沖擊試驗的無線傳感網絡同步采集系統

周文茜，王 濤，劉建磊,高 巖

(1.北京理工大學自動化學院,北京 100081；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所,北京 100081)

沖擊試驗的無線傳感網絡同步采集系統

周文茜1，王 濤1，劉建磊2,高 巖2

(1.北京理工大學自動化學院,北京 100081；2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所,北京 100081)

針對橋梁健康檢測中的沖擊振動試驗,搭建以WiFi為介質的無線傳感器網絡，將沖擊發生時重錘和橋梁各測點的加速度信號由采集節點實時發送給上位機，由信號的幅值譜和相位譜可計算出橋梁結構的自振頻率、振型等參數，從而判斷橋梁結構的健康狀況。對于不同位置的采集節點，分別為其選用了合適的加速度計并設計了調理電路，由嵌入式微處理器控制數據的采集和發送。上位機軟件采用C# 編寫，可以同時接收所有節點發送的數據并對其進行顯示、存儲及讀取，以進行后續的頻譜分析和計算。為實現數據的穩定傳輸和時鐘同步，還提出了一種改進的帶重發機制的UDP協議和一種簡化版RBS時鐘同步協議。試驗表明，系統能夠實現準確的信號采集，采集速率可達到5 kHz，UDP無線傳輸的丟包率控制在0.014%以內，時鐘同步誤差為50 μs,滿足實際應用需求。

無線傳感器網絡； WiFi； 上位機； 時鐘同步； UDP

0 引言

為測試橋梁體系的自振頻率，通常采用沖擊振動試驗法[1]。試驗中需要同時采集沖擊重錘和被沖擊橋梁的振動波形，之后再進行互相關運算。傳統的有線采集方式布線成本較高，因此改用WiFi方式進行通信[2]，所有節點構成了一個無線傳感器網絡。

為了確保互相關運算的準確性，各個傳感器節點之間需要進行時鐘同步[3]。目前，主流的時鐘同步協議有網絡時間協議(network time protocol,NTP)、參考廣播同步(reference broadcast synchronization,RBS)協議、延遲測量時間同步(delay measurement time synchronization,DMTS)協議等[4]。本系統需要實現接收者之間的同步，因此，對RBS協議進行了簡化，并將其作為時鐘同步協議，選用用戶數據報協議(user datagram protocol,UDP)作為傳輸層協議。由于UDP協議沒有應答重發機制，容易發生丟包，而目前現有的安全可靠UDP(security reliable UDP,SRUDP)、增強型可靠UDP(enbanced reliable UDP,ERUDP)等改進協議都加入了對所有數據包的應答，故本文提出了一種新方法，只在檢測到丟失數據后對下一包進行應答，以節約通信量。

1 系統構成和硬件原理

采集節點結構如圖1所示。待測信號分為重錘產生的高頻加速度信號和橋梁體受沖擊時產生的低頻加速度信號。整個無線傳感器網絡的拓撲結構為星形單跳網絡，所有采集節點僅和上位機交換數據，互相之間不進行通信。

圖1 采集節點結構圖

1.1 低頻信號處理電路設計

低頻信號采集所用的傳感器為891-2型拾振器，它是動圈往復式拾振器，輸出電壓信號基準為0 V，分辨率為0.092 2 V·s2/m。低頻節點信號處理電路如圖2所示[5]。最后得到以2.5 V為基準的差分電壓信號SIG+和SIG-。

圖2 低頻節點信號處理電路圖

1.2 高頻信號處理電路設計

高頻節點信號處理電路如圖3所示[6-8]。

圖3 高頻節點信號處理電路圖

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

2 協議設計和軟件實現

2.1 帶丟包檢測和重發機制的UDP協議

重發操作示意圖如圖4所示。

圖4 重發操作示意圖

在程序中開辟緩沖區，存放目前最新采集到的三幀數據，下位機節點在沒有丟幀情況發生時，僅發送當前剛采集的一幀。每幀數據的幀頭為模式位，然后是幀序號，最后是數據。當下位機需要發送整個緩沖區進行補幀時，會標記當前最新完成采集的一幀的幀頭。

2.2 時鐘同步協議

由于沖擊過程持續時間不會超過0.6 s，因此只需采集任務執行前同步時鐘[7-9]。本系統直接利用上位機廣播同步命令，實現時鐘同步。由于各節點與無線接入點的距離近似相等，可認為同步命令同時到達各節點[10]。由于所用WiFi模塊的INT引腳在模塊接收到數據時會產生一個下降沿，在下位機程序中，開啟該引腳所對應的外部中斷，節點收到命令就會進入中斷處理。在中斷處理函數中讀取命令，若為同步命令，則重置幀序號、將待采數據幀的存儲位置設為緩沖區的起點，并重啟信號定時采集所用的定時器，即可實現節點間的時鐘同步。

2.3 下位機軟件設計

每幀有100個數據。采集間隔的設定方法為：設定采集所用定時器的中斷頻率為5 kHz，累計進行中斷次數初始為0，每進行一次定時中斷，累計次數加1。當累計次數達到設定值的時，將其清零，同時采集標志置1。通過調整累計次數設定值來調整采集間隔。

下位機軟件流程圖如圖5所示。

圖5 下位機節點程序流程圖

2.4 上位機軟件設計

上位機程序使用C# 編寫，采用三線程結合隊列的方式。上位機程序框圖如圖6所示。隊列結構用來暫存接收到的數據，count為隊列中所存放完整數據幀的幀數。

圖6 上位機程序流程圖

3 試驗結果與分析

為測試改進后的UDP協議性能，令單個節點以1 kHz采樣率持續采集100 s，重復試驗，得到純UDP協議平均丟包率為1%；而使用了改進UDP協議之后，丟包率降為0.014%，傳輸穩定性大大提升，沖擊波形采集完整性得到了有效保證。

為測試時鐘同步協議的性能，同時接入一個高頻節點和一個低頻節點，以1 kHz采樣率采樣，輸入沖擊信號。未加入時鐘同步協議時，測得兩個節點之間存在約10 ms的同步誤差。加入時鐘同步協議后的振動波形如圖7所示。

圖7 時鐘同步后的振動波形

從圖7幾乎分辨不出同步誤差。測量高低頻兩個節點上A/D芯片的時鐘信號，得到時鐘誤差統計結果如圖8所示。兩個節點的實際同步誤差基本能控制在2 μs以內，平均誤差為0.8 μs，同步精度得到有效提升。

圖8 時鐘同步誤差統計結果示意圖

4 結束語

本文針對橋梁檢測中的沖擊試驗，開發了一種基于無線傳感器網絡的振動同步采集系統，詳細介紹了系統的總體結構及軟硬件設計。為了確保數據的有效性，引入了可靠UDP協議和時鐘同步協議，成功地將無線傳輸的丟包率降至0.014%，同步誤差降至1 μs左右。試驗表明，本系統具有較高的實用性。

本系統的不足之處在于：所采用的UDP重發機制只適用于單個丟包，無法處理連續性丟包，因此丟包現象依然存在。后續可以為重發過程加入應答機制、增大緩沖區容量，以改進這一問題。

此外，在時鐘同步方面，由于各節點存在中斷延遲、且由中斷程序返回主循環的位置不一樣，會在讀取環節引入時鐘同步誤差；而各節點晶振不一致造成的同步誤差也會隨著時間的推移而不斷增大。后續需要對這幾種誤差源提出相應的補償算法，進一步提高同步精度。

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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，主要從事檢測工程與自動化裝置的研究。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技術、基于氣動技術的運動驅動與控制的研究和應用。 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