1、淺談基于Imote2的WSN橋梁構(gòu)造安康監(jiān)測系統(tǒng)無線傳輸研究摘要:無線傳輸在橋梁構(gòu)造安康監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用有效解決了有線傳輸?shù)牟季€問題,但同時也帶來了一些數(shù)據(jù)傳輸上的問題,例如:數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)包容易喪失而降低通信的可靠性;節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)序列很難完全時間同步,因此影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度;簡單的單跳通信只能滿足基站節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn)在可視途徑內(nèi)進(jìn)展通信,在復(fù)雜環(huán)境下有障礙物阻擋時會導(dǎo)致通信不良或無法通信。可采取如下措施予以改進(jìn):通信時運(yùn)用ak機(jī)制減少數(shù)據(jù)包的喪失,從而保證傳輸?shù)目煽啃?采用浮動時間同步協(xié)議(ftsp)和重采樣使節(jié)點(diǎn)之間的時鐘同步度進(jìn)步;采用adv協(xié)議實現(xiàn)多跳傳輸,使節(jié)點(diǎn)在通信不良時通過中間節(jié)點(diǎn)與

2、基站節(jié)點(diǎn)通信,增加通信可靠性并加大通信間隔 。關(guān)鍵詞:無線傳輸;ak機(jī)制;時間同步;重采樣;多跳irelesstransissinfsnbridgehealthnitringsystebasednite2luhui1,shenqing-hng1,hene2,ruanjing2(1.nanjinguniversity,nanjing210093,hina;2.jiangsuprvinialyangtzeriverbridgeheadquarter,taizhu225321,hina)keyrds:irelesstransissin;ak;tiesynhrnizatin;re-sapling;ul

3、ti-hp收稿日期:2022-06-09基金工程:江蘇省交通廳科技方案工程(08y29-7)0引言橋梁在長時間的運(yùn)營下會因天氣、震動、撞擊、自身老化等因素影響其本身的安康狀況,從而造成交通平安隱患,事故一旦發(fā)生不僅會造成重大財產(chǎn)損失,更會嚴(yán)重地危害生命。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對橋梁構(gòu)造進(jìn)展監(jiān)控,相關(guān)部門就可以根據(jù)系統(tǒng)預(yù)警及時做出反響,以防范事故的發(fā)生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由具有采樣、計算和通信才能的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,這些傳感器節(jié)點(diǎn)分別采集橋梁構(gòu)造的相關(guān)數(shù)據(jù),并將處理后的數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞剿偷交竟?jié)點(diǎn),再通過計算機(jī)對整個安康構(gòu)造狀況進(jìn)展系統(tǒng)分析判斷。傳輸系統(tǒng)是否可靠、迅速,這將直接決定整個系統(tǒng)

4、是否能有效的運(yùn)行,因此需要研究無線傳輸系統(tǒng)以選擇一個最正確的傳輸形式。1無線傳輸系統(tǒng)1.1節(jié)點(diǎn)ite2平臺本身包含了2.4ghz外表安裝天線,標(biāo)稱覆蓋范圍為30。為了增加通信間隔 接入外部天線,將其接在ite2帶有的sa連接器上,使用的天線是antenva公司消費(fèi)的titanis2.4ghz可旋轉(zhuǎn)天線,它的物理特性和電特性參數(shù)見表1。圖1接有titanis2.4ghz的ite2節(jié)點(diǎn)表1titanis2.4ghz的特性prdutnaetitanis2.4ghzfrequeny2.42.5ghzdiensins2019.562.5peakgain2.2dbiaveragegain-1.0dbiav

5、erageeffiieny80%axiureturnlss-13dbaxiuvsr1.61ite2無線收發(fā)器的參數(shù)見表2,由friis公式2:pr(d)=ptgtgr2(4)2d2l(1)表2收發(fā)器參數(shù)收發(fā)器ti2420頻帶(is)2400.02483.5hz數(shù)據(jù)率250kb/s發(fā)送功率-240db接收靈敏度-94db1.2開發(fā)平臺和開發(fā)語言用tinys作為ite2的操作系統(tǒng),采用ygin在xp系統(tǒng)下模擬tinys環(huán)境,該操作系統(tǒng)具有很小的內(nèi)存占有量,并且耗能很少,非常適用于資源有限的智能傳感器。它采取基于組件的構(gòu)架方式,完好的系統(tǒng)由一個調(diào)度器和一些組件構(gòu)成,應(yīng)用程序可以通過連接配置文件將各種

6、組件連接起來,以完成所需要的功能。組件庫包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式效勞、傳感器驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集工具3。nes是一種擴(kuò)展的編程語言,主要用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的編程開發(fā)。1.3關(guān)鍵技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中于三個方面:網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議4。其中,網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)主要以時間同步協(xié)議為主要研究方向;網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層又可分為媒體訪問控制(a)子層和邏輯鏈路控制(ll)子層5。2網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)(時間同步協(xié)議)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)所測量的諸多信號具有自己獨(dú)立的時間坐標(biāo),所以必須使之同步。假設(shè)時間同步不能得到有效的解決,構(gòu)造安康監(jiān)測將產(chǎn)生誤差,尤其是模態(tài)

