曾 超， 湯寶平， 鄧 蕾， 肖 鑫

(重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]，可彌補(bǔ)有線機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某些應(yīng)用中的局限性，如密封環(huán)境中軸承、齒輪等機(jī)械旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的振動(dòng)監(jiān)測(cè)[3]。相較于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用[4-5]，機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)5～20 kHz的高采樣頻率及16～24位的高A/D轉(zhuǎn)換精度將產(chǎn)生大量的振動(dòng)數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較窄的信道帶寬使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率過(guò)低，在大量振動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸需求下實(shí)時(shí)性極差。目前，通用無(wú)線通信模塊Nordic NrF905、TI CC2530等均支持動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)通信載波頻率，因此可采用多信道通信實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間并行數(shù)據(jù)傳輸以提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率。

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[6-8]， Guglielmo等[9]通過(guò)采用時(shí)隙調(diào)頻方法(TSCH)提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率及通信可靠性。Wu等[10]提出一種基于樹(shù)的多信道調(diào)度協(xié)議TMCP，并采用貪婪信道分配算法使得樹(shù)間通信干擾最小化，該方法可提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量及降低丟包率。Chen等[11]通過(guò)構(gòu)建均衡拓?fù)?、信道分配和全網(wǎng)同步的TDMA機(jī)制實(shí)現(xiàn)了多信道數(shù)據(jù)收集協(xié)議MCC，該方法可將網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高33%～155%。以上方法雖然提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率，但是相較于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中僅需不高于120 μs 的同步采集精度[12]，機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)需要5～20 kHz的采樣頻率，各采集節(jié)點(diǎn)間同步采集精度應(yīng)小于5 μs才能滿(mǎn)足正常監(jiān)測(cè)要求，否則將直接影響信號(hào)采集的有效性和狀態(tài)分析結(jié)果的好壞，如在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間差將導(dǎo)致嚴(yán)重的相位誤差[13]。目前，在滿(mǎn)足機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)高同步精度要求的前提下實(shí)現(xiàn)多信道數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄎ匆?jiàn)相關(guān)報(bào)道，因此本文提出一種基于簇樹(shù)星形混合拓?fù)涞臋C(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸方法，以彌補(bǔ)現(xiàn)有高同步精度采集方法[14-15]傳輸速度過(guò)低的缺陷。該方法通過(guò)樹(shù)間干擾最小化信道分配、樹(shù)間通信握手機(jī)制、樹(shù)間通信優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制、樹(shù)內(nèi)通信能耗最小化時(shí)序調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)多信道數(shù)據(jù)傳輸。

1 簇樹(shù)星形混合拓?fù)?/h2>

前期研究[14-15]表明基于跨層設(shè)計(jì)和信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償?shù)亩嗵W(wǎng)絡(luò)同步采集觸發(fā)方法可將同步觸發(fā)誤差控制在1 μs以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)要求。但是，該方法為避免信標(biāo)沖突，采用時(shí)分復(fù)用思想將各路由節(jié)點(diǎn)信標(biāo)活動(dòng)區(qū)間進(jìn)行劃分，導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行r(shí)間段隨著活動(dòng)區(qū)的壓縮而減小，使得信道帶寬受限的機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率降至更低水平。機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)較高的采樣頻率短時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生大量原始數(shù)據(jù)，過(guò)低的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率將導(dǎo)致極差的時(shí)效性。為此，提出一種基于簇樹(shù)星形混合拓?fù)涞亩嘈诺纻鬏敺椒?。在采用前期研究中提出的基于跨層設(shè)計(jì)和信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償?shù)亩嗵W(wǎng)絡(luò)同步采集觸發(fā)方法完成機(jī)械振動(dòng)信號(hào)同步采集后，網(wǎng)關(guān)發(fā)出數(shù)據(jù)匯聚命令信標(biāo)。各路由節(jié)點(diǎn)接收到匯聚命令后，首先繼承信標(biāo)內(nèi)容并向下轉(zhuǎn)發(fā)，隨后以分配信道組建網(wǎng)絡(luò)。各采集節(jié)點(diǎn)接收到匯聚命令后，以自身父路由節(jié)點(diǎn)信道加入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建單跳星形網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

