摘 要:無線傳輸在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用有效解決了有線傳輸?shù)牟季€問題，但同時也帶來了一些數(shù)據(jù)傳輸上的問題，例如:數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)包容易丟失而降低通信的可靠性;節(jié)點采集的數(shù)據(jù)序列很難完全時間同步，因而影響數(shù)據(jù)的精確度;簡單的單跳通信只能滿足基站節(jié)點與葉節(jié)點在可視路徑內(nèi)進行通信，在復(fù)雜環(huán)境下有障礙物阻擋時會導(dǎo)致通信不良或無法通信。可采取如下措施予以改進:通信時運用ACK機制減少數(shù)據(jù)包的丟失，從而保證傳輸?shù)目煽啃?采用浮動時間同步協(xié)議(FTSP)和重采樣使節(jié)點之間的時鐘同步度提高;采用AODV協(xié)議實現(xiàn)多跳傳輸，使節(jié)點在通信不良時通過中間節(jié)點與基站節(jié)點通信，增加通信可靠性并加大通信距離。

關(guān)鍵詞:無線傳輸; ACK機制; 時間同步; 重采樣; 多跳

中圖分類號:TN914-34文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0030-05

Wireless Transmission of WSN Bridge Health Monitoring System Based on Imote2

LU Hui1， SHEN Qing-hong1， CHEN Ce2， RUAN Jing2

(1.Nanjing University， Nanjing 210093， China; 2.Jiangsu Provincial Yangtze River Bridge Headquarter， Taizhou 225321， China)

Abstract: The wireless transmission applied to bridge health monitoring system can effectively solve the problem about wiring of wire transmission， but some questions on data transmission are happened. For example: the data packets are very easy to lose during the transmission to reduce the reliability of correspondence， it′s difficult for the dates collected by those nodes to achieve time synchronization completely， the single-hop communication can satisfy the communication between base-node and leaf-node just within a visual path， communications work badly or even can not work in the complex environment and obstacles are existed. Using ACK mechanism can reduce the loss of date packets in order to guarantee the reliability of the transmission， using float time synchronization protocol (FTSP) and re-sampling to improve the time synchronization between nodes. Compared with the single-hop communication， the AODV protocol can offer a \"multi-hop\"communication， if one node can not communicate with the base-node directly， then it can find a middle-node which can offer a path to connect those two， it can increase the reliability and the potential distance of correspondence in this way.

Keywords: wireless transmission; ACK; time synchronization; re-sampling; multi-hop

收稿日期:2010-06-09

基金項目:江蘇省交通廳科技計劃項目(08Y29-7)

0 引 言

橋梁在長時間的運營下會因天氣、震動、撞擊、自身老化等因素影響其本身的健康狀況，從而造成交通安全隱患，事故一旦發(fā)生不僅會造成重大財產(chǎn)損失，更會嚴(yán)重地危害生命。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對橋梁結(jié)構(gòu)進行監(jiān)控，相關(guān)部門就可以根據(jù)系統(tǒng)預(yù)警及時做出反應(yīng)，以防范事故的發(fā)生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由具有采樣、計算和通信能力的大量微型傳感器節(jié)點組成，這些傳感器節(jié)點分別采集橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞剿偷交竟?jié)點，再通過計算機對整個健康結(jié)構(gòu)狀況進行系統(tǒng)分析判斷。傳輸系統(tǒng)是否可靠、迅速，這將直接決定整個系統(tǒng)是否能有效的運行，因此需要研究無線傳輸系統(tǒng)以選擇一個最佳的傳輸模式。

1 無線傳輸系統(tǒng)

1.1 節(jié)點

本系統(tǒng)采用的Imote2是一個先進的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它采用低功耗的PXA271 XScale CPU[1]，并集成了CC2420 IEEE802.15.4無線收發(fā)器。

