置的采集节点，分别为其选用了合适的加速度计并设计了调理电路，由嵌入式微处理器控制数据的采集和发送。上位机软件采用C# 编写，可以同时接收所有节点发送的数据并对其进行显示、存储及读取，以进行后续的频谱分析和计算。为实现数据的稳定传输和时钟同步，还提出了一种改进的带重发机制的UDP协议和一种简化版RBS时钟同步协议。试验表明，系统能够实现准确的信号采集，采集速率可达到5 kHz，UDP无线传输的丢包率控制在0.014%以内，时钟同步误差为50 μs,满足实际应用需求。

无线传感器网络； WiFi； 上位机； 时钟同步； UDP

0 引言

为测试桥梁体系的自振频率，通常采用冲击振动试验法[1]。试验中需要同时采集冲击重锤和被冲击桥梁的振动波形，之后再进行互相关运算。传统的有线采集方式布线成本较高，因此改用WiFi方式进行通信[2]，所有节点构成了一个无线传感器网络。

为了确保互相关运算的准确性，各个传感器节点之间需要进行时钟同步[3]。目前，主流的时钟同步协议有网络时间协议(network time protocol,NTP)、参考广播同步(reference broadcast synchronization,RBS)协议、延迟测量时间同步(delay measurement time synchronization,DMTS)协议等[4]。本系统需要实现接收者之间的同步，因此，对RBS协议进行了简化，并将其作为时钟同步协议，选用用户数据报协议(user datagram protocol,UDP)作为传输层协议。由于UDP协议没有应答重发机制，容易发生丢包，而目前现有的安全可靠UDP(security reliable UDP,SRUDP)、增强型可靠UDP(enbanced reliable UDP,ERUDP)等改进协议都加入了对所有数据包的应答，故本文提出了一种新方法，只在检测到丢失数据后对下一包进行应答，以节约通信量。

1 系统构成和硬件原理

采集节点结构如图1所示。待测信号分为重锤产生的高频加速度信号和桥梁体受冲击时产生的低频加速度信号。整个无线传感器网络的拓扑结构为星形单跳网络，所有采集节点仅和上位机交换数据，互相之间不进行通信。

图1 采集节点结构图

1.1 低频信号处理电路设计

低频信号采集所用的传感器为891-2型拾振器，它是动圈往复式拾振器，输出电压信号基准为0 V，分辨率为0.092 2 V·s2/m。低频节点信号处理电路如图2所示[5]。最后得到以2.5 V为基准的差分电压信号SIG+和SIG-。

图2 低频节点信号处理电路图

1.2 高频信号处理电路设计

高频节点信号处理电路如图3所示[6-8]。

图3 高频节点信号处理电路图

高频信号采集电式传感器INV9822，需要2～20 mA的恒流源进行供电[6]，分辨率为9.822 mV·s2/m。最后得到以0.6 V为基准的电压信号。

2 协议设计和软件实现

2.1 带丢包检测和重发机制的UDP协议

重发操作示意图如图4所示。

图4 重发操作示意图

在程序中开辟缓冲区，存放目前最新采集到的三帧数据，下位机节点在没有丢帧情况发生时，仅发送当前刚采集的一帧。每帧数据的帧头为模式位，然后是帧序号，最后是数据。当下位机需要发送整个缓冲区进行补帧时，会标记当前最新完成采集的一帧的帧头。

2.2 时钟同步协议

由于冲击过程持续时间不会超过0.6 s，因此只需采集任务执行前同步时钟[7-9]。本系统直接利用上位机广播同步命令，实现时钟同步。由于各节点与无线接入点的距离近似相等，可认为同步命令同时到达各节点[10]。由于所用WiFi模块的INT引脚在模块接收到数据时会产生一个下降沿，在下位机程序中，开启该引脚所对应的外部中断，节点收到命令就会进入中断处理。在中断处理函数中读取命令，若为同步命令，则重置帧序号、将待采数据帧的存储位置设为缓冲区的起点，并重启信号定时采集所用的定时器，即可实现节点间的时钟同步。

2.3 下位机软件设计

每帧有100个数据。采集间隔的设定方法为：设定采集所用定时器的中断频率为5 kHz，累计进行中断次数初始为0，每进行一次定时中断，累计次数加1。当累计次数达到设定值的时，将其清零，同时采集标志置1。通过调整累计次数设定值来调整采集间隔。

