基于混合拓撲的機械無線傳感器網絡多信道數據傳輸方法

曾 超， 湯寶平， 鄧 蕾， 肖 鑫

(重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030)

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)在許多領域有著廣闊的應用前景[1-2]，可彌補有線機械設備狀態監測系統在某些應用中的局限性，如密封環境中軸承、齒輪等機械旋轉構件的振動監測[3]。相較于結構健康監測等應用[4-5]，機械振動監測中的無線傳感器網絡節點5～20 kHz的高采樣頻率及16～24位的高A/D轉換精度將產生大量的振動數據。無線傳感器網絡節點較窄的信道帶寬使得網絡數據傳輸速率過低，在大量振動數據傳輸需求下實時性極差。目前，通用無線通信模塊Nordic NrF905、TI CC2530等均支持動態調節通信載波頻率，因此可采用多信道通信實現網絡間并行數據傳輸以提高網絡數據傳輸速率。

針對無線傳感器網絡多信道數據傳輸方法，國內外學者進行了大量研究[6-8]， Guglielmo等[9]通過采用時隙調頻方法(TSCH)提高了網絡傳輸速率及通信可靠性。Wu等[10]提出一種基于樹的多信道調度協議TMCP，并采用貪婪信道分配算法使得樹間通信干擾最小化，該方法可提高網絡吞吐量及降低丟包率。Chen等[11]通過構建均衡拓撲、信道分配和全網同步的TDMA機制實現了多信道數據收集協議MCC，該方法可將網絡吞吐量提高33%～155%。以上方法雖然提高了網絡數據傳輸速率，但是相較于結構健康監測應用中僅需不高于120 μs 的同步采集精度[12]，機械振動監測需要5～20 kHz的采樣頻率，各采集節點間同步采集精度應小于5 μs才能滿足正常監測要求，否則將直接影響信號采集的有效性和狀態分析結果的好壞，如在試驗模態分析中各個測點的振動數據獲取時間差將導致嚴重的相位誤差[13]。目前，在滿足機械振動監測高同步精度要求的前提下實現多信道數據傳輸的方法未見相關報道，因此本文提出一種基于簇樹星形混合拓撲的機械振動無線傳感器網絡多信道數據傳輸方法，以彌補現有高同步精度采集方法[14-15]傳輸速度過低的缺陷。該方法通過樹間干擾最小化信道分配、樹間通信握手機制、樹間通信優先級搶占機制、樹內通信能耗最小化時序調度來實現多信道數據傳輸。

1 簇樹星形混合拓撲

前期研究[14-15]表明基于跨層設計和信標時序補償的多跳網絡同步采集觸發方法可將同步觸發誤差控制在1 μs以內，滿足機械振動監測要求。但是，該方法為避免信標沖突，采用時分復用思想將各路由節點信標活動區間進行劃分，導致各節點進行數據傳輸的有效時間段隨著活動區的壓縮而減小，使得信道帶寬受限的機械振動無線傳感器網絡數據傳輸速率降至更低水平。機械振動監測較高的采樣頻率短時間內將產生大量原始數據，過低的網絡數據傳輸速率將導致極差的時效性。為此，提出一種基于簇樹星形混合拓撲的多信道傳輸方法。在采用前期研究中提出的基于跨層設計和信標時序補償的多跳網絡同步采集觸發方法完成機械振動信號同步采集后，網關發出數據匯聚命令信標。各路由節點接收到匯聚命令后，首先繼承信標內容并向下轉發，隨后以分配信道組建網絡。各采集節點接收到匯聚命令后，以自身父路由節點信道加入網絡，構建單跳星形網絡，如圖1所示。

基于IEEE 802.15.4協議的無線傳感器網絡支持星形、對等和樹形三種拓撲結構。基于簇樹星形混合拓撲的多信道傳輸方法可以有效結合樹形拓撲和星形拓撲各自優勢。一方面，利用樹形拓撲層次結構鮮明的特點使網絡路由算法得以簡化；另一方面，在星形拓撲中，由底層基礎TIMAC協議棧提供信標模式下的全網周期性同步，為物理上具有分散性的各節點提供基本的時間同步條件，方便對樹內各節點進行傳輸調度。此外，由于各路由節點均采用不同信道建立網絡，無需考慮如何避免信標沖突。因此，各星形網絡中活動區可占滿整個信標間隔，從而最大化各節點進行數據傳輸的有效時間，提高數據傳輸速率。

