鋼絲繩狀態(tài)無線監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)能方案研究與設(shè)計

摘要：為了減少鋼絲繩無線監(jiān)測系統(tǒng)的能量消耗，延長整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提出了一種新的節(jié)能設(shè)計方案。利用TPSN時鐘同步算法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的時鐘同步，然后使空閑節(jié)點進入低功耗模式。利用RSSI測定終端節(jié)點運行的距離，當其距離父節(jié)點較遠時，為保證通信質(zhì)量，使其與離它最近的路由節(jié)點建立連接，繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送過程。設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)有效地控制了能量的消耗，為整個網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)穩(wěn)定運行創(chuàng)造了條件。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TPSN時鐘同步算法；RSSI；鋼絲繩

0 引言
    隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高空建筑機械的狀態(tài)監(jiān)測和維修一直困擾著人們，我國建筑機械近幾年在設(shè)計、制造及監(jiān)測上沒有太大的改善，但是建筑機械化的運行條件在不斷的變化，我國目前仍然主要沿用傳統(tǒng)的“定期保養(yǎng)，事后維修”制度，故障檢測與修復(fù)的設(shè)備和手段也比較落后，導(dǎo)致整機可靠性差、安全隱患多。因此，為保證建筑機械的安全可靠運行，對其進行狀態(tài)監(jiān)測顯得尤為重要和緊迫。然而到目前為止，對建筑機械的監(jiān)測大多都是通過實驗人員定期到環(huán)境復(fù)雜的大型機械上進行檢測，測試人員的工作危險繁瑣而且所得到的數(shù)據(jù)只是所選取的時間點的狀況，并不能完全說明整臺機械設(shè)備長期以來的工作狀態(tài)。所以，一種長期穩(wěn)定實時在線監(jiān)測建筑機械狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)對于企業(yè)來說，是極其重要的。同時可以使其具有“黑匣子”功能，根據(jù)其記錄的數(shù)據(jù)內(nèi)容，對發(fā)生意外事故進行責任認定。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當前的研究熱點，它能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成各種環(huán)境或檢測對象的信息實時監(jiān)測、感知和采集，并將這些信息在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中傳送給用戶。其在數(shù)字家庭領(lǐng)域、工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域、智能交通領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域等都得到了顯著的應(yīng)用及推廣。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點大多是通過電池供電，其電源能量極其有限，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點由于能量的原因經(jīng)常失效或報廢。電源能量約束是阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴重問題。所以通常需要研究網(wǎng)絡(luò)工作過程中節(jié)省能源和在完成應(yīng)用要求的前提下盡量延長整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生命周期。論文對傳感器檢測原理及組成和時鐘同步算法進行了簡單的介紹，對TPSN時鐘同步算法和利用RSSI進行距離的測定進行了深入的研究。
通過在實際應(yīng)用中一段時間內(nèi)不使用的節(jié)點進入PM2低功耗模式，然后利用定時器喚醒的方式使這些節(jié)點重新進入主動模式來達到減少網(wǎng)絡(luò)能耗從而實現(xiàn)節(jié)約能量延長生命周期的目的。

1 傳感器檢測原理及組成
    鋼絲繩的導(dǎo)磁性能良好，這是由于其是由碳素鋼制成的，本設(shè)計采用的對鋼絲繩狀態(tài)的檢測利用電磁檢測原理，如圖1所示，勵磁回路由銜鐵、永久磁鐵、空氣隙和鋼絲繩組成。永久磁鐵為勵磁回路提供充足的磁場能量，使鋼絲繩磁化。當鋼絲繩存在損傷時，在附近的空氣中會產(chǎn)生漏磁場，通過檢測霍爾元件的電壓變化，就可以間接得到LF和LMA信號，霍爾元件的輸出電勢VH=KHBI，其中KH是霍爾元件的靈敏度系數(shù)，I為通過霍爾元件的電流，B為沿霍爾元件表面法向的漏磁感應(yīng)強度?？梢钥闯龌魻栐妮敵鲭妷赫扔诖磐芏?。鋼絲繩檢測傳感器實物圖如圖2所示。

