【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 理影響較小，一般的時(shí)間同步精度通常能滿足（比如：測(cè)量振動(dòng)頻率為 20Hz的低頻振動(dòng)時(shí)，只需毫秒級(jí)的同步精度即可保證其相位偏移值很?。?。而 對(duì)于 振動(dòng)頻率可達(dá)數(shù)百赫茲 的機(jī)械 結(jié)構(gòu) 振動(dòng)來(lái)說(shuō) ，各節(jié)點(diǎn)時(shí)間 同步精度必須在微妙級(jí)別 才能 保證其相位偏移誤差較小 。 2）盡可能減少維持節(jié)點(diǎn)之間同步所帶來(lái)的能耗。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，而且振動(dòng)監(jiān)測(cè)區(qū)域往往環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 10 甚至人員不能到達(dá)，因此 不能 通過(guò) 經(jīng)常 更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能源。而維持時(shí)間同步是節(jié)點(diǎn)耗能的主要 因素 之一。由此可見(jiàn)，在精度滿足需要的前提下，應(yīng)盡可能減少同步算法的能耗。 3）橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)中需要使用多跳同步方法。 在 橋梁結(jié)構(gòu) 振動(dòng)監(jiān)測(cè)中， 由于傳感器節(jié)點(diǎn) 往往分布 在一個(gè)范圍比較大的區(qū)域 ， 而現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射范圍往往只有數(shù)十米，這就 迫使 采集所得的振動(dòng) 數(shù)據(jù)必須通過(guò)多跳方式傳遞到 基站，這樣就要求橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)中采用多跳網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步方法。 綜上所述，用于橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法應(yīng)是一種具有微秒級(jí)精度、低功耗的多跳同步方法。 3. 2 基于貪婪啟發(fā)式 的時(shí)間同步方法 低功耗單跳同步方法 PBS 方法的 同步原理 為 [91]：如 圖 所示 ，首先 選取節(jié)點(diǎn) A、 P 為參考節(jié)點(diǎn)對(duì)，它們通過(guò)成對(duì)同步保持時(shí)間同步。節(jié)點(diǎn) B為網(wǎng)內(nèi)除 A、 P以外的任意節(jié)點(diǎn)，可以接收 A、 P 發(fā)射的帶有時(shí)間戳信息的同步信號(hào)。節(jié)點(diǎn) B利用接收到的同步信息通過(guò)類似 RBS 方法 的同步，使得 B 與節(jié) 點(diǎn) P 同步。依此類推到其他節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步。 該方法最大的特點(diǎn)是能耗相對(duì)較低。 圖 PBS 方法同步示意圖 在 單跳網(wǎng)絡(luò)中， 由于所有節(jié)點(diǎn)都在同網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的 單跳通信范圍之內(nèi)，因此任意一 對(duì) 節(jié)點(diǎn)都可以作為發(fā)射節(jié)點(diǎn) 以使用 PBS 方法 來(lái)同步其他節(jié)點(diǎn)。但是在多跳網(wǎng)絡(luò)中 ，由于節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，有可能出現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)密集度不一樣，因此 就要面對(duì)選取參考節(jié)點(diǎn)對(duì)的問(wèn)題 。 本文使用一種基于貪婪啟發(fā)式的算法[92]來(lái)選取參考節(jié)點(diǎn)對(duì)， 劃定 PBS 單跳同步范圍， 將 PBS 單跳同步方法擴(kuò)展到多跳 A P B 節(jié)點(diǎn) B 只接 收時(shí)間信息 參考節(jié)點(diǎn)對(duì) 互換時(shí)間信息 利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 11 同步。 假使網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有 一個(gè)唯一的 ID 號(hào)，并且在廣播級(jí)別發(fā)現(xiàn)階段給每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配級(jí)別 。具體步驟如下： 步驟 1 首先，節(jié)點(diǎn) 偵聽 其鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目與節(jié)點(diǎn) ID 號(hào)。第 i 級(jí)別的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn) j 產(chǎn)生一個(gè)列表信息 Lj，這個(gè)列表信息包括節(jié)點(diǎn) j的 i級(jí)別的所有鄰居節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)。 i級(jí)別的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都發(fā)送該列表信息給其（ i1）級(jí)別的鄰居節(jié)點(diǎn)。 （如圖 所示） 依此類推，級(jí)別高的發(fā)送列表信息給級(jí)別低的。 