圖1 簇樹星形混合拓撲Fig.1 Tree-star hybrid topology

采用簇樹星形混合拓撲雖然避免了信標沖突，但是帶來了樹間互盲的弊端，如圖2所示。當路由節點D希望向路由節點C傳輸數據時，節點D將把信道切換至節點C信道。但是，節點C此時可能正向網關節點A傳輸數據，節點C、D不處于同一信道，導致節點D數據傳輸失敗。如何解決樹間互盲，將在第三章詳述。

圖2 樹間互盲Fig.2 Network partitions problem

2 樹間干擾最小化信道分配

2.1 信道分配方法

相對于面向橋梁、環境監測等大范圍狀態監測應用，機械狀態監測應用要求的覆蓋范圍更小，三跳樹形拓撲結構可滿足大部分機械狀態監測應用。為避免鄰頻干擾影響樹間并行通信，使樹間干擾最小化，需對各路由節點信道進行合理分配。為此，首先統計深度為i的路由節點數為si，由于IEEE 802.15.4協議最大僅支持16信道，故各si應滿足以下條件：

(1)

如圖3所示，當節點G正在向節點C發送數據時，由于節點C處于節點B、D、E、F的通信范圍內，若此時節點B、D、E、F中任一節點以節點C的相鄰信道同時進行數據發送，將導致鄰頻干擾。因此，為減少樹間干擾，在進行信道分配時，應使任一路由節點的信道與所有同層路由節點及上層路由節點的信道相隔至少兩個信道。假設各路由節點分配信道為Vij，i為節點所處深度，j為節點號，各節點信道應滿足以下條件：

(2)

圖3 鄰頻干擾Fig.3 Adjacent channel interference

定理1：可解得滿足式(1)、(2)的各路由節點分配信道集合K的前提為：相鄰深度路由節點最大總數不大于8。

證明：假設整個拓撲結構中相鄰深度路由節點的總數最大為t，且滿足k1

以上各式相加可得，kt-k1≥2t-2。此外，由于各路由節點分配信道數值范圍為1～16，故兩個路由節點信道差值上界為15，因此t≤8，即相鄰深度路由節點最大總數不大于8。

當相鄰深度路由節點最大總數不大于8時，求解滿足式(1)、(2)的各路由節點分配信道集合K，方法如下：

信道分配方法

輸入：深度為i的路由節點數為si,i=1, 2, 3；偶數號信道集合Even：{2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16}；奇數號信道集合Odd： {1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15}。

輸出：記深度1與深度3中路由節點數較大者為m,較小者為n,各深度i路由節點分配信道集合為ki。

for 深度為m的路由節點 do

km(u)=Even(p) ；

u+,p++；

untilu>sm；

for 深度為2的路由節點do

k2(v)=Even(p)；

v++,p++；

untilv>s2；

for 深度為n的路由節點 do

kn(w)=Odd(j)；

w++,j++；

untilw>sn

2.2 低開銷的信道分配信息廣播機制

網關節點完成信道分配后，需將信道分配結果通知拓撲中其余各節點。信標幀作為MAC通用幀的一種特殊形式，其包含了信標級數、超幀級數等關鍵組網信息。此外，IEEE 802.15.4協議規定信標幀最大允許攜帶52字節的信標載荷。因此，可以通過將信道分配信息載入信標發送給子節點來實現低開銷的信道分配信息廣播機制。如圖4所示，信道分配信標載荷由信道分配標識、路由節點地址和路由節點信道組成。該信標首先由網關節點發出，路由節點繼承該信標內容并向下轉發，各節點接收到該信標后，解析信標內容，提取與自身相關的路由節點信道。

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

3 數據匯聚

3.1 樹間通信握手機制

對于樹間互盲，一種解決思路為實現全網的時間同步，需要進行數據通信的兩個節點可在同一時間切換至同一信道。但是無線傳感器網絡作為分布式系統，由于物理上的分散性，為彼此間相互獨立的各節點提供統一的全局時鐘往往不易。而且現有的時間同步協議由于晶振漂移等因素導致的時間同步誤差將使網絡通信性能隨著時間的增加而衰減[10]。為此，采用握手機制來實現樹間通信。

