基于Imote2的WSN橋梁結構健康監測系統無線傳輸研究

摘 要:無線傳輸在橋梁結構健康監測系統中的應用有效解決了有線傳輸的布線問題，但同時也帶來了一些數據傳輸上的問題，例如:數據傳輸時數據包容易丟失而降低通信的可靠性;節點采集的數據序列很難完全時間同步，因而影響數據的精確度;簡單的單跳通信只能滿足基站節點與葉節點在可視路徑內進行通信，在復雜環境下有障礙物阻擋時會導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機制減少數據包的丟失，從而保證傳輸的可靠性;采用浮動時間同步協議(FTSP)和重采樣使節點之間的時鐘同步度提高;采用AODV協議實現多跳傳輸，使節點在通信不良時通過中間節點與基站節點通信，增加通信可靠性并加大通信距離。

關鍵詞: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，事故一旦發生不僅會造成重大財產損失，更會嚴重地危害生命。采用無線傳感器網絡系統對橋梁結構進行監控，相關部門就可以根據系統預警及時做出反應，以防范事故的發生。無線傳感器網絡由具有采樣、計算和通信能力的大量微型傳感器節點組成，這些傳感器節點分別采集橋梁結構的相關數據，并將處理后的數據以無線傳輸的方式送到基站節點，再通過計算機對整個健康結構狀況進行系統分析判斷。傳輸系統是否可靠、迅速，這將直接決定整個系統是否能有效的運行，因此需要研究無線傳輸系統以選擇一個最佳的傳輸模式。

1 無線傳輸系統

1.1 節點

本系統采用的Imote2是一個先進的無線傳感器網絡平臺，其結構圖如圖1所示，它采用低功耗的PXA271 XScale CPU[1]，并集成了CC2420 IEEE802.15.4無線收發器。

Imote2平臺本身包含了2.4 GHz表面安裝天線，標稱覆蓋范圍為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公司生產的Titanis 2.4 GHz可旋轉天線，它的物理特性和電特性參數見表1。

圖1 接有Titanis 2.4 GHz的Imote2節點

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無線收發器的參數見表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;實際上在鋼箱梁環境下測試最大距離約為75 m(見3.2.2節)，性能明顯優于Imote2自帶的無線天線。

表2 收發器參數

收發器TI CC2420

頻帶(ISM)2 400.0~2 483.5 MHz

數據率250 Kb/s

發送功率-24~0 dBm

接收靈敏度-94 dBm

1.2 開發平臺和開發語言

用TinyOS作為Imote2的操作系統，采用Cygwin在XP系統下模擬Tinyos環境，該操作系統具有很小的內存占有量，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架方式，完整的系統由一個調度器和一些組件構成，應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。組件庫包括網絡協議、分布式服務、傳感器驅動和數據采集工具[3]。

Nesc是一種擴展C的編程語言，主要用于傳感器網絡的編程開發。

1.3 關鍵技術

無線傳感器網絡的研究主要集中于三個方面:網絡管理技術、網絡支撐技術、網絡通信協議[4]。其中，網絡支撐技術主要以時間同步協議為主要研究方向;網絡通信協議包含物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。數據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 網絡支撐技術(時間同步協議)

智能傳感器網絡所測量的諸多信號具有自己獨立的時間坐標，所以必須使之同步。如果時間同步不能得到有效的解決，結構健康監測將產生誤差，尤其是模態的相位[6]。

2.1 傳感器節點本地時鐘同步

傳統的雙向時間同步機制建立在成對節點同步的基礎上，節點A，B通過交換2組數據包就能實現兩者本地時鐘同步。節點A在本地時鐘T1時刻發送同步數據包，當節點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。然后節點B返還一個數據包給A，此數據包包含了時間T1，T2和發送時刻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)。

在分布式無線網絡結構[7]中，n個葉節點需要同時與基站節點達成時間同步，這樣雙向通信會造成基站數據冗余，同時為了避免D的估計，減少交換信息的數量，選擇單向時間同步機制，把浮動時間同步化協議運用在Imote2中，使由于傳感網絡節點自己的獨立時鐘導致的時間誤差最小化，從而實現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、穩定性和收斂性等方面的要求，具體算法的實現步驟如下:

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

(2) 在完成SYNC字節發射后給時間同步消息標記時間戳T1并發射出去;消息數據部分的發射時間可通過數據發射速率和數據長度算得，發送的信息位個數為n，發送每比特位的時間為t，發送時T=nt。

