陳維興 林家泉 孫毅剛

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院,天津 300300)

機場橋載設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗優(yōu)化設(shè)計

陳維興 林家泉 孫毅剛

(中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院,天津 300300)

針對在現(xiàn)場測試中,機場橋載設(shè)備運行安全監(jiān)控系統(tǒng)存在節(jié)點電池消耗過快及數(shù)據(jù)錯誤或丟失等問題,根據(jù)信道RSSI和電池間的關(guān)系特性,并結(jié)合系統(tǒng)工作環(huán)境,對節(jié)點硬件進行優(yōu)化設(shè)計。同時,基于網(wǎng)絡(luò)超幀和GTS管理機制,提出了按數(shù)據(jù)分類管理的節(jié)點RF增益和休眠優(yōu)化方法。對優(yōu)化后的節(jié)點進行信號測試和OPNET仿真。結(jié)果表明,該方法能有效降低節(jié)點能耗,且對其他系統(tǒng)性能沒有產(chǎn)生負面影響。

物聯(lián)網(wǎng) GTS 機場設(shè)備監(jiān)管 低能耗 RSSI OPNET

0 引言

2011年,民航局出臺《關(guān)于加快推進節(jié)能減排工作的指導(dǎo)意見》,根據(jù)工作部署并結(jié)合在首都、虹橋、白云等機場試點情況,2012年正式啟動民航行業(yè)機場使用橋載設(shè)備替代飛機動力輔助裝置(auxiliary power unit,APU)的推廣工作。由此可見,在航班地面操作過程中使用橋載設(shè)備替代飛機APU是行業(yè)節(jié)能減排發(fā)展的必然方向。國內(nèi)曾發(fā)生過橋載電源燒毀飛機機載設(shè)備事件,造成巨大的社會影響和經(jīng)濟損失。事故主要是由于橋載設(shè)備不能及時檢測隔離自身故障,或者對某些工況參數(shù)不能實時監(jiān)控。因此,對橋載設(shè)備的健康情況數(shù)據(jù)進行實時采集監(jiān)控是非常重要的。

本文研發(fā)的橋載設(shè)備運行安全監(jiān)控系統(tǒng)(bridge load-equipmentoperationsafetymonitoringsystem, BLOSMS)經(jīng)過華南某機場試用,可以滿足橋載設(shè)備健康數(shù)據(jù)采集處理、統(tǒng)計分析等要求,實現(xiàn)了橋載設(shè)備運行的安全監(jiān)控[1]。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計。同時,系統(tǒng)在試用過程中也出現(xiàn)了一些問題,主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)感知層節(jié)點的能耗方面。這是由于受使用環(huán)境的制約,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用電池供電,因此對電池電能的優(yōu)化管理具有非常重要的實際意義。本文分析了節(jié)點耗能加重的原因,并結(jié)合系統(tǒng)特點提出了優(yōu)化節(jié)點能耗的方法。

1 BLOSMS節(jié)點能耗問題

BLOSMS在每個停機位(登機橋)的橋載設(shè)備上布設(shè)多個感知層節(jié)點(sensor node,SN),并在每個機位安裝1臺數(shù)據(jù)終端DE,構(gòu)成感知層;將全部機位DE連接到候機后內(nèi)服務(wù)器,構(gòu)成傳輸層;服務(wù)器數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控管理軟件構(gòu)成應(yīng)用層。系統(tǒng)工作原理是:SN采集每個停機位橋載設(shè)備的健康數(shù)據(jù),SN輸出數(shù)據(jù)經(jīng)DE采集處理、本地存儲,由停機位信息點(LAN接入點)和候機樓內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器,再由服務(wù)器根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理和控制,從而實現(xiàn)對橋載設(shè)備運行工況和故障的實時監(jiān)控,以及無紙化維護管理。

由于民航設(shè)備運行環(huán)境大多較惡劣,安裝位置特殊且需多點監(jiān)控等,造成各類線纜的布設(shè)、改造和維護成本與難度較高,且相對于近機位,遠機位甚至沒有登機橋而無法布設(shè)線纜,因此對BLOSMS采用了物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。即SN通過2.4 GHz無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至DE,DE再將這些數(shù)據(jù)經(jīng)以太網(wǎng)上傳至服務(wù)器處理(GPRS可用于遠機位和近機位)。BLOSMS結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,虛線箭頭表示電力連接,實線箭頭表示網(wǎng)絡(luò)連接,實線雙向箭頭表示無線連接。