如圖2中拓撲結構，節點A首先廣播數據匯聚命令信標幀，路由節點C、D接收到信標幀后，繼承該信標內容并向下轉發。各路由節點完成信標轉發后，按各自分配信道組建簇樹星形拓撲。各采集節點接收到信標幀后，以父節點分配信道掃描網絡，入網成功后，進行數據幀發送。考慮到路由節點自身內存有限，無法緩存過多原始數據，當節點D接收數據幀達到一定量時，向上級路由節點C發出數據傳輸請求幀RTS。若路由節點C空閑，則向節點D回復允許數據傳輸幀CTS，節點D接收到CTS后，向節點C發送數據幀，直到自身所有緩存數據傳輸完畢，此時節點D將向節點C發送數據傳輸完畢幀FTS。節點C接收到FTS后，向父節點A發出RTS，后續過程同路由節點D，如圖5所示。

圖5 樹間通信握手機制Fig.5 Handshake mechanism for inter-tree communication

3.2 樹間通信優先級搶占機制

在簇樹星型混合拓撲中，路由節點某時刻可能正與父路由節點、子路由節點、子采集節點中任一節點進行通信，當另一子路由節點向該路由節點發出RTS時，由于資源受限的無線傳感器網絡中無線模塊往往較為單一，無法支持同時發送與接收且無法同時與多個節點通信，若該路由節點直接回應CTS將導致數據傳輸失敗。因此，為對無線模塊進行合理調度，協調各節點間通信，采用通信優先級搶占機制。

如圖2所示，當路由節點G向路由節點C發送數據傳輸請求幀RTS時，路由節點C可能：①與父路由節點A進行通信，若允許路由節點G進行數據傳輸，由于信道不一致將導致路由節點G嚴重丟包；②與子路由節點D進行通信，若路由節點G同時進行傳輸，由于CSMA-CA機制將導致節點高載波偵聽能耗，因此對于以上兩點，路由節點C都將只存儲本次RTS握手信息，在傳輸完成后回應CTS；③與子采集節點F進行通信，若不允許路由節點G傳輸，將導致過多原始數據緩存于節點中，而節點存儲容量往往有限，故此時將回應路由節點G允許數據傳輸幀CTS。此外，當路由節點A向路由節點C回應允許數據傳輸幀CTS時，路由節點C可能與子路由節點D進行通信，若路由節點C同時向路由節點A進行數據傳輸，由于無線模塊不支持同時收發，將導致數據傳輸失敗。因此，路由節點與其父路由節點和子路由節點具有相同的通信優先級，互相之間不允許搶占，而與其子采集節點間通信優先級最低，可被搶占。

3.3 樹內通信能耗最小化時序調度

IEEE 802.15.4協議采用載波偵聽多路訪問/沖突避免機制，若某路由節點下所有子采集節點同時進行數據傳輸，各節點將進行多次載波偵聽，導致無謂的高能量開銷。為此，利用TIMAC協議棧提供的信標模式下全網周期性同步的特點對樹內各節點進行傳輸與休眠調度，最小化樹內通信能耗。

如圖6所示，在數據傳輸階段，路由節點以信標間隔周期性廣播信標幀，并將子采集節點短地址載入信標進行發送。當子采集節點接收到信標幀后，解析信標負載中有否帶有自身短地址。若有，則進行數據傳輸；若沒有，則進入休眠模式，休眠時間應略小于信標間隔，以便提前喚醒，為下一次接收信標幀做準備。當正在進行數據傳輸的子采集節點將自身所有數據傳輸完畢后，向父路由節點發送回應幀，表明數據傳輸完成，隨后網關按關聯順序將下一子采集節點短地址載入信標，通知相應子采集節點進行數據傳輸，直到所有子采集節點完成數據傳輸。

圖6 樹內通信能耗最小化時序調度Fig.6 Time-scheduled inner-tree communication with minimizing power consumption

3.4 數據傳輸可靠性

機械振動無線傳感器網絡惡劣的工作環境、復雜的電磁環境以及路由節點信道的頻繁切換都將導致數據發生丟失。基于IEEE 802.15.4協議的無線傳感器網絡支持應答數據傳輸模式，如圖7所示。當數據幀或應答幀丟失時，都將通知發送方網絡層傳輸失敗。對于樹內通信，采集節點數據傳輸失敗可能由于父路由節點接收到CTS后切換信道導致，此時采集節點應停止數據傳輸，由下一個信標負載內容決定是否恢復傳輸。對于樹間通信，數據傳輸均由握手信息觸發，因此當握手幀傳輸失敗時，立即重傳該幀以保證握手信息的可靠傳輸。當握手幀傳輸失敗是由應答幀丟失引起時，重傳該幀將導致接收方收到發送方的重復握手請求，為此在接收方進行幀序號的連續性檢測，當幀序號相同時應予以剔除。

