無線傳感器網絡中的傳感器節點分組控制策略*

徐 征，張 華，岳國棟，劉 沖，王天嬈

(1.大連理工大學 微納米技術及系統遼寧省重點實驗室，遼寧 大連116085;2.蘇州鼎汗傳感網技術有限公司，江蘇 蘇州215011)

0 引 言

由于無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)無需繁瑣的布線連接，使用靈活，可以實現重大裝備、交通運輸、大規模工程實驗等領域中的關鍵指標監測、安全預警等，引起國內外廣泛關注。Heinzelman W R 等人［1］研究WSNs 傳感器節點通信方式和低功耗問題。Aboelela E 等人基于模糊邏輯的聚合技術研究了面向鐵路的無線傳感安全預警技術［2］。Kootkar S 等人建立適合于環境監測的特征通信協議，并分析驗證了系統通信性能［3］。將WSNs 作為安全監測手段應用到工程領域，需考慮以下問題:

工程現場可能存在物理遮擋、強電磁干擾、溫濕度變化等不利因素，并且傳感器節點(以下簡稱節點)不能干擾設備正常運轉，這使得許多節點不得不設在信號差的區域，對于無線通信質量影響顯著。而工程現場待測信息瞬息萬變，要求傳感器測得信息具有時效性，信號丟失或延時過長會使得監測失去實際意義。

WSNs 中存在設備節點、中繼節點、路由節點等多種節點，不同節點感知的信息可能具有時間相關和空間對應關系，要求這些傳感器相對位置準確和信息同步［4］。

為克服環境不利因素的影響，提高采集傳輸同步性和數據完整性，可以從采集控制、組網方式和傳輸模式方面進行考慮，并在管理節點的上位機上實現，但國內外開發的WSNs 上位機監控軟件［5，6］，主要針對專有節點設計，其通用性受到限制。

本文針對上述WSNs 中節點管理的要求和問題，研究了WSNs 節點分組控制方法，制定節點分組控制策略、單元組的模塊化控制流程以及故障處理方法，將多節點的控制依組分開執行，提高傳輸效率和動態組網的靈活性，采用定時、計數、超時控制等方法輔助控制流程的順利執行。設計并實現WSNs 上位機控制軟件，最后進行了多節點控制和數據傳輸可靠性的測試實驗，結果表明:應用本文提出的管理策略和實現方法，能使網絡內多節點的管理更靈活，提高了WSNs 數據傳輸的可靠性。

1 系統組成

本文設計的WSNs 結構組成如圖1 所示，WSNs 采用星型拓撲結構，由無線傳感器節點、網關基站、監控中心、數據庫服務器和瀏覽器客戶端組成。無線傳感器節點內含傳感器，負責將感知的數據傳輸至網關基站;網關基站將數據匯聚后，構建通信協議幀，將匯聚的數據以數據幀形式發送至監控中心;監控中心對傳感信息發射單元和網關基站組網和監控，并將采集的數據存入數據庫;瀏覽器客戶端根據業務需求檢索數據庫中傳感器數據。

圖1 基于星型拓撲的WSNs 結構Fig 1 WSNs structure based on star topology

2 控制策略

2.1 分組控制策略

常規情況下，眾多節點按時間序列采集數據，并傳送給監控中心?？紤]到數據同步性要求和傳輸效率，本文以節點為組元構成的傳感器組為最小單元，進行傳輸采集控制。傳感器組依據以下策略劃分和管理:

1)相似相容:將采樣頻率、采樣時長、采樣模式等性質相同或相近的節點編為同組管理，組內節點共享存儲空間，遵循同一傳輸規則。

2)時間周期控制:根據網絡性能和傳輸數據規模，確定組元單次操作的可容忍延遲度和重發次數，若多次未能完成預定操作，則將其移除到故障組，保證組內多數組元的正常工作。

3)各組在不同進程內控制和管理，進程相互獨立，依據各組通信負荷，分配處理時長和存儲空間。

典型的節點分組實現流程如下:首先，建立節點Map表，存儲節點特征信息;其次，建立傳感器組Map 表，存儲組參數信息，引導控制流程的執行;最后，根據節點特征信息將節點分配到各組，并將組號存儲在節點Map 表中，實現自動分組。

2.2 傳感器組的流程控制與故障處理

分組策略實現監控組的管理，而組單元的內部控制需要一種控制流程來實現節點與控制中心交互。如圖2 所示，制定上位機控制流程:

1)確認節點停止對傳感器的采集操作;2)確認停止節點與監控中心之間的傳感器數據傳輸;3)擦除存儲器歷史數據;4)實現對節點開始采集的控制，在達到采集時長后，監控中心收到停止采集確認信號;5)下載節點存儲器的數據，并存儲到數據庫相應位置。

圖2 傳感器組內部監控流程Fig 2 Internal monitoring process of sensors group

無線通信中信息阻塞和丟包是常見故障，為提高傳輸效率和數據完整性，建立超時故障處理和定時查詢網絡狀態的處理策略。

超時故障處理:1)信息丟失處理:設定超時重發次數，采用多次重發方法確保收到命令回復消息。2)信息冗余處理:無線通信的延遲會導致超時重發多次后收到多個命令回復，僅處理與流程匹配的命令消息來消除冗余消息的影響。3)超時重發失敗處理:若組內部分節點超時無命令回復，則剔除超時計數超標的節點;若組內所有節點均無回復，則鎖定狀態并短信報警。待故障消除后，自動重啟控制流程。