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

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

FTSP流程圖如圖2所示，圖中T為發送節點，R為接收節點。

圖2 FTSP流程示意圖

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

圖3 根節點逐個增大消息序列號的機制



root下有n+1個葉節點，其中p節點不在其通信范圍之內，同步時root節點發送序列號為1的同步消息至1，2，…，n的葉節點;1，2，…，n的葉節點發送序列號為2的同步消息至p節點，如果p節點將這n個同步消息都接收的話就會很多余，所以節點p在接收到節點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號節點中序列為2的消息，或者來自p節點中序列為3的消息。

2.2 節點間采樣頻率的同步

本地時鐘同步后，各節點采集的數據均為序列形式，這些序列上的對應點應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，而用于模態分析上，一個真實的模態將會變成數個不同的模態，出現在真正的自然頻率附近，這將造成結構監測的較大誤差。但即使設定了某個固定的采樣頻率，各個節點在實施時總會有微小誤差，同時每個節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困難的，如同時鐘正在線性游移中。經過較長時間后，采樣頻率的浮動會促使數據質量逐漸下降。TinyOS是個非實時的平臺，可采用重采樣技術再處理的方式達到數據同步。

當采樣頻率滿足Nyquist采樣定理:fs≥2時，則采樣之后的數字信號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據序列。

3 網絡通信協議

3.1 MAC層(ACK機制)

由于有些數據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。節點間距離增加，信噪比下降，會導致傳輸數據出錯。數個同步節點接口上的信號相撞，也會導致一個或兩個數據包遺漏。這種錯誤通常發生于同時搭載著傳感器節點命令與測量數據的數據包。如果命令數據包丟失，目標節點將無法運行特定的任務。如果搭載測量信號的數據包遺失，目標節點就不能得到完整的數據。

基于確認的通信方式可有效保證節點間傳輸的可靠性，該方式在收到接收端以單播(Unicast)方式返還的確認信息(ACK)前，將不停地重傳數據包，直到發送端給該數據設定的定時器超時為止，圖4為其格式圖。

圖4 普通ACK格式

但是大量的確認信息會占用較長的等待時間，這時相同的數據包會被持續地傳送很多次，而且Imote2射頻的組件兼備了聆聽模式與傳輸模式，不停地切換模式占用響應時間也會降低傳輸效率。為取代原有每個數據包的確認，可以發送一整套數據包，然后等待確認信號(ACK)，即采用一種群ACK機制[10]，發送端到接收端的傳輸時間為Tp，單個數據包發送時間為Tt，ACK返還信號的傳輸時間為Tr，數據包之間的時間間隔Gap為Ts(節點響應處理時間忽略)。發送方發送多個數據包并且對其標記，直到所有數據包全部發送完畢，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對所傳的所有數據包進行確認。下一套數據包的發送取決于ACK的狀況，ACK中會對傳輸中發生錯誤的數據包進行說明，發送端對這些數據包進行重傳。圖5為其格式圖。

圖5 群ACK機制格式

可見，同樣傳輸n個數據包，群ACK機制下節省了(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)

若單個數據包出錯概率為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，系統的吞吐量也得到增加，發送與接收節點間的切換次數將得到大幅降低。

3.2 網絡層(Multi-hop Communication)

一般的無線傳輸網絡均采用單跳(Single-hop)通信，所有的葉節點與基站節點直接通信，而在大橋鋼箱梁這種復雜的安裝環境下，無法將所有的葉節點均有效安裝在基站節點的視距范圍內，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，基站節點需要通過多跳(Multi-hop)中繼的方法與某些葉節點進行通信。

3.2.1 基本原理

無線自組網按需平面距離矢量路由協議(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，源路由并不需要包括在每一個數據分組中，這樣所有協議的開銷有所降低，不在路徑內的節點不保存路由信息，也不參與路由表的交換。

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

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，測量環境為南京長江二橋鋼箱梁內部(20091120)，取90%的接收率為有效通信。單跳中基站節點發送一定數量的數據包，葉節點把接收到的相應數據包再發送回基站;多跳整個過程則需經過中間節點的接力。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據接收率。

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 語

無線傳輸系統中通過改善數據同步處理方式以及各個網絡協議層的通信協議，優化了信息傳輸系統的性能，提高了數據傳輸的可靠性和準確度，為整個橋梁健康監測系統提供了有力的數據保證。

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

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