圖7 應答數據傳輸模式Fig.7 Acknowledged data transmission mode

4 性能評估

為驗證本文所提基于簇樹星形混合拓撲的機械振動無線傳感器網絡多信道數據傳輸方法性能，在無線傳感器網絡節點WSNG4上進行對比實驗。WSNG4采集節點采用雙核架構，由基于ARM Cortex M4內核的STM32F405微控制器和無線通信模塊TI CC2530集成的增強型8051微處理器組成，節點支持IEPE傳感器，可采用噪聲較低的IEPE傳感器采集機械振動信號。WSNG4路由節點由無線通信模塊TI CC2530組成，并外擴容量為128Mbit的Flash芯片作為數據緩存區域，實物如圖8所示。

圖8 WSNG4節點實物圖Fig.8 The WSNG4 prototype

將多個WSNG4節點與網關節點依次組建單跳、兩跳、三跳網絡，如圖9所示。WSNG4采集節點分別采集動力傳動故障診斷綜合實驗臺(DDS)平行軸齒輪箱高速軸和低速軸兩個相互垂直方向的機械振動信號，采樣頻率為12 800 Hz，采樣長度從20.48 kB逐漸增加至204.8 kB，如圖10所示。采集完畢后，實驗1通過本文所提的多信道數據傳輸方法將原始數據傳輸至網關節點，同時通過串口上傳至上位機管理系統，實驗2則采用載波偵聽多路訪問/沖突避免機制(CSMA-CA)。

圖9 對比實驗網絡拓撲Fig.9 The network topology of comparative experiment

圖10 對比實驗測試平臺照片Fig.10 The photo of comparative experiment test platform

在不同深度的樹形網絡下，實驗1、實驗2的網絡傳輸速率對比如圖11所示。由于在一跳網絡中不存在路由節點，無需將信標活動區間進行劃分來避免信標沖突，因此各節點進行數據傳輸的有效時間不會被壓縮。此外，實驗2采用了CSMA-CA，在某節點進行數據傳輸時，其他節點會提前將數據幀準備完畢，因此在一跳網絡中，實驗1的網絡傳輸速率將略低于實驗2，如圖11(a)所示。由圖11(b)、11(c)可知，在多跳網絡中，相較于實驗2，實驗1在采用多信道數據傳輸方法后，網絡傳輸速率明顯提高，可更加高效的傳輸大量原始振動數據，充分說明本文提出的基于簇樹星形混合拓撲的機械振動無線傳感器網絡多信道數據傳輸方法的有效性。

(a)一跳網絡

(b)兩跳網絡

(c)三跳網絡圖11 不同拓撲下，網絡傳輸速率對比Fig.11 The comparative experiment of network transmission rate in different topology

此外，為了驗證本文方法不會對數據精度產生影響，將多個WSNG4節點以圖9所示拓撲組建三跳樹形網絡，4個采集節點分別采集動力傳動故障診斷綜合實驗臺(DDS)平行軸齒輪箱高速軸x，y向和低速軸x，y向機械振動信號，采樣頻率為12 800 Hz，采樣長度為65 536 B。采集完畢后通過多信道傳輸方法將數據傳回至上位機管理系統，與同樣條件下采用NI9234有線采集卡采集的相應信號進行對比分析。圖12為WSNG4節點與NI9234采集高速軸x向振動信號的時域、頻域對比，FFT分析點數取32 768，表1為主要譜線對比。

(a)信號時域對比

(b)信號頻域對比圖12 節點采集與NI9234采集信號對比Fig.12 Comparison of signal between node acquisition and NI9234

從對比分析結果可以看出，節點與NI9234采集信號的主要頻率成分一致，頻率誤差在頻率分辨率以內(<0.390 625 Hz)。節點與NI9234采集的幅值誤差較大，主要原因是節點和NI9234為不同采集系統，無法同時采集，而振動信號較為微弱，易受干擾而不穩定，非同步采集將導致分析誤差。

表1 主要譜線頻率和幅值誤差對比

5 結 論

機械設備狀態監測中最常采用的振動信號采集需要5～20 kHz的采樣頻率，采集數據量大，受制于機械振動無線傳感器網絡節點較窄的信道帶寬，難以高效傳輸大量原始振動數據。為提高機械振動無線傳感器網絡傳輸速率，本文提出一種基于簇樹星形混合拓撲的多信道傳輸方法。通過樹間干擾最小化信道分配、樹間通信握手機制、樹間通信優先級搶占機制來解決鄰頻干擾、樹間互盲問題，并采用樹內通信能耗最小化時序調度方法降低網絡整體能耗。對比實驗結果表明，在多跳網絡中，采用該方法進行數據傳輸，可有效提高網絡傳輸速率，這對于提高信道帶寬受限的機械振動無線傳感器網絡傳輸時效性具有重要意義。

[ 1 ] 曾貴偉, 湯寶平, 鄧蕾,等. 機械振動無線傳感器網絡節點高精度數據采集方法[J]. 振動與沖擊, 2016, 35(16):59-63.