基于IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持星形、對(duì)等和樹(shù)形三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；诖貥?shù)星形混合拓?fù)涞亩嘈诺纻鬏敺椒梢杂行ЫY(jié)合樹(shù)形拓?fù)浜托切瓮負(fù)涓髯詢(xún)?yōu)勢(shì)。一方面，利用樹(shù)形拓?fù)鋵哟谓Y(jié)構(gòu)鮮明的特點(diǎn)使網(wǎng)絡(luò)路由算法得以簡(jiǎn)化；另一方面，在星形拓?fù)渲?，由底層基礎(chǔ)TIMAC協(xié)議棧提供信標(biāo)模式下的全網(wǎng)周期性同步，為物理上具有分散性的各節(jié)點(diǎn)提供基本的時(shí)間同步條件，方便對(duì)樹(shù)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸調(diào)度。此外，由于各路由節(jié)點(diǎn)均采用不同信道建立網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需考慮如何避免信標(biāo)沖突。因此，各星形網(wǎng)絡(luò)中活動(dòng)區(qū)可占滿(mǎn)整個(gè)信標(biāo)間隔，從而最大化各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行r(shí)間，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖1 簇樹(shù)星形混合拓?fù)銯ig.1 Tree-star hybrid topology

采用簇樹(shù)星形混合拓?fù)潆m然避免了信標(biāo)沖突，但是帶來(lái)了樹(shù)間互盲的弊端，如圖2所示。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)D希望向路由節(jié)點(diǎn)C傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)D將把信道切換至節(jié)點(diǎn)C信道。但是，節(jié)點(diǎn)C此時(shí)可能正向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)A傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C、D不處于同一信道，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)D數(shù)據(jù)傳輸失敗。如何解決樹(shù)間互盲，將在第三章詳述。

圖2 樹(shù)間互盲Fig.2 Network partitions problem

2 樹(shù)間干擾最小化信道分配

2.1 信道分配方法

相對(duì)于面向橋梁、環(huán)境監(jiān)測(cè)等大范圍狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用要求的覆蓋范圍更小，三跳樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足大部分機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。為避免鄰頻干擾影響樹(shù)間并行通信，使樹(shù)間干擾最小化，需對(duì)各路由節(jié)點(diǎn)信道進(jìn)行合理分配。為此，首先統(tǒng)計(jì)深度為i的路由節(jié)點(diǎn)數(shù)為si，由于IEEE 802.15.4協(xié)議最大僅支持16信道，故各si應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

(1)

如圖3所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)G正在向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)C處于節(jié)點(diǎn)B、D、E、F的通信范圍內(nèi)，若此時(shí)節(jié)點(diǎn)B、D、E、F中任一節(jié)點(diǎn)以節(jié)點(diǎn)C的相鄰信道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，將導(dǎo)致鄰頻干擾。因此，為減少樹(shù)間干擾，在進(jìn)行信道分配時(shí)，應(yīng)使任一路由節(jié)點(diǎn)的信道與所有同層路由節(jié)點(diǎn)及上層路由節(jié)點(diǎn)的信道相隔至少兩個(gè)信道。假設(shè)各路由節(jié)點(diǎn)分配信道為Vij，i為節(jié)點(diǎn)所處深度，j為節(jié)點(diǎn)號(hào)，各節(jié)點(diǎn)信道應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

(2)

圖3 鄰頻干擾Fig.3 Adjacent channel interference

定理1：可解得滿(mǎn)足式(1)、(2)的各路由節(jié)點(diǎn)分配信道集合K的前提為：相鄰深度路由節(jié)點(diǎn)最大總數(shù)不大于8。

證明：假設(shè)整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中相鄰深度路由節(jié)點(diǎn)的總數(shù)最大為t，且滿(mǎn)足k1

