時(shí)鐘同步調(diào)度的多跳機(jī)械振動(dòng)WSN多信道傳輸法*

湯寶平， 周沿江， 肖 鑫， 鄧 蕾

(重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶，400030)

引 言

機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)有線機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)在某些應(yīng)用中的不足[1-2]。其采樣頻率高，一般為5～50kHz，采樣精度要求高，通常需要24bit A/D轉(zhuǎn)換精度[3]，采集節(jié)點(diǎn)在50kHz采樣率下每秒將產(chǎn)生150 kB數(shù)據(jù)。如何保證機(jī)械振動(dòng)WSN中大量數(shù)據(jù)的快速傳輸是一個(gè)難題。為此，Xiao等[4]通過載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(carrier sense multiple access with collision avoidance, 簡(jiǎn)稱CSMA/CA)機(jī)制協(xié)調(diào)各采集節(jié)點(diǎn)在單信道內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸沖突，在單跳星型網(wǎng)絡(luò)中取得良好的傳輸效果。但在大型機(jī)械裝備監(jiān)測(cè)中，由于單跳傳輸距離有限和監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境阻隔等因素的影響，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)常需要布置為多跳網(wǎng)絡(luò)[5]。由于該網(wǎng)絡(luò)中采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)需要通過路由轉(zhuǎn)發(fā)，單信道傳輸在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中激烈的信道競(jìng)爭(zhēng)使得多跳網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸速率急劇降低，雖然采用時(shí)分復(fù)用[6-7]的方法可以緩解信道競(jìng)爭(zhēng)，但會(huì)嚴(yán)重壓縮各節(jié)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，數(shù)據(jù)傳輸速率仍然有限。

為解決現(xiàn)有單信道傳輸方式不適用于多跳機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，筆者提出基于時(shí)鐘同步調(diào)度的多信道數(shù)據(jù)傳輸方法，通過將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)分配到多個(gè)信道，避免節(jié)點(diǎn)間激烈的信道競(jìng)爭(zhēng)，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。

1 多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單信道傳輸弊端分析

圖1 采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

文獻(xiàn)[8]基于雙核心設(shè)計(jì)機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)。如圖1所示，節(jié)點(diǎn)采用基于ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F405作為采集核心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高精度采集及存儲(chǔ)，使用基于增強(qiáng)型8051核心的TI CC2530模塊作為傳輸核心完成網(wǎng)絡(luò)組建及數(shù)據(jù)傳輸。所采用的CSMA/CA數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制[9-10]中發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要等待其他節(jié)點(diǎn)釋放信道后預(yù)約信道，成功后才能與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由于網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都在單一信道中傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，信道競(jìng)爭(zhēng)越激烈，因此單信道傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速率極大地受網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)制約。對(duì)單信道傳輸進(jìn)行性能測(cè)試，不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎聰?shù)據(jù)傳輸速率如圖2所示，在圖3(a)的單跳星型網(wǎng)絡(luò)中，由于單跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸路徑短，CSMA/CA機(jī)制具有良好的傳輸效果，傳輸速率達(dá)到105kbps。然而，在如圖3(b)及圖3(c)的多跳網(wǎng)絡(luò)中，隨著數(shù)據(jù)傳輸路徑的延長(zhǎng)，信道競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈，各節(jié)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間被嚴(yán)重壓縮，數(shù)據(jù)傳輸速率急劇降低。即使采用基于時(shí)分復(fù)用方法對(duì)各級(jí)路由節(jié)點(diǎn)活動(dòng)周期進(jìn)行劃分，數(shù)據(jù)傳輸速率也只能達(dá)到10kbps左右，僅為單跳網(wǎng)絡(luò)的十分之一。