Imote2平臺本身包含了2.4 GHz表面安裝天線，標(biāo)稱覆蓋范圍為30 m。為了增加通信距離接入外部天線，將其接在Imote2帶有的SMA連接器上，使用的天線是Antenova公司生產(chǎn)的Titanis 2.4 GHz可旋轉(zhuǎn)天線，它的物理特性和電特性參數(shù)見表1。

圖1 接有Titanis 2.4 GHz的Imote2節(jié)點

表1 Titanis 2.4 GHz的特性

Product nameTitanis 2.4 GHz

Frequency2.4~2.5 GHz

Dimensions20 mm×19.5 mm×62.5 mm

Peak gain2.2 dBi

Average gain-1.0 dBi

Average efficiency80%

Maximum Return Loss- 13 dB

Maximum VSWR1.6∶1

Imote2無線收發(fā)器的參數(shù)見表2，由Friis公式[2]:

Pr(d)=PtGtGrλ2(4π)2d2L

(1)

可得Titanis 2.4 GHz在自由空間的傳輸距離最大約為200 m;實際上在鋼箱梁環(huán)境下測試最大距離約為75 m(見3.2.2節(jié))，性能明顯優(yōu)于Imote2自帶的無線天線。

表2 收發(fā)器參數(shù)

收發(fā)器TI CC2420

頻帶(ISM)2 400.0~2 483.5 MHz

數(shù)據(jù)率250 Kb/s

發(fā)送功率-24~0 dBm

接收靈敏度-94 dBm

1.2 開發(fā)平臺和開發(fā)語言

用TinyOS作為Imote2的操作系統(tǒng)，采用Cygwin在XP系統(tǒng)下模擬Tinyos環(huán)境，該操作系統(tǒng)具有很小的內(nèi)存占有量，并且耗能很少，非常適用于資源有限的智能傳感器。它采取基于組件的構(gòu)架方式，完整的系統(tǒng)由一個調(diào)度器和一些組件構(gòu)成，應(yīng)用程序可以通過連接配置文件將各種組件連接起來，以完成所需要的功能。組件庫包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感器驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集工具[3]。

Nesc是一種擴展C的編程語言，主要用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的編程開發(fā)。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中于三個方面:網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[4]。其中，網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)主要以時間同步協(xié)議為主要研究方向;網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層又可分為媒體訪問控制(MAC)子層和邏輯鏈路控制(LLC)子層[5]。

2 網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)(時間同步協(xié)議)

智能傳感器網(wǎng)絡(luò)所測量的諸多信號具有自己獨立的時間坐標(biāo)，所以必須使之同步。如果時間同步不能得到有效的解決，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測將產(chǎn)生誤差，尤其是模態(tài)的相位[6]。

2.1 傳感器節(jié)點本地時鐘同步

傳統(tǒng)的雙向時間同步機制建立在成對節(jié)點同步的基礎(chǔ)上，節(jié)點A，B通過交換2組數(shù)據(jù)包就能實現(xiàn)兩者本地時鐘同步。節(jié)點A在本地時鐘T1時刻發(fā)送同步數(shù)據(jù)包，當(dāng)節(jié)點B接收到該包時記錄到達時間T2，則T2等于T1加上傳輸時間D和時鐘偏差d，即:T2=T1+D+d。然后節(jié)點B返還一個數(shù)據(jù)包給A，此數(shù)據(jù)包包含了時間T1，T2和發(fā)送時刻T3，在A處收到的時間為T4，則有:T4=T3+D-d。可以計算時鐘偏差為:

d=(T1-T2)-(T4-T3)2

計算出偏差d后，就可以進行同步(此種同步是在假定D1=D2的前提下)。

在分布式無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]中，n個葉節(jié)點需要同時與基站節(jié)點達成時間同步，這樣雙向通信會造成基站數(shù)據(jù)冗余，同時為了避免D的估計，減少交換信息的數(shù)量，選擇單向時間同步機制，把浮動時間同步化協(xié)議運用在Imote2中，使由于傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自己的獨立時鐘導(dǎo)致的時間誤差最小化，從而實現(xiàn)了較高水平的時間同步。

FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)[8]時間同步機制綜合考慮了能量感知、可擴展性、魯棒性、穩(wěn)定性和收斂性等方面的要求，具體算法的實現(xiàn)步驟如下:

(1) 發(fā)送方在檢測到信道空閑時開始發(fā)送SYNC字節(jié)，避免發(fā)送端的處理延遲和MAC層的訪問延遲對同步精度產(chǎn)生影響。

(2) 在完成SYNC字節(jié)發(fā)射后給時間同步消息標(biāo)記時間戳T1并發(fā)射出去;消息數(shù)據(jù)部分的發(fā)射時間可通過數(shù)據(jù)發(fā)射速率和數(shù)據(jù)長度算得，發(fā)送的信息位個數(shù)為n，發(fā)送每比特位的時間為t，發(fā)送時T=nt。

(3) 接收節(jié)點記錄SYNC字節(jié)最后到達時間T2，并計算位偏移(bit offset)。在收到完整消息后發(fā)送ACK確認(rèn)信息返還給發(fā)送方，接收節(jié)點通過偏移位數(shù)與接收速率計算位偏移產(chǎn)生的時間延遲。

(4) 接收節(jié)點計算與發(fā)送節(jié)點間的時鐘偏移量，然后調(diào)整本地時鐘和發(fā)送節(jié)點時鐘同步。

FTSP流程圖如圖2所示，圖中T為發(fā)送節(jié)點，R為接收節(jié)點。

圖2 FTSP流程示意圖

假定FTSP中某時間段內(nèi)時鐘晶振頻率穩(wěn)定，故節(jié)點間時鐘偏移量與時間呈線性關(guān)系。發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點周期性廣播同步消息，接收節(jié)點根據(jù)收到的數(shù)據(jù)組構(gòu)造最佳擬合直線L，在誤差允許的時間間隔內(nèi)，節(jié)點可直接通過L計算某一時間點節(jié)點間的時鐘偏移量而不必發(fā)送時間同步信息。為了防止簇組結(jié)構(gòu)中節(jié)點間互相通信而造成信息冗余，采用根節(jié)點逐個增大消息序列號的機制，如圖3所示。

圖3 根節(jié)點逐個增大消息序列號的機制



root下有n+1個葉節(jié)點，其中p節(jié)點不在其通信范圍之內(nèi)，同步時root節(jié)點發(fā)送序列號為1的同步消息至1，2，…，n的葉節(jié)點;1，2，…，n的葉節(jié)點發(fā)送序列號為2的同步消息至p節(jié)點，如果p節(jié)點將這n個同步消息都接收的話就會很多余，所以節(jié)點p在接收到節(jié)點4的消息后記下該消息的最大序列號2，而放棄其他n-1個序列號為2的同步消息。同樣，1號節(jié)點接收到來自root的序列號為1的消息后記下序列號，不再接收來自2號節(jié)點中序列為2的消息，或者來自p節(jié)點中序列為3的消息。

2.2 節(jié)點間采樣頻率的同步

本地時鐘同步后，各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)均為序列形式，這些序列上的對應(yīng)點應(yīng)該是同一時刻獲得的，即采樣頻率必須同步。如果測量信號來自不一致的采樣頻率，而用于模態(tài)分析上，一個真實的模態(tài)將會變成數(shù)個不同的模態(tài)，出現(xiàn)在真正的自然頻率附近，這將造成結(jié)構(gòu)監(jiān)測的較大誤差。但即使設(shè)定了某個固定的采樣頻率，各個節(jié)點在實施時總會有微小誤差，同時每個節(jié)點本身的采樣頻率也會隨著時間而有所浮動。因此即使所有信號是完美同時的開始測量，仍然很有可能會隨著時間的增加造成大量的同步誤差。在采樣中補償這些頻率浮動是相當(dāng)困難的，如同時鐘正在線性游移中。經(jīng)過較長時間后，采樣頻率的浮動會促使數(shù)據(jù)質(zhì)量逐漸下降。TinyOS是個非實時的平臺，可采用重采樣技術(shù)再處理的方式達到數(shù)據(jù)同步。