圖 節(jié)點(diǎn)交換鄰居節(jié)點(diǎn)列表 步驟 2 在 j 接收完其所有 (i+1)級(jí)別的鄰居節(jié)點(diǎn)的列表信息以后，清點(diǎn)這些列表 從而得知 哪個(gè)節(jié)點(diǎn)與 j 共有的 i+1 級(jí)別的鄰居節(jié)點(diǎn) 最多，并且 與其共處在 一個(gè)單跳范圍內(nèi)，確定通過(guò)一次 PBS 能同步的最大鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。定義該數(shù)目為 j 的syncnum, 與 j 共有 (i+1)級(jí)別鄰居節(jié)點(diǎn)最多的節(jié)點(diǎn)為 k（如圖 ：節(jié)點(diǎn) 2的syncnum=3， k為節(jié)點(diǎn) 5）。 節(jié)點(diǎn) j 發(fā)送 syncnum 到其 i級(jí)別的所有鄰居節(jié)點(diǎn)。 圖 各節(jié)點(diǎn)分別與其鄰居節(jié)點(diǎn)交換 syncnum 值 步驟 3 通過(guò)步驟 2以后， 級(jí)別 i的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都將接收到其同級(jí)別的鄰居節(jié)點(diǎn)的 syncnum 值。節(jié)點(diǎn) j檢查其本身的 syncnum 是否為 所接收到的所有 syncnum 中2 1 3 4 5 6 i1 級(jí) i 級(jí) i+1 級(jí) L4 L2 L5 L2 L6 L2 L3 L2 L3 L2 2 55 3 4 1 各節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)互換 sync_num 利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 12 的最大者： 1） 如果節(jié)點(diǎn) j 自身的 syncnum 值是所有接收 syncnum 值中的最大， j 將向每一個(gè) i級(jí)別的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)列表信息 L’ 。 列表信息 L’ 中包括 以節(jié)點(diǎn) j與 k為參考節(jié)點(diǎn)對(duì) 使用一次 PBS 所能同步的節(jié)點(diǎn)的 ID。 然后， Lj更新為 Lj=Lj – L‘。通過(guò)多次更新以后直到 syncnum 值變?yōu)?0，節(jié)點(diǎn) j進(jìn)入步驟 5。 2） 如果節(jié)點(diǎn) j 自身的 syncnum 值不是所有接收 syncnum 值中的最大者。節(jié)點(diǎn) j向其 i 級(jí)別鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè) 數(shù)據(jù) 包 —— not MAX。然后 j 等待應(yīng)答信息 ， 應(yīng)答信息又分為兩種情況： 情況 a 節(jié)點(diǎn) j 從其 i 級(jí) 別鄰居節(jié)點(diǎn)中接收到一個(gè)或者多個(gè) L’ 與相應(yīng)的syncnum，收到剩下的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的包 not MAX。 列表 Lj 更新為 Lj=Lj （ UL’ ），通過(guò)多次更新以后直到 syncnum 值變?yōu)?0，節(jié)點(diǎn) j 發(fā)送完該 syncnum 值以后跳到步驟 5。 情況 b 由于具有 syncnum 最大值的節(jié)點(diǎn)有可能并沒(méi)有判斷出自己具有該最大值，所以有可能出現(xiàn) 節(jié)點(diǎn) j從其 i 級(jí)別鄰居節(jié)點(diǎn)收到的全是 not MAX 信息 包。在這種情況下，由于節(jié)點(diǎn) j及其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)它們沒(méi)有最大的 syncnum 值，所以節(jié)點(diǎn) j 的 syncnum 值不發(fā)生變化。 節(jié)點(diǎn) j 將再次向其所有 i 級(jí)別鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送syncnum。直到出現(xiàn)情況 a為止。 步驟 4 重復(fù)步驟 3，直到 列表 Lj清空為止。 步驟 5 通過(guò)以上步驟后，確定了進(jìn)行一次 PBS 同步的節(jié)點(diǎn)范圍。 節(jié)點(diǎn) j 使用上述 PBS 單跳同步方法與其同步列表中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步 ，進(jìn)而達(dá)到全網(wǎng)同步。 低功耗 的多跳 時(shí)間同步算法流程圖如圖 所示，由以上步驟可以確定通過(guò)一確定 syncnum 開始 結(jié)束 i+1 層節(jié)點(diǎn) j 發(fā)送Lj 至 i1 層 Lj=Lj –L’直到syncnum=0 （ syncnum） j=max? 節(jié)點(diǎn) j 向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包 not MAX 節(jié)點(diǎn) j收到全是 not MAX? Lj=Lj（ UL’）直到syncnum=0 節(jié)點(diǎn) j 發(fā)送syncnum 至鄰居節(jié) 點(diǎn) Y Y N N 節(jié)點(diǎn) j 與列表 L’中的節(jié)點(diǎn)通過(guò) PBS 同步 利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 13 次 PBS 方法所能同步的最大節(jié)點(diǎn)范圍，在該范圍內(nèi)最大限度的減少了同步過(guò)程中同步信息的發(fā)送次數(shù)，因此可以得到優(yōu)化的最佳參考節(jié)點(diǎn)對(duì)，并以較低的同步能耗達(dá)到全網(wǎng)同步。 圖 低功耗 的 多跳 時(shí)間同步 算法流程圖 在 晶振頻率為 8MHZ 的 micaz 平臺(tái)上， RBS 算法的 單跳同步 精度 可達(dá) 5個(gè) μ s左右；在多跳網(wǎng)絡(luò)中， 5 跳距離內(nèi)的平均同步精度在 10μ s左右 [93]。 