圖1 BLOSMS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework of BLOSMS

物聯(lián)網(wǎng)尤其是感知層中的節(jié)點能耗問題是大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計項目的難點,本項目中這一問題十分明顯。由于停機坪屬于高級管制區(qū)域,不允許過多地安裝網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,且維護管理機坪大量節(jié)點也是不現(xiàn)實的,因此,有限的節(jié)點數(shù)量造成SN間以及SN和DE間的距離較遠,在此情況下節(jié)點硬件發(fā)射功率(PA)強度不足。SN或DE的接收信號衰減指數(shù)RSSI(可描述信道質(zhì)量LQI,從芯片寄存器讀取)可以反映PA和能耗的變化情況。維持高強度PA必然會加大能耗,使RSSI增大或者劇烈震蕩,信道質(zhì)量變差,從而引起數(shù)據(jù)誤碼率升高甚至丟失,引起網(wǎng)絡(luò)重傳,進一步加重了電池負擔(dān)。即使在節(jié)點間正常通信情況下,隨著電池能量下降,也必然會導(dǎo)致SN的PA和LNA下降,進一步影響節(jié)點LQI和RSSI。

利用Sniffer工具及分析軟件俘獲無線信號發(fā)現(xiàn):伴隨著系統(tǒng)使用,RSSI值出現(xiàn)0和255的頻次明顯增加(此處硬件驅(qū)動設(shè)計為當(dāng)節(jié)點判定LQI衰減程度很大或無法接收時,將RSSI值隨機置為0或255)。而LQI和RSSI的衰減或不穩(wěn)定則反映到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)延遲和信道碰撞,從而導(dǎo)致吞吐量下降,數(shù)據(jù)丟失。由此可見,當(dāng)電池能量衰減引起網(wǎng)絡(luò)延遲和碰撞時,會觸發(fā)節(jié)點的重傳機制,以保證重要數(shù)據(jù)的通信。這更加重了電池的負荷,從而開啟了一個惡性循環(huán),導(dǎo)致此后電池能量急劇下降甚至失效。節(jié)點RSSI測試曲線如圖2所示,本文中將RSSI根據(jù)信道LQI轉(zhuǎn)換成0～255的數(shù)值,是一個無量綱值,信號測試距離保持7 m。

圖2 節(jié)點RSSI測試曲線Fig.2 RSSI test curve of the node

由上述分析可知,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能要解決的主要矛盾是如何獲取穩(wěn)定RSSI和LQI以完成網(wǎng)絡(luò)傳輸,而增大PA可以克服節(jié)點間距離帶來的影響,但是增大PA又意味著加大電池能耗的損失。因此,本文在優(yōu)化節(jié)點電池能耗的同時兼顧PA與電池功耗的平衡。

2 原節(jié)點設(shè)計和能耗關(guān)系

BLOSMS原有SN節(jié)點使用TI CC2430作為核心處理器,使用32 MHz晶振,將其RF差分引腳通過巴倫電路轉(zhuǎn)換為單端天線輸出。在SN節(jié)點工作過程中, CC2430始終處于激活狀態(tài),正常工作電流為7 mA。除片內(nèi)RF模塊外,其他模塊如ADC、DMA等均未開啟,故考慮RF模塊的耗電參數(shù)[2],即發(fā)送時24.7 mA,接收時27 mA,節(jié)點單次收發(fā)實時功耗值P按式(1)估計。

式中:RSSI_VAL為芯片本次收發(fā)實時RSSI值,為8位補碼;RSSI_OFFSET為經(jīng)驗補償值,與CC2430的前端增益有關(guān),可編程設(shè)定。

根據(jù)式(1),可認(rèn)為節(jié)點RF模塊的功耗為:

式中:N為此時間前的RF模塊網(wǎng)絡(luò)收發(fā)次數(shù)。

由此可見RF節(jié)點頻繁地進行收發(fā)必然會加速節(jié)點電池能量的下降。

根據(jù)現(xiàn)場測試,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間距超過10～15 m時RSSI值不穩(wěn)定,且隨著距離的增加穩(wěn)定性變差,而當(dāng)BN收到RN的RSSI值中30%為0或者255,就會啟動重傳流程。如式(2)所示,N的增大會直接導(dǎo)致W的增大。同時,如對節(jié)點電池電量不加以控制,當(dāng)W增大到一定程度后,RSSI震蕩加劇導(dǎo)致重傳啟動也會增大N,進而引起W的加速增大,從而進入一個惡性循環(huán),導(dǎo)致電池快速耗盡。