圖2 單信道WSN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率

對(duì)此，可以采用多信道傳輸方法將傳輸任務(wù)分配到多個(gè)信道，最大化網(wǎng)絡(luò)傳輸有效時(shí)間，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。多信道傳輸時(shí)需明確各節(jié)點(diǎn)信道切換時(shí)間，這要求各節(jié)點(diǎn)具有同步的全局時(shí)鐘；為保證最優(yōu)的傳輸效率，還需要合理的傳輸調(diào)度方法；同時(shí)，為避免并行傳輸時(shí)的鄰頻干擾，還需要對(duì)各節(jié)點(diǎn)傳輸信道進(jìn)行合理劃分。因此，筆者從信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償多跳同步觸發(fā)方法、父子鏈路時(shí)序輪轉(zhuǎn)傳輸調(diào)度方法和干擾最小化信道分配方法3個(gè)方面構(gòu)建基于時(shí)鐘同步調(diào)度的多跳機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道傳輸方法，并采用丟包重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。

2 時(shí)鐘同步調(diào)度的多跳網(wǎng)絡(luò)多信道傳輸方法

2.1 基于信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償?shù)亩嗵接|發(fā)方法

全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步傳輸需要保持各節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)隙邊界對(duì)齊，因此一個(gè)關(guān)鍵問題在于如何保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)同步觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸命令(即節(jié)點(diǎn)傳輸起始邊界對(duì)齊)。單跳網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)廣播命令信標(biāo)幀，其所有子節(jié)點(diǎn)可以同步收到命令信標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)傳輸命令的同步觸發(fā)。然而，在多跳網(wǎng)絡(luò)中，為避免多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送信標(biāo)造成沖突，各路由節(jié)點(diǎn)收到父節(jié)點(diǎn)信標(biāo)后不能立即轉(zhuǎn)發(fā)，而是延遲一段時(shí)間后發(fā)送[4]，造成網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間收到數(shù)據(jù)傳輸命令。因此，要同步觸發(fā)傳輸命令，就需要基于各節(jié)點(diǎn)信標(biāo)時(shí)序?yàn)槠湓O(shè)置相應(yīng)的命令觸發(fā)補(bǔ)償時(shí)間。

圖4所示為信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)超幀周期，每一個(gè)超幀周期被平分為8份，信標(biāo)發(fā)送設(shè)備分別在圖中0～8標(biāo)號(hào)的時(shí)刻處發(fā)送信標(biāo)。網(wǎng)關(guān)(Sink節(jié)點(diǎn))占用幀起始時(shí)刻(圖4中標(biāo)號(hào)0和8處)，其余各節(jié)點(diǎn)按入網(wǎng)順序依次占用剩余時(shí)刻。

各級(jí)路由節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)父節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)信標(biāo)時(shí)，將父節(jié)點(diǎn)退避時(shí)間及自身退避時(shí)間信息加入信標(biāo)中，其子節(jié)點(diǎn)解析信標(biāo)得到自身相對(duì)網(wǎng)關(guān)退避延時(shí)時(shí)間backoffTime。當(dāng)收到傳輸命令時(shí)，按照自身backoffTime值設(shè)置相應(yīng)延遲時(shí)間。如圖5所示，所有節(jié)點(diǎn)全部延時(shí)到下一超幀周期起始處觸發(fā)傳輸命令，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸起始時(shí)隙對(duì)齊。

圖5 同步觸發(fā)示意圖

2.2 父子鏈路時(shí)序輪轉(zhuǎn)傳輸調(diào)度方法

為達(dá)到最優(yōu)傳輸速率，應(yīng)保證同一時(shí)間至少有1個(gè)根節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，由于路由節(jié)點(diǎn)只能轉(zhuǎn)發(fā)其子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，需要時(shí)隙用于接收子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，無法持續(xù)向上發(fā)送。因此，需調(diào)度節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)序，使各節(jié)點(diǎn)發(fā)送與傳輸狀態(tài)相互錯(cuò)開。由于父子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)相反，一旦父節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)序確定，子節(jié)點(diǎn)時(shí)序也將隨之確定，因此，采用“自頂向下”方式，通過父子鏈路時(shí)序輪轉(zhuǎn)調(diào)度逐層確定傳輸時(shí)序。