下位机软件流程图如图5所示。

图5 下位机节点程序流程图

2.4 上位机软件设计

上位机程序使用C# 编写，采用三线程结合队列的方式。上位机程序框图如图6所示。队列结构用来暂存接收到的数据，count为队列中所存放完整数据帧的帧数。

图6 上位机程序流程图

3 试验结果与分析

为测试改进后的UDP协议性能，令单个节点以1 kHz采样率持续采集100 s，重复试验，得到纯UDP协议平均丢包率为1%；而使用了改进UDP协议之后，丢包率降为0.014%，传输稳定性大大提升，冲击波形采集完整性得到了有效保证。

为测试时钟同步协议的性能，同时接入一个高频节点和一个低频节点，以1 kHz采样率采样，输入冲击信号。未加入时钟同步协议时，测得两个节点之间存在约10 ms的同步误差。加入时钟同步协议后的振动波形如图7所示。

图7 时钟同步后的振动波形

从图7几乎分辨不出同步误差。测量高低频两个节点上A/D芯片的时钟信号，得到时钟误差统计结果如图8所示。两个节点的实际同步误差基本能控制在2 μs以内，平均误差为0.8 μs，同步精度得到有效提升。

图8 时钟同步误差统计结果示意图

4 结束语

本文针对桥梁检测中的冲击试验，开发了一种基于无线传感器网络的振动同步采集系统，详细介绍了系统的总体结构及软硬件设计。为了确保数据的有效性，引入了可靠UDP协议和时钟同步协议，成功地将无线传输的丢包率降至0.014%，同步误差降至1 μs左右。试验表明，本系统具有较高的实用性。

本系统的不足之处在于：所采用的UDP重发机制只适用于单个丢包，无法处理连续性丢包，因此丢包现象依然存在。后续可以为重发过程加入应答机制、增大缓冲区容量，以改进这一问题。

此外，在时钟同步方面，由于各节点存在中断延迟、且由中断程序返回主循环的位置不一样，会在读取环节引入时钟同步误差；而各节点晶振不一致造成的同步误差也会随着时间的推移而不断增大。后续需要对这几种误差源提出相应的补偿算法，进一步提高同步精度。

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A Synchronous Data Acquisition System Based on WSN for Impact Tests

ZHOU Wenqian1,WANG Tao1,LIU Jianlei2,GAO Yan2

(1.School of Automation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Railway Construction Research Institute of China Academy of Railway Science,Beijing 100081,China)

Aiming at the impact vibration tests in the health detection of bridges,a wireless sensor network (WSN) based on Wifi is constructed. When impact occurs,the acceleration signals of various measuring points of the hammer and bridge are collected by acquisition nodes and sent to host computer in real time. The parameters of bridge structure,including natural frequency and the vibration mode can be calculated from the amplitude spectrum and phase spectrum of these signals,thus the health status of bridge structure are judged. For the acquisition nodes at different position,appropriate accelerometer is selected,and the conditioning circuit is designed respectively,the collection and transmission of the data are controlled by embedded microprocessor. The software of host computer is written in C#,the data sent from all the nodes can be received simultaneously,then displayed,stored,and read back for subsequent spectrum analysis and calculation. To realize the stable data transmission and clock synchronization,an improved UDP protocol with retransmission mechanism and a simplified RBS clock synchronization protocolare proposed. Experiments show that the system can collect the signals accurately,the collecting rate is up to 5 kHz,the packet loss rate of UDP wireless transmission is controlled within 0.014%,and the clock synchronization error is 50 μs,which satisfies the demands for practical applications.

Wireless sensor network(WSN); WiFi; Host computer; Clock synchronization; UDP

周文茜(1994—)，女，在读硕士研究生，主要从事检测工程与自动化装置的研究。E-mail:imjustadog@sina.com。 王涛(通信作者)，男，博士，研究员，主要从事新型传感与检测技术、基于气动技术的运动驱动与控制的研究和应用。 E-mail:wangtaobit@bit.edu.cn。

TH825;TP216

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703013

修改稿收到日期:2016-11-11