周文茜，王 濤，劉建磊,高 巖

(1.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081)

沖擊試驗(yàn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)同步采集系統(tǒng)

周文茜1，王 濤1，劉建磊2,高 巖2

(1.北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081)

針對(duì)橋梁健康檢測(cè)中的沖擊振動(dòng)試驗(yàn),搭建以WiFi為介質(zhì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將沖擊發(fā)生時(shí)重錘和橋梁各測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)由采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，由信號(hào)的幅值譜和相位譜可計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型等參數(shù)，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況。對(duì)于不同位置的采集節(jié)點(diǎn)，分別為其選用了合適的加速度計(jì)并設(shè)計(jì)了調(diào)理電路，由嵌入式微處理器控制數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。上位機(jī)軟件采用C# 編寫，可以同時(shí)接收所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)及讀取，以進(jìn)行后續(xù)的頻譜分析和計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和時(shí)鐘同步，還提出了一種改進(jìn)的帶重發(fā)機(jī)制的UDP協(xié)議和一種簡(jiǎn)化版RBS時(shí)鐘同步協(xié)議。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)采集，采集速率可達(dá)到5 kHz，UDP無(wú)線傳輸?shù)膩G包率控制在0.014%以內(nèi)，時(shí)鐘同步誤差為50 μs,滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； WiFi； 上位機(jī)； 時(shí)鐘同步； UDP

0 引言

為測(cè)試橋梁體系的自振頻率，通常采用沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法[1]。試驗(yàn)中需要同時(shí)采集沖擊重錘和被沖擊橋梁的振動(dòng)波形，之后再進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算。傳統(tǒng)的有線采集方式布線成本較高，因此改用WiFi方式進(jìn)行通信[2]，所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

為了確保互相關(guān)運(yùn)算的準(zhǔn)確性，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行時(shí)鐘同步[3]。目前，主流的時(shí)鐘同步協(xié)議有網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(network time protocol,NTP)、參考廣播同步(reference broadcast synchronization,RBS)協(xié)議、延遲測(cè)量時(shí)間同步(delay measurement time synchronization,DMTS)協(xié)議等[4]。本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)接收者之間的同步，因此，對(duì)RBS協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并將其作為時(shí)鐘同步協(xié)議，選用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(user datagram protocol,UDP)作為傳輸層協(xié)議。由于UDP協(xié)議沒(méi)有應(yīng)答重發(fā)機(jī)制，容易發(fā)生丟包，而目前現(xiàn)有的安全可靠UDP(security reliable UDP,SRUDP)、增強(qiáng)型可靠UDP(enbanced reliable UDP,ERUDP)等改進(jìn)協(xié)議都加入了對(duì)所有數(shù)據(jù)包的應(yīng)答，故本文提出了一種新方法，只在檢測(cè)到丟失數(shù)據(jù)后對(duì)下一包進(jìn)行應(yīng)答，以節(jié)約通信量。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和硬件原理

采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。待測(cè)信號(hào)分為重錘產(chǎn)生的高頻加速度信號(hào)和橋梁體受沖擊時(shí)產(chǎn)生的低頻加速度信號(hào)。整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形單跳網(wǎng)絡(luò)，所有采集節(jié)點(diǎn)僅和上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，互相之間不進(jìn)行通信。

圖1 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

1.1 低頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

低頻信號(hào)采集所用的傳感器為891-2型拾振器，它是動(dòng)圈往復(fù)式拾振器，輸出電壓信號(hào)基準(zhǔn)為0 V，分辨率為0.092 2 V·s2/m。低頻節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理電路如圖2所示[5]。最后得到以2.5 V為基準(zhǔn)的差分電壓信號(hào)SIG+和SIG-。

圖2 低頻節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理電路圖

1.2 高頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

高頻節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理電路如圖3所示[6-8]。

圖3 高頻節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理電路圖

高頻信號(hào)采集電式傳感器INV9822，需要2～20 mA的恒流源進(jìn)行供電[6]，分辨率為9.822 mV·s2/m。最后得到以0.6 V為基準(zhǔn)的電壓信號(hào)。

2 協(xié)議設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 帶丟包檢測(cè)和重發(fā)機(jī)制的UDP協(xié)議

重發(fā)操作示意圖如圖4所示。

圖4 重發(fā)操作示意圖

在程序中開辟緩沖區(qū)，存放目前最新采集到的三幀數(shù)據(jù)，下位機(jī)節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有丟幀情況發(fā)生時(shí)，僅發(fā)送當(dāng)前剛采集的一幀。每幀數(shù)據(jù)的幀頭為模式位，然后是幀序號(hào)，最后是數(shù)據(jù)。當(dāng)下位機(jī)需要發(fā)送整個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行補(bǔ)幀時(shí)，會(huì)標(biāo)記當(dāng)前最新完成采集的一幀的幀頭。