以上各式相加可得，kt-k1≥2t-2。此外，由于各路由節(jié)點(diǎn)分配信道數(shù)值范圍為1～16，故兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)信道差值上界為15，因此t≤8，即相鄰深度路由節(jié)點(diǎn)最大總數(shù)不大于8。

當(dāng)相鄰深度路由節(jié)點(diǎn)最大總數(shù)不大于8時(shí)，求解滿(mǎn)足式(1)、(2)的各路由節(jié)點(diǎn)分配信道集合K，方法如下：

信道分配方法

輸入：深度為i的路由節(jié)點(diǎn)數(shù)為si,i=1, 2, 3；偶數(shù)號(hào)信道集合Even：{2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16}；奇數(shù)號(hào)信道集合Odd： {1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15}。

輸出：記深度1與深度3中路由節(jié)點(diǎn)數(shù)較大者為m,較小者為n,各深度i路由節(jié)點(diǎn)分配信道集合為ki。

for 深度為m的路由節(jié)點(diǎn) do

km(u)=Even(p) ；

u+,p++；

untilu>sm；

for 深度為2的路由節(jié)點(diǎn)do

k2(v)=Even(p)；

v++,p++；

untilv>s2；

for 深度為n的路由節(jié)點(diǎn) do

kn(w)=Odd(j)；

w++,j++；

untilw>sn

2.2 低開(kāi)銷(xiāo)的信道分配信息廣播機(jī)制

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成信道分配后，需將信道分配結(jié)果通知拓?fù)渲衅溆喔鞴?jié)點(diǎn)。信標(biāo)幀作為MAC通用幀的一種特殊形式，其包含了信標(biāo)級(jí)數(shù)、超幀級(jí)數(shù)等關(guān)鍵組網(wǎng)信息。此外，IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)定信標(biāo)幀最大允許攜帶52字節(jié)的信標(biāo)載荷。因此，可以通過(guò)將信道分配信息載入信標(biāo)發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)低開(kāi)銷(xiāo)的信道分配信息廣播機(jī)制。如圖4所示，信道分配信標(biāo)載荷由信道分配標(biāo)識(shí)、路由節(jié)點(diǎn)地址和路由節(jié)點(diǎn)信道組成。該信標(biāo)首先由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出，路由節(jié)點(diǎn)繼承該信標(biāo)內(nèi)容并向下轉(zhuǎn)發(fā)，各節(jié)點(diǎn)接收到該信標(biāo)后，解析信標(biāo)內(nèi)容，提取與自身相關(guān)的路由節(jié)點(diǎn)信道。

圖4 信道分配信標(biāo)載荷格式Fig.4 The format of beacon payload for allocate channel

3 數(shù)據(jù)匯聚

3.1 樹(shù)間通信握手機(jī)制

對(duì)于樹(shù)間互盲，一種解決思路為實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時(shí)間同步，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可在同一時(shí)間切換至同一信道。但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為分布式系統(tǒng)，由于物理上的分散性，為彼此間相互獨(dú)立的各節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一的全局時(shí)鐘往往不易。而且現(xiàn)有的時(shí)間同步協(xié)議由于晶振漂移等因素導(dǎo)致的時(shí)間同步誤差將使網(wǎng)絡(luò)通信性能隨著時(shí)間的增加而衰減[10]。為此，采用握手機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)樹(shù)間通信。