定時查詢網絡狀態:定時判斷網絡連接狀況，對網絡設備故障等異常情況造成的監控中斷報警，并自動建立新的連接，連接成功后自動維護連接環境。

2.3 傳輸幀格式

傳輸幀格式是WSNs 通信或服務遵循的規則和約定，本系統采用的幀格式如表1 所示，具體說明如下:

1)名稱標識符、幀長度和校驗碼用來保證數據幀信息準確有效。校驗不成功的幀為無效幀。

2)功能碼表達了幀信息的功能意義，數據包和功能碼以結構體的形式添加在數據部分。接收方解析出功能碼，再根據功能碼對應的結構體類型，從該幀數據部分取出數據，完成該幀數據的接收。

表1 WSNs 節點傳輸幀格式Tab 1 Frame format for WSNs nodes transmission

3 監控軟件實現

監控軟件由通信接口層、消息分發層、策略控制層組成，采用面向對象編程技術實現。

1)通信接口層:實現監控軟件的信息流輸入/輸出控制，包括:數據接收、發送、解析、校驗。

2)消息分發層:根據用戶命令或時序要求，將界面交互、節點上線通知、超時管理、待測數據下載等任務以消息形式分發到各功能模塊。

3)策略控制層:監控的核心層，負責分組策略、傳輸控制方法、數據分發策略等。

為滿足眾多節點監控和數據快速存儲需求，本文采用如下內存管理技術:采用FIFO 隊列緩沖區接收節點數據;建立數據分發線程，分發FIFO 隊列數據，建立數據入庫線程，將入庫隊列中數據依次入庫。線程定時查詢隊列數據，并在有數據的情況下，發送消息通知相應線程工作并停止定時器。

4 實驗結果

依據本文建立的方法和軟件，在某鐵路實驗段搭建WSNs 系統，監測鋼軌受力狀態。實驗段共布置6 個測點。各測點布置4 種不同節點各1 個，傳感器節點的特征參數見表2。

表2 傳感器節點的特征參數Tab 2 Characteristic parameters of sensor nodes

在監控中心分別控制6 個監測點的節點采樣并傳輸數據給監控中心。監控中心采取本文提出的分組策略思想，根據監測點的位置獨立性，分成6 組;根據采樣條件不同，每組再分為2 組，低頻應變傳感器節點與溫度傳感器節點有時間和位置同步要求，因此，將其歸為同組，總計仍為12 組。為驗證上述條件下分組策略的有效性，本文設計了統計測試時長內數據量完整性的方法。

系統節點以設定采樣率采集一定時長獲得相應點數的數據量，每點占用2 byte 內存空間。因此，節點理論數據量大小為

式中 Q理論為理論數據量大小，N 為節點數，Ci為采集次數，Fi為采樣率，Ti為采樣時長。

低頻應變傳感器節點和溫度傳感器節點是按時間相隔進行采樣的，本文稱為時間觸發模式。此類型節點的每天理論傳輸數據量為

Q理論應變=576.0 kB，Q理論溫度=57.6 kB.

高頻應變傳感器節點的采樣是在達到用戶設定閾值觸發的，本文稱為閾值觸發模式。此類型節點的閾值依據工況設定，觸發次數ci為每天列車經過次數。統計該路段列車運行情況得出ci≤70 次，計算此類型節點的每天最大傳輸數據量為Q理論=4.2 MB。

因此，若測試時長內的理論數據量大小為Q理論，實際獲得的數據量大小為Q實際，則Q實際/Q理論即為數據量完整性比例R。Q實際通過訪問數據庫獲得，Q理論用上述公式計算。理論數據量反映網絡數據傳輸的規模，而數據量完整性則反映了系統工作效率和控制效果，實驗結果見表3?？梢?，不同時長內，各傳感節點的數據傳輸完整性均在90 %以上。

表3 數據完整性統計結果Tab 3 Statistical result of data integrity

5 結 論

本文建立了WSNs 節點分組控制策略、傳感器組控制流程和故障處理方法，對多節點靈活組合，分組策略保證組間控制獨立和組內控制同步，滿足WSNs 多類型節點的監控管理需求。基于上述方法開發了具有三層架構的WSNs上位機控制軟件，該軟件采用模塊化設計，便于擴展，并兼容多種WSNs 節點，使用靈活。在建立的WSNs 平臺上對本文建立的節點管理方法進行了測試，實驗結果表明:采用分組策略管理多種傳感器節點，操作靈活，有助于提高WSNs數據傳輸的完整性。

［1］ Heinzelman W R，Kulik J，Balakrishman H.Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks［C］∥Proc of the 5th ACM/IEEE Mobicom Conference，Seattle，WA，1999:174 －185.

［2］ Aboelela E，Edberg W，Papakonstantinou C，et al.Wireless sensor network based model for secure railway operations［C］∥2006 IEEE International Performance Computing and Communications Conference，Phoenix，AZ，2006:623 －628.

［3］ Kootkar S，Al－Ars Z.Design and implementation of reliable wireless sensor networks-A case study in commuter trains［C］∥Proc of ProRISC Workshop，Veldhoven，Netherlands，2007.

［4］ 車 暢，梁韋華，周 悅，等.基于多智能體的無線傳感器網絡協同問題研究［J］.儀器儀表學報，2005，26(8):229 －232.

［5］ 卞 娜.基于LabVIEW 的無線傳感器網絡監控軟件［D］.鄭州:鄭州大學，2011.

［6］ 伍成亮.無線傳感器網絡數據可視化系統設計與實現［D］.廣州:暨南大學，2008.