2 時鐘同步算法
    對于本設(shè)計，除了對鋼絲繩狀態(tài)進行檢測的傳感器不可缺少外，為了使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能在規(guī)定時間喚醒或進入低功耗模式，所以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的時間基準同步也顯得尤為重要。時鐘同步是其主要手段，而系統(tǒng)基準時間同步是一切應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍十分廣泛。
2．1 時鐘同步算法概述及不同算法間的比較
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)中沒有標準的時間統(tǒng)一系統(tǒng)或者共同的時間基準，所以需要建立一個統(tǒng)一的時間服務(wù)系統(tǒng)或者時間服務(wù)器，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的時間統(tǒng)一，這一點對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實時性非常重要，自J．Eison和K．Romer首次提出傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步機制后，在各個大學和科研機構(gòu)中得到了廣泛的研究，通過各國學者的不斷研究，提出了多種時間同步機制。主要分為三類：基于接收者和接收者(Receiver-Receiver)的時間同步機制，常用的是RBS算法；另一種是基于發(fā)送者和接收者的雙向時間機制，常用的是TPSN算法、LTS算法、Tiny-sync和Mini-syne同步算法；最后一種是基于發(fā)送者和接收者的單向時間同步機制，存在的算法為DMTS算法、FTSP算法等。每種算法都有其優(yōu)點同時也有各自的缺點，因此在選擇時鐘同步算法的時候要根據(jù)具體的情況，權(quán)衡采取哪種算法。RBS時鐘同步算法的時間復(fù)雜度就是其一個明顯的缺點，這樣導(dǎo)致其在同步過程中造成的能量消耗將很大，對能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說明顯不大適用。DMTS時鐘算法中需要傳輸?shù)男畔⑸?，其中接收?jié)點只需要收到同步消息這樣單相同步的方式就能實現(xiàn)同步，能量消耗少，但是這種方式的同步精度要求很低，雖然降低了能量消耗但同時也降低了時鐘同步的精度，所以在精度要求很高的場合不適用。TPSN時鐘同步算法是雙向同步機制，通過雙向交換同步信息能使同步效果的精度更高，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精度的要求。本設(shè)計中采用TPSN時鐘同步算法。
2．2 TPSN時鐘同步算法的實現(xiàn)
    TPSN算法是通過多級的逐步同步，能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的節(jié)點的時鐘同步，在多跳網(wǎng)絡(luò)中非常適用。其會在整個網(wǎng)絡(luò)中選擇一個根節(jié)點(設(shè)計中使用協(xié)調(diào)器作為根節(jié)點)，由根節(jié)點提供整個網(wǎng)絡(luò)中的時鐘源，它采用的是層次型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)過程主要分為兩個階段：層次發(fā)現(xiàn)階段和同步階段。
    在層次劃分階段主要進行的是對整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進行層次劃分，分為0～n個層次，其簡要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其中根節(jié)點一般定義為0級，它在時鐘同步階段的作用是廣播分組數(shù)據(jù)包，通過廣播的方法給每個節(jié)點分配一個層次號(不惟一)和ID號(惟一)。根節(jié)點的相鄰節(jié)點在收到分級的數(shù)據(jù)包后，會把自己的同步級別設(shè)置為1級。然后這個1級節(jié)點會繼續(xù)廣播分級數(shù)據(jù)包，其他的節(jié)點按照這個發(fā)放依次確定自己的級別，一直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都設(shè)置了自己的級別，這個過程就完成了層次發(fā)現(xiàn)的階段。
    第二階段為同步階段，該階段的主要任務(wù)是層次結(jié)構(gòu)建立以后根節(jié)點通過廣播時間同步分組啟動同步階段。以根節(jié)點和1級節(jié)點進行時間同步為例子來介紹同步階段的整個過程。根節(jié)點和1級節(jié)點在進行時間同步是通過兩個節(jié)點之間的雙向信息的交換來實現(xiàn)的。其整個過程如圖4所示。