如圖2中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)A首先廣播數(shù)據(jù)匯聚命令信標(biāo)幀，路由節(jié)點(diǎn)C、D接收到信標(biāo)幀后，繼承該信標(biāo)內(nèi)容并向下轉(zhuǎn)發(fā)。各路由節(jié)點(diǎn)完成信標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)后，按各自分配信道組建簇樹(shù)星形拓?fù)洹８鞑杉?jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀后，以父節(jié)點(diǎn)分配信道掃描網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)成功后，進(jìn)行數(shù)據(jù)幀發(fā)送。考慮到路由節(jié)點(diǎn)自身內(nèi)存有限，無(wú)法緩存過(guò)多原始數(shù)據(jù)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)D接收數(shù)據(jù)幀達(dá)到一定量時(shí)，向上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)C發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求幀RTS。若路由節(jié)點(diǎn)C空閑，則向節(jié)點(diǎn)D回復(fù)允許數(shù)據(jù)傳輸幀CTS，節(jié)點(diǎn)D接收到CTS后，向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)幀，直到自身所有緩存數(shù)據(jù)傳輸完畢，此時(shí)節(jié)點(diǎn)D將向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸完畢幀F(xiàn)TS。節(jié)點(diǎn)C接收到FTS后，向父節(jié)點(diǎn)A發(fā)出RTS，后續(xù)過(guò)程同路由節(jié)點(diǎn)D，如圖5所示。

圖5 樹(shù)間通信握手機(jī)制Fig.5 Handshake mechanism for inter-tree communication

3.2 樹(shù)間通信優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制

在簇樹(shù)星型混合拓?fù)渲校酚晒?jié)點(diǎn)某時(shí)刻可能正與父路由節(jié)點(diǎn)、子路由節(jié)點(diǎn)、子采集節(jié)點(diǎn)中任一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，當(dāng)另一子路由節(jié)點(diǎn)向該路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出RTS時(shí)，由于資源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線模塊往往較為單一，無(wú)法支持同時(shí)發(fā)送與接收且無(wú)法同時(shí)與多個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，若該路由節(jié)點(diǎn)直接回應(yīng)CTS將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。因此，為對(duì)無(wú)線模塊進(jìn)行合理調(diào)度，協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)間通信，采用通信優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制。

如圖2所示，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)G向路由節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求幀RTS時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)C可能：①與父路由節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行通信，若允許路由節(jié)點(diǎn)G進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于信道不一致將導(dǎo)致路由節(jié)點(diǎn)G嚴(yán)重丟包；②與子路由節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行通信，若路由節(jié)點(diǎn)G同時(shí)進(jìn)行傳輸，由于CSMA-CA機(jī)制將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)高載波偵聽(tīng)能耗，因此對(duì)于以上兩點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)C都將只存儲(chǔ)本次RTS握手信息，在傳輸完成后回應(yīng)CTS；③與子采集節(jié)點(diǎn)F進(jìn)行通信，若不允許路由節(jié)點(diǎn)G傳輸，將導(dǎo)致過(guò)多原始數(shù)據(jù)緩存于節(jié)點(diǎn)中，而節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量往往有限，故此時(shí)將回應(yīng)路由節(jié)點(diǎn)G允許數(shù)據(jù)傳輸幀CTS。此外，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)A向路由節(jié)點(diǎn)C回應(yīng)允許數(shù)據(jù)傳輸幀CTS時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)C可能與子路由節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行通信，若路由節(jié)點(diǎn)C同時(shí)向路由節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于無(wú)線模塊不支持同時(shí)收發(fā)，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。因此，路由節(jié)點(diǎn)與其父路由節(jié)點(diǎn)和子路由節(jié)點(diǎn)具有相同的通信優(yōu)先級(jí)，互相之間不允許搶占，而與其子采集節(jié)點(diǎn)間通信優(yōu)先級(jí)最低，可被搶占。

3.3 樹(shù)內(nèi)通信能耗最小化時(shí)序調(diào)度

IEEE 802.15.4協(xié)議采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免機(jī)制，若某路由節(jié)點(diǎn)下所有子采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行多次載波偵聽(tīng)，導(dǎo)致無(wú)謂的高能量開(kāi)銷(xiāo)。為此，利用TIMAC協(xié)議棧提供的信標(biāo)模式下全網(wǎng)周期性同步的特點(diǎn)對(duì)樹(shù)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸與休眠調(diào)度，最小化樹(shù)內(nèi)通信能耗。