綜上所述,控制節(jié)點能耗的主要思路為:降低N、T和α(α表示芯片RF模塊功耗在整芯片功耗的所占比例),將RSSI_VAL維持在一個平穩(wěn)水平,并降低出現(xiàn)0或255的概率,以減少重傳次數(shù)。該方法在達到降低W目標(biāo)的同時,可進一步減少電池損耗重傳的次數(shù),最終實現(xiàn)節(jié)點電能的優(yōu)化。

3 優(yōu)化節(jié)點硬件設(shè)計

考慮SN節(jié)點功耗主要來源于MCU,除RF模塊外,還有MCU其他模塊的影響因素:

因此,為盡可能降低功耗且考慮節(jié)點功能,其他耗電模塊如DMA、ADC基本處于禁止?fàn)顟B(tài),故節(jié)能設(shè)計的重點在RF模塊。

考慮解決節(jié)點RSSI不穩(wěn)定問題,為CC2430增加了PA調(diào)節(jié)芯片,但這必將增大節(jié)點的功耗,因此繼而從分級控制RF增益和MCU休眠-工作切換角度降低節(jié)點電池功耗。

比較了兩種CC2430外圍擴展PA的方案。開發(fā)測試中發(fā)現(xiàn):UP2202屬通用PA器件,使用過多中間器件而不能與CC2430的無縫連接,會引進雜波干擾、電流干擾等。同時,在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)UP2202自身的附屬接地焊盤有時會有PA失效的情況發(fā)生。相比之下, CC2591集成了PA和LNA,擴展了定位網(wǎng)絡(luò)范圍,此外還集成了開關(guān)、RF匹配、電感器以及不平衡轉(zhuǎn)換器等,實現(xiàn)了與CC2430的無縫連接,提高了節(jié)點抗干擾能力,但成本較UP2202稍高。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件優(yōu)化設(shè)計如圖3所示,圖中引腳RF_N、RF_P、TXRX_SWITCH、RREG_OUT來自CC2430,無需任何中間器件。

由于CC2591集成了可調(diào)增益的LNA,因此可進一步提高RSSI質(zhì)量,增大了節(jié)點間距,但需要對其功耗進行進一步控制。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件優(yōu)化設(shè)計Fig.3 Optimization of the hardware of network node

4 節(jié)點硬件能耗控制策略

CC2430的RF模塊是節(jié)點主要耗能硬件部分,因此合理優(yōu)化RF模塊工作時間和PA強度是降低節(jié)點能耗的最佳途徑。多次重發(fā)和RF模塊長期工作都會引起電池能量快速下降,本文基于GTS管理思路設(shè)計了節(jié)點硬件能耗控制策略NECS。

4.1 節(jié)點MAC層GTS管理機制

系統(tǒng)節(jié)點采用IEEE 802.15.4協(xié)議,支持超幀結(jié)構(gòu)和GTS[3]。其中,BI為信標(biāo)間間隔;BO為信標(biāo)序數(shù);SD為超幀持續(xù)時間;SO為超幀序數(shù);CAP為競爭訪問階段;GTS為保證時隙,構(gòu)成無競爭階段CFP,一個GTS由多個slot組成;aBaseUint為超幀持續(xù)時間基本單位。

超幀將網(wǎng)絡(luò)活動時間分為活動(ACT)時段和非活動(INA)時段。在ACT時段,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間傳遞數(shù)據(jù),而在INA時段,處于低功耗的睡眠模式[3]。以CC2430為例,芯片在發(fā)送狀態(tài)下?lián)p耗24.7 mA的電流,而休眠狀態(tài)下僅為296 μA[2]。利用INA特點進行節(jié)點休眠控制可有效降低節(jié)點能耗。

根據(jù)IEEE 802.15.4,對需要可靠、快速或大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點,且不能確保該節(jié)點在CAP內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸,則該節(jié)點可向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器申請GTS時段的信道使用權(quán)限進行數(shù)據(jù)傳輸(免競爭機制)。協(xié)調(diào)器會根據(jù)GTS申請數(shù)目、剩余時槽數(shù)目等網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前條件,向申請節(jié)點分配一定的GTS[3,5]信道資源?？衫肎TS的特點進行重傳次數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整無CFP接入信道權(quán)節(jié)點的RF模塊增益,從而達到控制節(jié)點能耗的目的。

4.2 NECS策略設(shè)計

近年來,一些文獻[5-7]對GTS管理做了理論研究,但結(jié)合節(jié)點硬件控制的方法并不多見。本文針對感知層節(jié)點硬件設(shè)計了NECS策略,按照節(jié)點數(shù)據(jù)優(yōu)先級和重傳次數(shù)進行GTS授權(quán)。BLOSMS各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)分為三類,如表1所示。