PBS 方法 的 時(shí)間偏移以及時(shí)間漂移估計(jì)式與 RBS 的相同 [91]，而時(shí)間同步精度主要和該式有關(guān)，所以他們的同步精度相同。本課題設(shè)計(jì)的方法是 PBS 方法向多跳同步的一個(gè)擴(kuò)展，其精度估計(jì)式并沒(méi)有變。可見(jiàn)，本課題所設(shè)計(jì)的基于 PBS 的多跳同步方法同步精度相比 RBS 并無(wú)損失， 能夠滿足 橋梁結(jié)構(gòu) 振動(dòng)監(jiān)測(cè)的需要。 對(duì)于具有 L 個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步網(wǎng)絡(luò)， 如果除去參考節(jié)點(diǎn)仍有 N 個(gè)節(jié)點(diǎn)， 各算法達(dá)到全網(wǎng)同步所需發(fā)送同步信息的次數(shù)分別為： RBS需要 N+L(L1)/2次； TPSN需要 2N(L1)次 ； FTSP 需要 NL次 ； 而 PBS 方法發(fā)送信息次數(shù)為 2N 次。可以看出 ， PBS 相對(duì)于傳統(tǒng)經(jīng)典方法同步能耗大大降低。 利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 14 4 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原型設(shè)計(jì) 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上主要分為：監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集部分、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸部分和數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)分析處理部分。在對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路、功能原理和邏輯流程進(jìn)行詳細(xì)的闡 述之后，對(duì)系統(tǒng)的主要模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并初步驗(yàn)證基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性。 橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)構(gòu)架 橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)架如圖 所示，在振動(dòng)信號(hào)的采集環(huán)節(jié)中主要是以一定數(shù)量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖中所示的 Mesh 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，由傳感器接入無(wú)線節(jié)點(diǎn)完成信號(hào)的獲取和采集，并發(fā)送到數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)，最終傳送到數(shù)據(jù)終端，完成數(shù)據(jù)處理。 在系統(tǒng)中信息的流向不僅僅是自傳感器節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)終端的一種流動(dòng)方向，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的小區(qū)域數(shù)據(jù)融合，無(wú)線節(jié)點(diǎn) 在網(wǎng)絡(luò)自組織過(guò)程中的組網(wǎng)信息發(fā)送，以及監(jiān)控過(guò)程中監(jiān)控端的主動(dòng)數(shù)據(jù)查詢等等。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的信息交互而言，用戶終端與數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中是數(shù)據(jù)交互的主動(dòng)方，它們和網(wǎng)絡(luò)中其它模塊之間的數(shù)據(jù)流向如圖 所示，給出了系統(tǒng)在用戶端和信號(hào)采集端之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)。在串口收發(fā)模塊以上的抽象模塊均屬于 PC 機(jī)上的運(yùn)行程序，其下層抽象層為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基站節(jié)點(diǎn)（或數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)）通過(guò)串口通信方式連接 PC 機(jī)，下箭頭線表示上層往下層傳送的各種請(qǐng)求命令，向上箭頭表示下層傳送到上層的對(duì)應(yīng)于上次發(fā)送的請(qǐng)求的相應(yīng)數(shù)據(jù)包。通 過(guò)請(qǐng)求和對(duì)應(yīng)相應(yīng)的傳送實(shí)現(xiàn)了用戶和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相互交互。 