如圖6所示，在數(shù)據(jù)傳輸階段，路由節(jié)點(diǎn)以信標(biāo)間隔周期性廣播信標(biāo)幀，并將子采集節(jié)點(diǎn)短地址載入信標(biāo)進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)子采集節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀后，解析信標(biāo)負(fù)載中有否帶有自身短地址。若有，則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；若沒(méi)有，則進(jìn)入休眠模式，休眠時(shí)間應(yīng)略小于信標(biāo)間隔，以便提前喚醒，為下一次接收信標(biāo)幀做準(zhǔn)備。當(dāng)正在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖硬杉?jié)點(diǎn)將自身所有數(shù)據(jù)傳輸完畢后，向父路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送回應(yīng)幀，表明數(shù)據(jù)傳輸完成，隨后網(wǎng)關(guān)按關(guān)聯(lián)順序?qū)⑾乱蛔硬杉?jié)點(diǎn)短地址載入信標(biāo)，通知相應(yīng)子采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，直到所有子采集節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 樹(shù)內(nèi)通信能耗最小化時(shí)序調(diào)度Fig.6 Time-scheduled inner-tree communication with minimizing power consumption

3.4 數(shù)據(jù)傳輸可靠性

機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)惡劣的工作環(huán)境、復(fù)雜的電磁環(huán)境以及路由節(jié)點(diǎn)信道的頻繁切換都將導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生丟失?；贗EEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸模式，如圖7所示。當(dāng)數(shù)據(jù)幀或應(yīng)答幀丟失時(shí)，都將通知發(fā)送方網(wǎng)絡(luò)層傳輸失敗。對(duì)于樹(shù)內(nèi)通信，采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸失敗可能由于父路由節(jié)點(diǎn)接收到CTS后切換信道導(dǎo)致，此時(shí)采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)停止數(shù)據(jù)傳輸，由下一個(gè)信標(biāo)負(fù)載內(nèi)容決定是否恢復(fù)傳輸。對(duì)于樹(shù)間通信，數(shù)據(jù)傳輸均由握手信息觸發(fā)，因此當(dāng)握手幀傳輸失敗時(shí)，立即重傳該幀以保證握手信息的可靠傳輸。當(dāng)握手幀傳輸失敗是由應(yīng)答幀丟失引起時(shí)，重傳該幀將導(dǎo)致接收方收到發(fā)送方的重復(fù)握手請(qǐng)求，為此在接收方進(jìn)行幀序號(hào)的連續(xù)性檢測(cè)，當(dāng)幀序號(hào)相同時(shí)應(yīng)予以剔除。

圖7 應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸模式Fig.7 Acknowledged data transmission mode

4 性能評(píng)估

為驗(yàn)證本文所提基于簇樹(shù)星形混合拓?fù)涞臋C(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸方法性能，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)WSNG4上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。WSNG4采集節(jié)點(diǎn)采用雙核架構(gòu)，由基于ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F405微控制器和無(wú)線通信模塊TI CC2530集成的增強(qiáng)型8051微處理器組成，節(jié)點(diǎn)支持IEPE傳感器，可采用噪聲較低的IEPE傳感器采集機(jī)械振動(dòng)信號(hào)。WSNG4路由節(jié)點(diǎn)由無(wú)線通信模塊TI CC2530組成，并外擴(kuò)容量為128Mbit的Flash芯片作為數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，實(shí)物如圖8所示。

圖8 WSNG4節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖Fig.8 The WSNG4 prototype

將多個(gè)WSNG4節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)依次組建單跳、兩跳、三跳網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示。WSNG4采集節(jié)點(diǎn)分別采集動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(DDS)平行軸齒輪箱高速軸和低速軸兩個(gè)相互垂直方向的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為12 800 Hz，采樣長(zhǎng)度從20.48 kB逐漸增加至204.8 kB，如圖10所示。采集完畢后，實(shí)驗(yàn)1通過(guò)本文所提的多信道數(shù)據(jù)傳輸方法將原始數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)串口上傳至上位機(jī)管理系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)2則采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免機(jī)制(CSMA-CA)。

圖9 對(duì)比實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.9 The network topology of comparative experiment