ZENG Guiwei, TANG Baoping, DENG Lei, et al. A high precision method for mechanical vibration data acquisition based on wireless sensor networks node [J]. Journal of Vibration and Shock, 2016, 35(16): 59-63.

[ 2 ] 黃慶卿, 湯寶平, 鄧蕾,等. 無線傳感器網絡子帶能量自適應數據壓縮方法[J]. 儀器儀表學報, 2014, 35(9): 1998-2003.

HUANG Qingqing, TANG Baoping, DENG Lei, et al. Subband energy adaptive data compression method for wireless sensor networks[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(9): 1998-2003.

[ 3 ] 湯寶平, 黃慶卿, 鄧蕾,等. 機械設備狀態監測無線傳感器網絡研究進展[J]. 振動、測試與診斷, 2014, 34(1):1-7.

TANG Baoping, HUANG Qingqin, DENG Lei, et al. Research progress and challenges of wireless sensor networks for machinery equipment condition monitoring[J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2014, 34(1): 1-7.

[ 4 ] HEO G, JEON J. An artificial filter bank (AFB) for structural health monitoring of civil structures-Part2: An implementation and evaluation of the AFB[J]. Procedia Engineering, 2015, 114(2/3): 564-573.

[ 5 ] FRASER M, ELGAMAL A, HE X, et al. Sensor network for structural health monitoring of a highway bridge[J]. American Society of Civil Engineers, 2014, 24(1): 11-24.

[ 6 ] ZHOU G, HUANG C, YAN T, et al. MMSN: Multi-Frequency media access control for wireless sensor networks[C]∥ Infocom IEEE International Conference on Computer Communications. IEEE, 2006: 1-13.

[ 7 ] INCEL O D. A survey on multi-channel communication in wireless sensor networks[J]. Computer Networks, 2011, 55(13): 3081-3099.

[ 8 ] CHENG B, CI L, TIAN C, et al. A multi-channel MAC protocol with high throughput for wireless sensor networks[M]∥Advanced Technologies in Ad Hoc and Sensor Networks. Springer Berlin Heidelberg, 2014: 145-154.

[ 9 ] GUGLIELMO D D, NAHAS B A, DUQUENNOY S, et al. Analysis and experimental evaluation of IEEE 802.15.4e TSCH CSMA-CA Algorithm[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(2): 1573.

[10] WU Y, LIU K S, STANKOVIC J A, et al. Efficient multichannel communications in wireless sensor networks[J]. Acm Transactions on Sensor Networks, 2016, 12(1): 3.

[11] CHEN Y, GOMES P H, KRISHNAMACHARI B. Multi-channel data collection for throughput maximization in wireless sensor networks[C]. 2014, PA, USA: 443-451.

[12] SAZONOV E, KRISHNAMURTHY V, SCHILLING R. Wireless intelligent sensor and actuator network-a scalable platform for time-synchronous applications of structural health monitoring[J]. Structural Health Monitoring, 2010, 9(5): 465-476.

[13] BOCCA M, ERIKSSON L M, MAHMOOD A, et al. A synchronized wireless sensor network for experimental modal analysis in structural health monitoring[J]. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2011, 26: 483-499.

[14] 黃慶卿, 湯寶平, 鄧蕾,等. 機械振動無線傳感器網絡跨層同步采集方法[J]. 儀器儀表學報, 2014, 35(5): 1143-1148.

HUANG Qingqing, TANG Baoping, DENG Lei, et al. Synchronous acquisition method based on cross-layer design for machine vibration wireless sensor networks[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(5): 1143-1148.

[15] 裴勇, 湯寶平, 鄧蕾,等. 基于信標時序補償的機械振動無線傳感器網絡同步觸發方法[J]. 振動與沖擊, 2014, 33(3): 57-62.

PEI Yong, TANG Baoping, DENG Lei, et al. A WSN mechanical vibration synchronous acquisition trigger protocol based on beacon timing compensation[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(3): 57-62.