當(dāng)采樣頻率滿足Nyquist采樣定理:fs≥2時，則采樣之后的數(shù)字信號x(n)完整地保留了原始信號中的信息，即有充分的條件完全重建[9]原始信號xa(t):

xa(t)=∑∞n=-∞x(n)sinc[fs(t-nTs)]

(2)

對重建后的原始信號進行重采樣就可以得到時間同步的數(shù)據(jù)序列。

3 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

3.1 MAC層(ACK機制)

由于有些數(shù)據(jù)包在傳輸過程中可能會丟失，射頻通信傳輸不能與有線傳輸一樣可靠。節(jié)點間距離增加，信噪比下降，會導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出錯。數(shù)個同步節(jié)點接口上的信號相撞，也會導(dǎo)致一個或兩個數(shù)據(jù)包遺漏。這種錯誤通常發(fā)生于同時搭載著傳感器節(jié)點命令與測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。如果命令數(shù)據(jù)包丟失，目標(biāo)節(jié)點將無法運行特定的任務(wù)。如果搭載測量信號的數(shù)據(jù)包遺失，目標(biāo)節(jié)點就不能得到完整的數(shù)據(jù)。

基于確認(rèn)的通信方式可有效保證節(jié)點間傳輸?shù)目煽啃?，該方式在收到接收端以單?Unicast)方式返還的確認(rèn)信息(ACK)前，將不停地重傳數(shù)據(jù)包，直到發(fā)送端給該數(shù)據(jù)設(shè)定的定時器超時為止，圖4為其格式圖。

圖4 普通ACK格式

但是大量的確認(rèn)信息會占用較長的等待時間，這時相同的數(shù)據(jù)包會被持續(xù)地傳送很多次，而且Imote2射頻的組件兼?zhèn)淞笋雎犇Ｊ脚c傳輸模式，不停地切換模式占用響應(yīng)時間也會降低傳輸效率。為取代原有每個數(shù)據(jù)包的確認(rèn)，可以發(fā)送一整套數(shù)據(jù)包，然后等待確認(rèn)信號(ACK)，即采用一種群ACK機制[10]，發(fā)送端到接收端的傳輸時間為Tp，單個數(shù)據(jù)包發(fā)送時間為Tt，ACK返還信號的傳輸時間為Tr，數(shù)據(jù)包之間的時間間隔Gap為Ts(節(jié)點響應(yīng)處理時間忽略)。發(fā)送方發(fā)送多個數(shù)據(jù)包并且對其標(biāo)記，直到所有數(shù)據(jù)包全部發(fā)送完畢，或是剩余的時間Tremain滿足:

Tp+Ts+Tr≤Tremain≤2Tp+2Ts+Tt+Tr

(3)

接收端返還一個ACK對所傳的所有數(shù)據(jù)包進行確認(rèn)。下一套數(shù)據(jù)包的發(fā)送取決于ACK的狀況，ACK中會對傳輸中發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)包進行說明，發(fā)送端對這些數(shù)據(jù)包進行重傳。圖5為其格式圖。

圖5 群ACK機制格式

可見，同樣傳輸n個數(shù)據(jù)包，群ACK機制下節(jié)省了(n-1)*(Tr+Ts)的時間。無差錯情況下ACK的傳輸效率[11]為:

P1=Tt+Tr2Tp+2Ts+Tt+Tr

(4)

群ACK的傳輸效率約為:

P2≈TtTp+Ts+Tt

(5)

若單個數(shù)據(jù)包出錯概率為w，則出錯率為:

Er=∑∞1(iwi)=∑∞1[iwr(i)]=1/(1-w)

(6)

在有差錯的情況下傳輸效率分別為:

P′1=Tt+TrEr(2Tp+2Ts+Tt+Tr)

P′2≈TtEr(Tp+Ts+Tt)

(7)

對比可見，群ACK機制下傳輸效率大大提高，系統(tǒng)的吞吐量也得到增加，發(fā)送與接收節(jié)點間的切換次數(shù)將得到大幅降低。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層(Multi-hop Communication)

一般的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用單跳(Single-hop)通信，所有的葉節(jié)點與基站節(jié)點直接通信，而在大橋鋼箱梁這種復(fù)雜的安裝環(huán)境下，無法將所有的葉節(jié)點均有效安裝在基站節(jié)點的視距范圍內(nèi)，而且鋼表面對無線信號的反射會影響通信的效果。為達到較理想的通信距離，基站節(jié)點需要通過多跳(Multi-hop)中繼的方法與某些葉節(jié)點進行通信。

3.2.1 基本原理

無線自組網(wǎng)按需平面距離矢量路由協(xié)議(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV)[12]通過建立基于按需的路由來減少路由廣播的次數(shù)，源路由并不需要包括在每一個數(shù)據(jù)分組中，這樣所有協(xié)議的開銷有所降低，不在路徑內(nèi)的節(jié)點不保存路由信息，也不參與路由表的交換。

在AODV中，整個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)都是靜止的，除非有連接建立的需求。當(dāng)某個葉節(jié)點A需要與基站節(jié)點通信時，如果路由表中已經(jīng)存在了對應(yīng)的路由就直接進行數(shù)據(jù)通行;如果不存在直接的路由路徑，節(jié)點A進行路由發(fā)現(xiàn)過程，通過廣播RREQ信息發(fā)送建立請求，其他的葉節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這個請求消息，并記錄節(jié)點A和回到節(jié)點A的臨時路由。當(dāng)RREQ到達基站節(jié)點時即路由已建立，基站節(jié)點和中間節(jié)點返還一個RREP信息把這個路由信息按照先前記錄的回到節(jié)點A的臨時路由發(fā)回A。于是節(jié)點A就開始使用這個經(jīng)過其他節(jié)點并且有最短跳數(shù)的路由。路由建立后每個路由中的節(jié)點都保存一個相應(yīng)的目的地址的路由表項實現(xiàn)逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，并監(jiān)視下一跳的狀況。當(dāng)鏈路斷掉，節(jié)點通過發(fā)送RRER消息將路由錯誤回送給節(jié)點A，通過前驅(qū)列表(Precursor List)指明，由于斷鏈而無法到達的節(jié)點號，節(jié)點A重新發(fā)起路由查找過程。

3.2.2 單跳和多跳通信下的天線特征性

已實際測量單跳和多跳通信下的天線特征性，測量環(huán)境為南京長江二橋鋼箱梁內(nèi)部(20091120)，取90%的接收率為有效通信。單跳中基站節(jié)點發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包，葉節(jié)點把接收到的相應(yīng)數(shù)據(jù)包再發(fā)送回基站;多跳整個過程則需經(jīng)過中間節(jié)點的接力。圖6，圖7中分別顯示了單跳和多跳通信時無線天線在傳輸功率下運行時隨傳輸距離變化的數(shù)據(jù)接收率。

圖6 單跳通信天線特性圖

圖7 多跳通信天線特性圖

可以看出，通過建立多跳通信，通信距離從單跳中最大的75 m提高到103 m左右，不但解決了某些節(jié)點無法通信的問題，更是普遍增長了通信距離，大大改善了通信性能。

4 結(jié) 語

無線傳輸系統(tǒng)中通過改善數(shù)據(jù)同步處理方式以及各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的通信協(xié)議，優(yōu)化了信息傳輸系統(tǒng)的性能，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確度，為整個橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了有力的數(shù)據(jù)保證。

致謝:感謝美國伊利諾伊大學(xué)土木與環(huán)境工程系Bill Spencer教授為本文所做的指導(dǎo)。

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