圖10 對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)照片F(xiàn)ig.10 The photo of comparative experiment test platform

在不同深度的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)下，實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對(duì)比如圖11所示。由于在一跳網(wǎng)絡(luò)中不存在路由節(jié)點(diǎn)，無(wú)需將信標(biāo)活動(dòng)區(qū)間進(jìn)行劃分來(lái)避免信標(biāo)沖突，因此各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行r(shí)間不會(huì)被壓縮。此外，實(shí)驗(yàn)2采用了CSMA-CA，在某節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)提前將數(shù)據(jù)幀準(zhǔn)備完畢，因此在一跳網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)驗(yàn)1的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率將略低于實(shí)驗(yàn)2，如圖11(a)所示。由圖11(b)、11(c)可知，在多跳網(wǎng)絡(luò)中，相較于實(shí)驗(yàn)2，實(shí)驗(yàn)1在采用多信道數(shù)據(jù)傳輸方法后，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率明顯提高，可更加高效的傳輸大量原始振動(dòng)數(shù)據(jù)，充分說(shuō)明本文提出的基于簇樹(shù)星形混合拓?fù)涞臋C(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸方法的有效性。

(a)一跳網(wǎng)絡(luò)

(b)兩跳網(wǎng)絡(luò)

(c)三跳網(wǎng)絡(luò)圖11 不同拓?fù)湎?，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對(duì)比Fig.11 The comparative experiment of network transmission rate in different topology

此外，為了驗(yàn)證本文方法不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生影響，將多個(gè)WSNG4節(jié)點(diǎn)以圖9所示拓?fù)浣M建三跳樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)分別采集動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(DDS)平行軸齒輪箱高速軸x，y向和低速軸x，y向機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率為12 800 Hz，采樣長(zhǎng)度為65 536 B。采集完畢后通過(guò)多信道傳輸方法將數(shù)據(jù)傳回至上位機(jī)管理系統(tǒng)，與同樣條件下采用NI9234有線采集卡采集的相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。圖12為WSNG4節(jié)點(diǎn)與NI9234采集高速軸x向振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域、頻域?qū)Ρ龋現(xiàn)FT分析點(diǎn)數(shù)取32 768，表1為主要譜線對(duì)比。

(a)信號(hào)時(shí)域?qū)Ρ?/p>

(b)信號(hào)頻域?qū)Ρ葓D12 節(jié)點(diǎn)采集與NI9234采集信號(hào)對(duì)比Fig.12 Comparison of signal between node acquisition and NI9234

從對(duì)比分析結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)與NI9234采集信號(hào)的主要頻率成分一致，頻率誤差在頻率分辨率以?xún)?nèi)(<0.390 625 Hz)。節(jié)點(diǎn)與NI9234采集的幅值誤差較大，主要原因是節(jié)點(diǎn)和NI9234為不同采集系統(tǒng)，無(wú)法同時(shí)采集，而振動(dòng)信號(hào)較為微弱，易受干擾而不穩(wěn)定，非同步采集將導(dǎo)致分析誤差。

表1 主要譜線頻率和幅值誤差對(duì)比

5 結(jié) 論

機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中最常采用的振動(dòng)信號(hào)采集需要5～20 kHz的采樣頻率，采集數(shù)據(jù)量大，受制于機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較窄的信道帶寬，難以高效傳輸大量原始振動(dòng)數(shù)據(jù)。為提高機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，本文提出一種基于簇樹(shù)星形混合拓?fù)涞亩嘈诺纻鬏敺椒āＭㄟ^(guò)樹(shù)間干擾最小化信道分配、樹(shù)間通信握手機(jī)制、樹(shù)間通信優(yōu)先級(jí)搶占機(jī)制來(lái)解決鄰頻干擾、樹(shù)間互盲問(wèn)題，并采用樹(shù)內(nèi)通信能耗最小化時(shí)序調(diào)度方法降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在多跳網(wǎng)絡(luò)中，采用該方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可有效提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，這對(duì)于提高信道帶寬受限的機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)效性具有重要意義。

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