    層次結(jié)構(gòu)建立后，根節(jié)點通過廣播時間同步分組啟動同步階段，其中同步分組中包含有根節(jié)點的等級和發(fā)送信息報的本地時間T1。第1級節(jié)點在收到這個分組以后首先會檢查該信息包中的節(jié)點信息是否和其父節(jié)點即根節(jié)點的節(jié)點信息一致，如果一致則記錄收到該包時的時間為T2，否則丟掉這個同步包，然后1級節(jié)點在T3時刻發(fā)送應(yīng)答分組給根節(jié)點，分組中含有1級節(jié)點的級別和T1，T2及T3的信息，根節(jié)點在T4時刻收到應(yīng)答幀，因此可以推出以下公式：
   
    式中：△為根節(jié)點和1級節(jié)點之間的時間偏差；d為根節(jié)點和1級節(jié)點之間的傳輸時延，假設(shè)其雙向之間的傳輸時延相同。當1級節(jié)點收到根節(jié)點發(fā)送的同步信息報SYNC后，其中包含T1和T4，它根據(jù)式(2)就能計算時間偏差△和傳輸時延d，然后將自己的時鐘和根節(jié)點進行同步。

3 同步喚醒算法的研究與設(shè)計
3．1 問題的提出
    本項目中利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對擦窗機鋼絲繩運行過程中的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，提高擦窗機在運行中的安全性。但是由于擦窗機運行場景的特殊性及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穿墻能力的有限性，位于大樓不同樓面上的傳感器節(jié)點在擦窗機不在該樓面施工時，該節(jié)點是不會參與到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過程中的，為了節(jié)省整個網(wǎng)絡(luò)的能量及延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，此時這些節(jié)點的運行是沒有必要的，為了減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗應(yīng)使其處于低功耗模式。
3．2 系統(tǒng)功耗模式
    本設(shè)計采用CC2530單片機，其共有五種工作模式，分別為主動模式、空閑模式、PM1、PM2和PM3。主動模式為一般模式，PM3具有最低的功耗。其不同的供電模式對系統(tǒng)的影響如表1所示。

    主動模式為全功能模式，空閑模式除了CPU內(nèi)核停止運行，其他和主動模式是一樣的。PM1模式適用于相當短時間內(nèi)的休眠時間。PM2模式適用于相當長時間內(nèi)的休眠事件，特別是用于休眠定時狀態(tài)。在PM1和PM2模式中，系統(tǒng)可以通過重置或者一個外部中斷或者休眠定時喚醒轉(zhuǎn)入主動模式。PM3模式只能通過重置或者一個外部中斷轉(zhuǎn)入主動模式。在本設(shè)計中選擇PM2模式為低功耗模式，雖然PM3模式功耗最小，但是PM3模式必須通過外部中斷或重置才能重新進行數(shù)據(jù)收發(fā)工作，這在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中十分不實際。因為本設(shè)計的節(jié)點很多都處于樓層高處或外表面，無法通過采用外部中斷的方式進行喚醒。
3．3 距離測定
    接收信號強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)常用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點之間距離的測定，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯鬏數(shù)膿p耗轉(zhuǎn)換為兩個節(jié)點之間距離的具體數(shù)值。RSSI理論值可由下式表示：接收信號強度是發(fā)射功率和發(fā)送接收之間距離的函數(shù)，隨著距離的增加而減小。
    RSSI=-(10n*lgd+A)           (3)
    式中：n代表信號傳播常量，也叫傳播指數(shù)，它表示信號能量隨著發(fā)射器距離的增加而衰減的速率；d表示兩個節(jié)點之間的距離；A代表兩節(jié)點相距1 m時的接收到的信號強度絕對值，用dBm表示。一般A為30．0～50．0，精度為0．5。圖5為A=40，n=3時的信號的衰減與距離成對數(shù)關(guān)系的曲線圖。