表1 BLOSMS采集的三類數(shù)據(jù)Tab.1 Three categories of data collected by BLOSMS

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負荷較大,容易發(fā)生碰撞時,應(yīng)確保Ⅰ類數(shù)據(jù)具有最高的優(yōu)先級且盡量減少重傳。為了節(jié)省電能,Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)應(yīng)盡量避免多次重傳,可考慮暫時緩存,待網(wǎng)絡(luò)負荷緩解后再傳輸。

IEEE 802.15.4中的GTS分配算法使用先來先服務(wù)(first come first service,FCFS)[7]。當(dāng)有多個設(shè)備請求GTS時,因協(xié)調(diào)器在同一超幀內(nèi)最多分配7個GTS,部分節(jié)點將無法獲得GTS,因此NECS采用了優(yōu)先級隊列的方法管理GTS分配。在當(dāng)前超幀CAP中沒有成功發(fā)送的或因碰撞需重傳的I類數(shù)據(jù)會被節(jié)點標(biāo)記,此外已多次重傳的Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)也被節(jié)點標(biāo)記,協(xié)調(diào)器根據(jù)節(jié)點申請GTS所附帶的信息進行優(yōu)先級排隊。優(yōu)先級計算公式如下。

式中:K根據(jù)上述節(jié)點標(biāo)記位取值,需重傳I類數(shù)據(jù)的K取值最大,需在CFP中傳輸?shù)腎類數(shù)據(jù)的K值次之,已多次重傳Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)的K值最小,已獲得過GTS服務(wù)的節(jié)點的K值為負數(shù);Q為節(jié)點申請的GTS寬度;α和β為相應(yīng)權(quán)值,若出現(xiàn)相同K值且GTS資源不夠時,可進行優(yōu)先級細分;P值越大的節(jié)點會得到GTS使用授權(quán),其可進行優(yōu)先級排序,最終在協(xié)調(diào)器廣播Beacon中會發(fā)布獲得GTS的節(jié)點分布地址列表。

采取GTS優(yōu)先級隊列時,協(xié)調(diào)器優(yōu)先給優(yōu)先級高即優(yōu)先級為1～7的節(jié)點分配GTS,而FCFS只可以按照節(jié)點請求時序進行GTS授權(quán)。這一過程可利用OPNET軟件[8]進行仿真。

取得GTS授權(quán)的節(jié)點可以在下一個超幀的CFP傳輸數(shù)據(jù),避免了碰撞重傳的能耗,而沒有取得GTS授權(quán)的節(jié)點會降低自身RF模塊的增益以減少功耗。這可通過設(shè)置CC2591和CC2430芯片的相關(guān)寄存器的GAIN模式[9]來實現(xiàn)。

根據(jù)協(xié)調(diào)器廣播的超幀Beacon中的占空比分配[10-12],即BO和SO值,節(jié)點在CAP和CFP過后進入INA階段,此時可利用CC2430的電源管理模式[2]進入PM1或PM2,切換節(jié)點MCU晶振,從而有效減少電池能耗。具體方法是:在CC2430系統(tǒng)中建立兩個反向計數(shù)器,根據(jù)SO和BO-SO的值進行計數(shù),從而控制MCU在工作模式和省電模式(晶振)間切換。

4.3 NECS的RSSI測試和網(wǎng)絡(luò)仿真

利用Sniffer工具及分析軟件對利用NECS優(yōu)化后的節(jié)點進行信號探測和分析,節(jié)點RSSI的實測值如圖4所示。

圖4 NECS優(yōu)化后的節(jié)點RSSI測試曲線Fig.4 RSSI test curves of node after NECS optimization

對比圖2可見,信道質(zhì)量明顯提高,說明電池電能并沒有因為節(jié)點添加CC2591芯片而嚴(yán)重下降(電能下降必會引起RSSI曲線發(fā)生震蕩)。

為了從網(wǎng)絡(luò)整體角度驗證NECS的節(jié)點能耗優(yōu)化能力,本文利用OPNET對BLOSMS進行了場景建立和NECS仿真。其中,節(jié)點層建模的屬性根據(jù)CC2430的芯片手冊[2]設(shè)置,場景層建模參數(shù)設(shè)置為:仿真起止時間2.0～1 500.0 s;10節(jié)點星型拓撲,分布半徑3～5 m;傳輸速率250 kbit/s;(SO,BO)=(2,8);以Exponent(1.0)分布產(chǎn)生數(shù)據(jù)包;MSDU容量為100 bits。