首先，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)數(shù)目N，形成根節(jié)點(diǎn)列表Si，其中，將根節(jié)點(diǎn)中采集節(jié)點(diǎn)置于列表前端；其次，網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)根據(jù)所發(fā)采集命令統(tǒng)計(jì)每個(gè)根節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)量Di=∑Tj(Tj為Si下第j個(gè)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量)，按傳輸數(shù)據(jù)量將根節(jié)點(diǎn)分為兩類ΩA和ΩB，使得ΩA數(shù)據(jù)量之和DA與ΩB數(shù)據(jù)量和DB大致相等，以達(dá)到兩類根節(jié)點(diǎn)輪流發(fā)送且傳輸時(shí)間大致相當(dāng)?shù)哪康摹７诸愃惴鞒倘鐖D6所示。

圖6 根節(jié)點(diǎn)分類算法流程圖

設(shè)定TA根節(jié)點(diǎn)以傳輸狀態(tài)開始傳輸時(shí)序，TB以接收狀態(tài)開始，若節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)發(fā)送，則進(jìn)入休眠模式以節(jié)省能量。根節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)序確定后以相反的時(shí)序?yàn)槠渥庸?jié)點(diǎn)確定傳輸時(shí)序，逐層輪轉(zhuǎn)調(diào)度直至完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序分配。各節(jié)點(diǎn)以500ms為周期切換發(fā)送-接收狀態(tài)，直至數(shù)據(jù)傳輸完成。其中，當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，應(yīng)提前20ms結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送，并在自身接收信道建立網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)備接收其子節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。

2.3 干擾最小化信道分配方法

機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署密集，節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)可能存在其他傳輸節(jié)點(diǎn)，此時(shí)，傳輸信道的分配必須考慮數(shù)據(jù)并行傳輸時(shí)帶來的信道鄰頻干擾問題[11]。 同時(shí)，由于機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作現(xiàn)場(chǎng)通常存在復(fù)雜的電磁干擾，網(wǎng)絡(luò)信道分配還必須考慮數(shù)據(jù)傳輸信道鏈路質(zhì)量情況。

首先，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)所有信道發(fā)起能量監(jiān)測(cè)掃描，完成后記錄可用信道峰值能量，并將能量值按照由低到高的順序排列形成網(wǎng)絡(luò)可用信道列表Ki(1≤i≤16)；其次，為避免鄰頻干擾，需保證同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺乐辽傧喔魞蓚€(gè)頻段。如圖7所示網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)分配信道K1，對(duì)路由節(jié)點(diǎn)，將其按傳輸起始狀態(tài)為數(shù)據(jù)接收或發(fā)送分為兩類，以R1i和R2j表示，其中i,j分別表示節(jié)點(diǎn)在各自類別列表中序號(hào)，并將已分配給兩類路由的傳輸信道分別保存在L1和L2中。路由節(jié)點(diǎn)信道分配方法如表1所示。

圖7 傳輸時(shí)序調(diào)度示例

表1 信道分配方法

本研究將超幀周期劃分為8份，可以限制網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最大為7個(gè)(網(wǎng)關(guān)信標(biāo)占據(jù)幀開始位置)。在考慮鄰頻干擾的情況下，網(wǎng)絡(luò)最大需求信道數(shù)不超過15個(gè)，滿足Ki(1≤i≤16)的條件。

3 丟包重傳可靠傳輸機(jī)制

機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境惡劣，電磁環(huán)境復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易發(fā)生丟包。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，筆者采用丟包檢測(cè)重傳機(jī)制，如圖8所示，接收方通過介質(zhì)訪問控制層協(xié)議(media access control, 簡(jiǎn)稱MAC)，為每一個(gè)接收的數(shù)據(jù)幀返回一個(gè)含有相應(yīng)包序號(hào)的應(yīng)答幀，指示發(fā)送方該數(shù)據(jù)幀已成功傳輸。若數(shù)據(jù)幀或應(yīng)答幀傳輸丟包，發(fā)送方在規(guī)定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未收到所發(fā)數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答幀，則認(rèn)為相應(yīng)數(shù)據(jù)幀傳輸失敗，立即重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。其中若為應(yīng)答幀失敗導(dǎo)致數(shù)據(jù)重傳時(shí)，接收方會(huì)收到2次相同序號(hào)的數(shù)據(jù)包，接收方對(duì)其進(jìn)行識(shí)別并剔除重復(fù)的數(shù)據(jù)包。