    同濟大學的張潔穎等對測得的RSSI值實測曲線進行了分析，在考慮干擾和硬件的情況下實測值和理論值有一定的誤差。但是本設(shè)計中對距離的精確度要求不高，只需在特定的距離段內(nèi)，終端節(jié)點的父節(jié)點喚醒其自己時間同步階段的下一級節(jié)點即可，保證終端節(jié)點在距離其現(xiàn)在父節(jié)點相對距離較遠時，可以通過離開網(wǎng)絡(luò)重新連接到新喚醒的節(jié)點中，繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。通過在學校高層宿舍樓的實際測試，當RSSI的絕對值大于75時出現(xiàn)了一定數(shù)量的丟包，為了保證終端節(jié)點能穩(wěn)定的傳輸采集數(shù)據(jù)，本設(shè)計中設(shè)定RSSI的絕對值大于50時，喚醒新的路由節(jié)點，當RSSI的絕對值連續(xù)在70附近時終端節(jié)點立即離開整個網(wǎng)絡(luò)，然后再通過申請加入網(wǎng)絡(luò)使自己連接到新喚醒的節(jié)點，此時新喚
醒的節(jié)點就成了終端節(jié)點的父節(jié)點。整個喚醒系統(tǒng)的流程圖如圖6所示。
    進入PM2低功耗模式的時間T，由控制中心通過串口提供，根據(jù)實際經(jīng)驗確定，當定時器定時T時間過后，低功耗模式的節(jié)點被定時器喚醒，其會檢查自己是否仍然在整個網(wǎng)絡(luò)中，由于保持著其進入低功耗之前的狀態(tài)，掉網(wǎng)的可能性很小，如果掉網(wǎng)，實行斷網(wǎng)重連，重新申請加入網(wǎng)絡(luò)。

4 上位機軟件開發(fā)
    本設(shè)計的監(jiān)測顯示界面在Visual C++6．0編程語言基礎(chǔ)上編寫而成，通過計算機串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連，使整個系統(tǒng)具有了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲的功能。

    該軟件需提前根據(jù)鋼絲繩的直徑、捻距對相應(yīng)的直徑及捻距值進行設(shè)定，根據(jù)測量裝置的上和導(dǎo)輪光電編碼器確定采樣間隔，另外根據(jù)實際情況確定鋼絲繩損壞情況的門限值。其實際中測量畫面如圖7所示。

5 結(jié)論
    筆者通過該設(shè)計完成了擦窗機鋼絲繩狀態(tài)的實時監(jiān)測，利用電磁檢測原理，設(shè)計了鋼絲繩損傷檢測傳感器。使用TPSN時鐘同步算法，使整個網(wǎng)絡(luò)除終端采集節(jié)點外其他節(jié)點保持時鐘同步，為某些節(jié)點在某個特定時間進入低功耗模式和同時醒來創(chuàng)造了條件。通過節(jié)點在空閑時間進入低功耗模式從而為整個網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運行節(jié)約了大量的能量，有效地延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。另外利用RSSI值判斷終端節(jié)點距離其父節(jié)點的距離，當距離大于通過實驗測的的規(guī)定值時，斷開網(wǎng)絡(luò)連接，重新加入距離其最近的路由節(jié)點，從而保障了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的持續(xù)可靠運行。
    實驗證明，系統(tǒng)可以順利地測出擦窗機運行中的鋼絲繩狀態(tài)的情況，并能將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)送回到協(xié)調(diào)器中，進而通過串口送至上位機軟件進行顯示、分析和存儲，網(wǎng)絡(luò)中的信號通信狀況良好，抗干擾能力強。同時監(jiān)控人員可以對鋼絲繩狀態(tài)進行實時監(jiān)控，大大保障了吊船內(nèi)工作人員的安全性。