2.2 時(shí)鐘同步協(xié)議

由于沖擊過(guò)程持續(xù)時(shí)間不會(huì)超過(guò)0.6 s，因此只需采集任務(wù)執(zhí)行前同步時(shí)鐘[7-9]。本系統(tǒng)直接利用上位機(jī)廣播同步命令，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。由于各節(jié)點(diǎn)與無(wú)線接入點(diǎn)的距離近似相等，可認(rèn)為同步命令同時(shí)到達(dá)各節(jié)點(diǎn)[10]。由于所用WiFi模塊的INT引腳在模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，在下位機(jī)程序中，開啟該引腳所對(duì)應(yīng)的外部中斷，節(jié)點(diǎn)收到命令就會(huì)進(jìn)入中斷處理。在中斷處理函數(shù)中讀取命令，若為同步命令，則重置幀序號(hào)、將待采數(shù)據(jù)幀的存儲(chǔ)位置設(shè)為緩沖區(qū)的起點(diǎn)，并重啟信號(hào)定時(shí)采集所用的定時(shí)器，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘同步。

2.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

每幀有100個(gè)數(shù)據(jù)。采集間隔的設(shè)定方法為：設(shè)定采集所用定時(shí)器的中斷頻率為5 kHz，累計(jì)進(jìn)行中斷次數(shù)初始為0，每進(jìn)行一次定時(shí)中斷，累計(jì)次數(shù)加1。當(dāng)累計(jì)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值的時(shí)，將其清零，同時(shí)采集標(biāo)志置1。通過(guò)調(diào)整累計(jì)次數(shù)設(shè)定值來(lái)調(diào)整采集間隔。

下位機(jī)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 下位機(jī)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

2.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序使用C# 編寫，采用三線程結(jié)合隊(duì)列的方式。上位機(jī)程序框圖如圖6所示。隊(duì)列結(jié)構(gòu)用來(lái)暫存接收到的數(shù)據(jù)，count為隊(duì)列中所存放完整數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)。

圖6 上位機(jī)程序流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為測(cè)試改進(jìn)后的UDP協(xié)議性能，令單個(gè)節(jié)點(diǎn)以1 kHz采樣率持續(xù)采集100 s，重復(fù)試驗(yàn)，得到純UDP協(xié)議平均丟包率為1%；而使用了改進(jìn)UDP協(xié)議之后，丟包率降為0.014%，傳輸穩(wěn)定性大大提升，沖擊波形采集完整性得到了有效保證。

為測(cè)試時(shí)鐘同步協(xié)議的性能，同時(shí)接入一個(gè)高頻節(jié)點(diǎn)和一個(gè)低頻節(jié)點(diǎn)，以1 kHz采樣率采樣，輸入沖擊信號(hào)。未加入時(shí)鐘同步協(xié)議時(shí)，測(cè)得兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在約10 ms的同步誤差。加入時(shí)鐘同步協(xié)議后的振動(dòng)波形如圖7所示。

圖7 時(shí)鐘同步后的振動(dòng)波形

從圖7幾乎分辨不出同步誤差。測(cè)量高低頻兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上A/D芯片的時(shí)鐘信號(hào)，得到時(shí)鐘誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際同步誤差基本能控制在2 μs以內(nèi)，平均誤差為0.8 μs，同步精度得到有效提升。

圖8 時(shí)鐘同步誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)橋梁檢測(cè)中的沖擊試驗(yàn)，開發(fā)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)同步采集系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)。為了確保數(shù)據(jù)的有效性，引入了可靠UDP協(xié)議和時(shí)鐘同步協(xié)議，成功地將無(wú)線傳輸?shù)膩G包率降至0.014%，同步誤差降至1 μs左右。試驗(yàn)表明，本系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性。

本系統(tǒng)的不足之處在于：所采用的UDP重發(fā)機(jī)制只適用于單個(gè)丟包，無(wú)法處理連續(xù)性丟包，因此丟包現(xiàn)象依然存在。后續(xù)可以為重發(fā)過(guò)程加入應(yīng)答機(jī)制、增大緩沖區(qū)容量，以改進(jìn)這一問(wèn)題。

此外，在時(shí)鐘同步方面，由于各節(jié)點(diǎn)存在中斷延遲、且由中斷程序返回主循環(huán)的位置不一樣，會(huì)在讀取環(huán)節(jié)引入時(shí)鐘同步誤差；而各節(jié)點(diǎn)晶振不一致造成的同步誤差也會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷增大。后續(xù)需要對(duì)這幾種誤差源提出相應(yīng)的補(bǔ)償算法，進(jìn)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，在讀碩士研究生，主要從事檢測(cè)工程與自動(dòng)化裝置的研究。E-mail:imjustadog@sina.com。 王濤(通信作者)，男，博士，研究員，主要從事新型傳感與檢測(cè)技術(shù)、基于氣動(dòng)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制的研究和應(yīng)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