利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 15 終 端手 持 設(shè) 備終 端顯 示 屏以 太 網(wǎng)M e s h 網(wǎng) 絡(luò)M e s h 網(wǎng) 絡(luò)M e s h 網(wǎng) 絡(luò)M e s h 網(wǎng) 絡(luò)M e s h 網(wǎng) 絡(luò)S i n k 節(jié) 點(diǎn)S i n k 節(jié) 點(diǎn)S i n k 節(jié) 點(diǎn)S i n k 節(jié) 點(diǎn)數(shù) 據(jù) 終 端數(shù) 據(jù) 終 端S i n k 節(jié) 點(diǎn)傳 感 器無(wú) 線 節(jié) 點(diǎn) 圖 橋梁結(jié) 構(gòu) 振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)構(gòu)架 用 戶 端數(shù) 據(jù) 處 理數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ)串 口 收 發(fā) 模 塊數(shù) 據(jù) 匯 集 節(jié) 點(diǎn)分 組 M e s h 網(wǎng) 絡(luò)節(jié) 點(diǎn)節(jié) 點(diǎn)網(wǎng) 絡(luò) 控 制數(shù) 據(jù) 顯 示分 析 結(jié) 果結(jié) 果 顯 示結(jié) 果 保 存數(shù) 據(jù) 保 存數(shù) 據(jù) 上 傳網(wǎng) 絡(luò) 組 織數(shù) 據(jù) 丟 失 重 傳數(shù) 據(jù) 匯 集主 動(dòng) 查 詢數(shù) 據(jù) 融 合 圖 軟件模塊中的數(shù)據(jù)交互示意圖 當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)絡(luò)中的命令請(qǐng)求信息后，對(duì)命令信息進(jìn)行分析，如果該命令數(shù)據(jù)是獲取該節(jié)點(diǎn)的特征信息 (比如：能量、節(jié)點(diǎn)號(hào)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等 )，則直接獲取該結(jié)點(diǎn)的信息，并形成一個(gè)針對(duì)該請(qǐng)求命令的應(yīng)答幀，按照命令請(qǐng)求路由信息相反利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 16 的路徑傳送到匯集節(jié)點(diǎn)；如 果該命令是獲取該傳感器節(jié)點(diǎn)上的監(jiān)測(cè)的信息，則對(duì)傳感器的信息進(jìn)行采集，并形成一個(gè)針對(duì)該請(qǐng)求命令的應(yīng)答幀，按照命令請(qǐng)求路由信息相反的路徑傳送到匯集節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)使用和以后的功能擴(kuò)展過(guò)程中，只用調(diào)整和改變每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件的數(shù)據(jù)采集模塊功能就可以了。為了描述的方便，我們把這部分功能單獨(dú)列出來(lái)，稱之為“前端檢測(cè)環(huán)節(jié)”。 當(dāng)匯集節(jié)點(diǎn)通過(guò)它的無(wú)線模塊收到來(lái)自于其它節(jié)點(diǎn)的命令請(qǐng)求應(yīng)答幀（如路由請(qǐng)求應(yīng)答幀、數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求應(yīng)答幀、節(jié)點(diǎn)特征查詢請(qǐng)求應(yīng)答幀等）后，把數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到與之連接的 PC 機(jī)上。 PC 機(jī)收到串口傳送過(guò)來(lái)的命 令請(qǐng)求應(yīng)答幀后，對(duì)該命令請(qǐng)求應(yīng)答數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析處理，對(duì)采集到的傳感器檢測(cè)的信息進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)組成闡述和系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流分析，明確了系統(tǒng)的功能原理和結(jié)構(gòu)模塊的劃分。為了便于系統(tǒng)的具體的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，下面給出了具體的系統(tǒng)程序模塊關(guān)系圖，如圖 所示。 數(shù)據(jù)采集組件 振動(dòng)傳感器 EE PR O M 無(wú)線 收發(fā)組件 路由組件 網(wǎng) 絡(luò) 數(shù) 據(jù) 管 理 器 可靠傳輸組件 時(shí)間同步組件 自組網(wǎng)組件 事 件 管 理 器 數(shù)據(jù) 融合 組件 串口收發(fā)模塊 顯示模塊 用戶接口模塊 數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)模塊 數(shù)據(jù) 處理模塊 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模塊 圖 軟件模塊組成 利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的振動(dòng)檢測(cè) 17 監(jiān)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 本課題在選用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)采用的 Crossbow公司的 Miacz型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和 MDA320 數(shù)據(jù)采集接口板，其硬件實(shí)物如 圖 。 圖 無(wú)線發(fā)射節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)物圖 Miacz 是工作頻段在 的無(wú)線通信模塊，硬件采用低功耗設(shè)計(jì)，采用的射頻頻段在 ～ 全球兼容的 ISM 波段，具有直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗 RF干擾能力較強(qiáng)、數(shù)據(jù)隱蔽性好，理論傳輸速率為 250kbps，軟件操作系統(tǒng)為 TinyOS。該無(wú)線通信模塊基于 ATmega128L 處理芯片， ATmega128L 是一款低功耗的處理器，內(nèi) 部存儲(chǔ)器為 128KB，外