圖8 丟包檢測(cè)示意圖

4 多信道數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試

在以上多信道傳輸方法中，傳輸調(diào)度效率和信道干擾程度對(duì)傳輸性能的影響可以直接通過不同跳數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率差別體現(xiàn)，因此，分別針對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步觸發(fā)精度、不同跳數(shù)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和傳輸可靠性3項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試。使用的采集節(jié)點(diǎn)為課題組前期研制并驗(yàn)證精度的WSNG4節(jié)點(diǎn)[8]。

4.1 傳輸命令同步觸發(fā)精度測(cè)試

傳輸命令的同步觸發(fā)是后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸階段同步調(diào)度的基礎(chǔ)，為了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)傳輸命令同步觸發(fā)精度，組建如圖7(a)所示的三跳網(wǎng)絡(luò)，包含1個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)、3個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)觸發(fā)傳輸命令時(shí)拉高相應(yīng)引腳電平，由2ns精度的邏輯分析儀同步采集并記錄各引腳電平變化情況，并以節(jié)點(diǎn)R1時(shí)間為基準(zhǔn)比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 傳輸命令同步觸發(fā)精度

由圖可知，所提同步觸發(fā)方法在三跳網(wǎng)絡(luò)中最大同步誤差在0.5ms以內(nèi) ，相對(duì)于500ms的傳輸周期，該方法能有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸命令同步觸發(fā)。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比

為測(cè)試本研究方法在各級(jí)跳數(shù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率，將本研究多信道傳輸方法與現(xiàn)有單信道傳輸方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)例測(cè)試。如圖10所示，使用動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)(drivetrain dynamics simulator，簡(jiǎn)稱DDS)模擬實(shí)際機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境，分別按圖3所示拓?fù)浣M建各級(jí)跳數(shù)的采集網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)WSNG4節(jié)點(diǎn)分別采集動(dòng)力傳動(dòng)故障診斷綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)齒輪箱輸入軸x，y向和輸出軸x，y向機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，采樣頻率設(shè)為51.2kHz，采樣長(zhǎng)度從20kB逐漸增加到1 000kB，并分別采用筆者所提多信道數(shù)據(jù)傳輸方法和現(xiàn)有單信道傳輸方法將原始數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，記錄其傳輸速率，結(jié)果見圖11。

圖10 DDS實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集實(shí)例圖

圖11 數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)比

在單跳網(wǎng)絡(luò)下，由于基于CSMA/CA機(jī)制的單信道方法所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，各節(jié)點(diǎn)會(huì)在其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)將自身數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢，從而減少數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間，因此在單跳網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有單信道方法數(shù)據(jù)傳輸速率略高于本研究多信道方法。而在兩跳及三跳網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)活動(dòng)周期及數(shù)據(jù)包沖突的影響，單信道方法傳輸速率急劇下降，多信道方法表現(xiàn)出遠(yuǎn)大于現(xiàn)有單信道方法的傳輸速率。其中，由于多跳傳輸時(shí)路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)需從子節(jié)點(diǎn)上傳，傳輸初期路由節(jié)點(diǎn)無數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳輸，導(dǎo)致此階段的傳輸信道空閑，故多跳多信道傳輸在數(shù)據(jù)量較小(如20kB)時(shí)傳輸速率略低于正常速率。隨著數(shù)據(jù)量增大，其傳輸速率逐漸增加并趨于穩(wěn)定。由圖11可知，所提的基于時(shí)鐘同步的WSN多信道數(shù)據(jù)傳輸方法在需大量傳輸原始數(shù)據(jù)的多跳網(wǎng)絡(luò)中能夠顯著提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率，在多跳網(wǎng)絡(luò)中傳輸速率保持在70kbps以上。相對(duì)現(xiàn)有單信道傳輸方法在多跳網(wǎng)絡(luò)中10kbps左右的傳輸速率，本方法極大提升了多跳機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率。