本文采用了OPNET14.5統(tǒng)計模型[8],分別對網(wǎng)絡(luò)的能耗接入和退避時延/吞吐量等性能參數(shù)進行NECS仿真,結(jié)果如圖5所示。

圖5 NECS的OPNET仿真結(jié)果Fig.5 OPNET Simulation Results of NECS

由圖5可以看出,針對原有網(wǎng)絡(luò)特性O(shè)RG,網(wǎng)絡(luò)能耗得到較明顯的優(yōu)化,這和圖4所示實際測試結(jié)果是吻合的。能耗曲線并不是線性的,其微觀放大如圖6所示,這是由于OPNET離散采樣和統(tǒng)計模型的原因。

圖6 能耗曲線(微觀)Fig.6 Energy consumption curve(micro)

網(wǎng)絡(luò)在CAP的退時延避和在CSMA/CA的接入時延都比原有網(wǎng)絡(luò)ORG小,但差別并不是很大,原因是NECS對GTS管理計算需要一定的時間。本文采用CC2430的MAC定時器T2,單位slot長約20 μs[2],調(diào)整slot可進一步減小時延性能降低程度。

在吞吐量方面,NECS比ORG性能降低了約10%～13%,這是因為NECS為了節(jié)省能耗,部分節(jié)點將需重傳的Ⅱ、Ⅲ類數(shù)據(jù)緩存在本地,沒有進行GTS授權(quán)傳送,但由于這部分?jǐn)?shù)據(jù)的實時性不高,因此并不影響B(tài)LOSMS的運行效果。

綜上,NECS在利用CC2591確保信道質(zhì)量的基礎(chǔ)上,根據(jù)數(shù)據(jù)類型通過合理選擇進行CFP傳送,從而對節(jié)點進行分類控制RF增益以及INA休眠,達到降低功耗的目的。可見,NECS以部分吞吐量為代價,實現(xiàn)了在提高能耗性能的同時不損失時延性能,數(shù)據(jù)的實時性和重要性決定該方案是可行的。

5 結(jié)束語

針對橋載設(shè)備運行安全監(jiān)控系統(tǒng)(BLOSMS)在試用過程中出現(xiàn)的感知層節(jié)點能耗問題,提出了節(jié)點硬件能耗控制策略(NECS)。其主要思想是:利用PA芯片增強信道LQI,減少距離和重傳引發(fā)電池消耗惡性循環(huán)的發(fā)生;再進一步利用GTS實現(xiàn)避免重傳和節(jié)點分類增益控制,同時通過休眠機制切換MCU晶振,最終降低MCU和PA芯片的節(jié)點硬件功耗。通過測試和OPNET仿真發(fā)現(xiàn),雖然看似增加PA會加大節(jié)點功耗,但由于重傳次數(shù)的減少、節(jié)點增益和休眠的控制、部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?一定程度降低吞吐量),節(jié)點能耗反而降低。

從信息論角度以及參考文獻[13]～[14]和仿真過程分析,能耗、吞吐量和時延等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的優(yōu)化不能兼顧。因此,合理地選擇網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化角度和方法是十分重要的。經(jīng)驗證,NECS可以有效降低節(jié)點能耗,尤其適用于節(jié)點間距離有一定要求的場合,同時對物聯(lián)網(wǎng)感知層的MAC優(yōu)化有一定參考價值。

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Optimal Design of the Monitoring Network Node of Airport Bridge and Ground-borne Equipment for Reducing Energy Consumption

Focusing on the problems of excessive node battery consumption which causes data loss or errors in the field tests of safety monitoring system for airport bridge and ground-borne equipment,the node hardware is designed optimally based on operation environment of the system and in accordance with the characteristic relationship between channel RSSI and battery.In addition,based on network superframe and GTS management mechanism;the optimal method for controlling RF gain and sleep policy of the node is proposed according to the data classification management.The optimized node is tested and OPNET simulation is conducted,the results show that this method effectively reduces energy consumption of the node,and the other performance of the system is not adversely affected.

Internet of things GTS Airport equipment supervisory Low power consumption RSSI OPNET

TP393

A

中國民航總局科技基金資助項目(編號:MHRD0609);

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)中國民航大學(xué)專項基金資助項目(編號: 3122013C015);

中央高校基本科研業(yè)務(wù)民航節(jié)能減排專項基金資助項目(編號: ZXH2012G005)。

修改稿收到日期:2014-01-26。

陳維興(1981-),男,2007年畢業(yè)于東北大學(xué)自動化儀表專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要從事智能儀表技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究。