在傳輸完成后，對(duì)多信道傳輸方法回傳的輸入軸y向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉(fast fourier transform，簡(jiǎn)稱FFT)頻譜分析，時(shí)頻域分析結(jié)果如圖12所示。電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)速為42.6r/min，則行星齒輪以及嚙合頻率理論值為42.6×21.88=932.088Hz，由頻域譜線可以得出齒輪箱行星齒輪一、二級(jí)嚙合頻率分別為932.5和1 866Hz，與理論計(jì)算相符。

圖12 輸入軸y向數(shù)據(jù)頻譜分析

相比實(shí)驗(yàn)環(huán)境，機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中存在不同程度的外界干擾，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。為測(cè)試本研究傳輸方法在干擾環(huán)境中的傳輸性能，按照?qǐng)D3(c)所示拓?fù)湓O(shè)計(jì)遮擋環(huán)境傳輸對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以物理遮擋模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的外界干擾，測(cè)試受干擾情況下網(wǎng)絡(luò)多信道傳輸速率，結(jié)果如圖13所示。實(shí)驗(yàn)1為理想環(huán)境，實(shí)驗(yàn)2為受遮擋的干擾環(huán)境。在受遮擋情況下，三跳網(wǎng)絡(luò)大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速率為65kbps左右，略低于理想條件下的傳輸速率。其原因主要是鏈路受遮擋時(shí)節(jié)點(diǎn)間單次數(shù)據(jù)包傳輸失敗概率增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包平均重傳次數(shù)增加，從而略微降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。相對(duì)于單信道方式10kbps的傳輸速率，干擾條件下本研究方法仍能夠保證大量振動(dòng)數(shù)據(jù)的快速傳輸。

圖13 干擾條件下傳輸速率對(duì)比

4.3 傳輸有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證多信道傳輸方法的有效性，即驗(yàn)證在傳輸過程中沒有丟失數(shù)據(jù)包，設(shè)計(jì)定長(zhǎng)采樣數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。采用圖3(c)所示拓?fù)錁?gòu)建多跳網(wǎng)絡(luò)，4個(gè)采集節(jié)點(diǎn)均以40kHz采樣頻率定長(zhǎng)采集10 000點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后以本研究多信道傳輸方法傳回上位機(jī)。為便于觀察，N1，N2和N3節(jié)點(diǎn)分別采集信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波、方波和三角波信號(hào)，N4節(jié)點(diǎn)采集振動(dòng)臺(tái)實(shí)際振動(dòng)信號(hào)，4路信號(hào)時(shí)域波形如圖14所示。可知所有節(jié)點(diǎn)的10 000點(diǎn)采集數(shù)據(jù)均準(zhǔn)確傳回上位機(jī)，信號(hào)未出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象，驗(yàn)證了本研究多信道傳輸方法的有效性。

圖14 定長(zhǎng)采樣信號(hào)時(shí)域圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在多跳網(wǎng)絡(luò)中大量數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)男枨螅岢隽艘环N基于時(shí)鐘同步調(diào)度的多跳機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)傳輸方法。采用信標(biāo)時(shí)序補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)傳輸命令同步觸發(fā)，采用父子鏈路時(shí)序輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式完成網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)序調(diào)度，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路質(zhì)量和信道干擾最小化完成網(wǎng)絡(luò)傳輸信道分配，并采用丟包檢測(cè)重傳機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｐ阅軠y(cè)試表明，相較于機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的單信道數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，該方法在多跳網(wǎng)絡(luò)中具有明顯的傳輸速率優(yōu)勢(shì)，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，極大地提高了機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳數(shù)據(jù)傳輸速率及傳輸時(shí)效性。