7、的相位6。2.1傳感器節(jié)點(diǎn)本地時鐘同步d=(t1-t2)-(t4-t3)2計算出偏向d后,就可以進(jìn)展同步(此種同步是在假定d1=d2的前提下)。在分布式無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造7中,n個葉節(jié)點(diǎn)需要同時與基站節(jié)點(diǎn)達(dá)成時間同步,這樣雙向通信會造成基站數(shù)據(jù)冗余,同時為了防止d的估計,減少交換信息的數(shù)量,選擇單向時間同步機(jī)制,把浮動時間同步化協(xié)議運(yùn)用在ite2中,使由于傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自己的獨(dú)立時鐘導(dǎo)致的時間誤差最小化,從而實現(xiàn)了較高程度的時間同步。ftsp(fldingtiesynhrnizatinprtl)8時間同步機(jī)制綜合考慮了能量感知、可擴(kuò)展性、魯棒性、穩(wěn)定性和收斂性等方面的要求,詳細(xì)算法的實現(xiàn)步驟如下:(3

8、)接收節(jié)點(diǎn)記錄syn字節(jié)最后到達(dá)時間t2,并計算位偏移(bitffset)。在收到完好消息后發(fā)送ak確認(rèn)信息返還給發(fā)送方,接收節(jié)點(diǎn)通過偏移位數(shù)與接收速率計算位偏移產(chǎn)生的時間延遲。(4)接收節(jié)點(diǎn)計算與發(fā)送節(jié)點(diǎn)間的時鐘偏移量,然后調(diào)整本地時鐘和發(fā)送節(jié)點(diǎn)時鐘同步。ftsp流程圖如圖2所示,圖中t為發(fā)送節(jié)點(diǎn),r為接收節(jié)點(diǎn)。圖2ftsp流程示意圖圖3根節(jié)點(diǎn)逐個增大消息序列號的機(jī)制2.2節(jié)點(diǎn)間采樣頻率的同步本地時鐘同步后,各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)均為序列形式,這些序列上的對應(yīng)點(diǎn)應(yīng)該是同一時刻獲得的,即采樣頻率必須同步。假設(shè)測量信號來自不一致的采樣頻率,而用于模態(tài)分析上,一個真實的模態(tài)將會變成數(shù)個不同的模態(tài),出如今

9、真正的自然頻率附近,這將造成構(gòu)造監(jiān)測的較大誤差。但即使設(shè)定了某個固定的采樣頻率,各個節(jié)點(diǎn)在施行時總會有微小誤差,同時每個節(jié)點(diǎn)本身的采樣頻率也會隨著時間而有所浮動。因此即使所有信號是完美同時的開始測量,仍然很有可能會隨著時間的增加造成大量的同步誤差。在采樣中補(bǔ)償這些頻率浮動是相當(dāng)困難的,如同時鐘正在線性游移中。經(jīng)過較長時間后,采樣頻率的浮動會促使數(shù)據(jù)質(zhì)量逐漸下降。tinys是個非實時的平臺,可采用重采樣技術(shù)再處理的方式到達(dá)數(shù)據(jù)同步。xa(t)=n=-x(n)sinfs(t-nts)(2)對重建后的原始信號進(jìn)展重采樣就可以得到時間同步的數(shù)據(jù)序列。3網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議3.1a層(ak機(jī)制)由于有些數(shù)據(jù)包在

10、傳輸過程中可能會喪失,射頻通信傳輸不能與有線傳輸一樣可靠。節(jié)點(diǎn)間間隔 增加,信噪比下降,會導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)出錯。數(shù)個同步節(jié)點(diǎn)接口上的信號相撞,也會導(dǎo)致一個或兩個數(shù)據(jù)包遺漏。這種錯誤通常發(fā)生于同時搭載著傳感器節(jié)點(diǎn)命令與測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。假設(shè)命令數(shù)據(jù)包喪失,目的節(jié)點(diǎn)將無法運(yùn)行特定的任務(wù)。假設(shè)搭載測量信號的數(shù)據(jù)包遺失,目的節(jié)點(diǎn)就不能得到完好的數(shù)據(jù)?；诖_認(rèn)的通信方式可有效保證節(jié)點(diǎn)間傳輸?shù)目煽啃?該方式在收到接收端以單播(uniast)方式返還確實認(rèn)信息(ak)前,將不停地重傳數(shù)據(jù)包,直到發(fā)送端給該數(shù)據(jù)設(shè)定的定時器超時為止,圖4為其格式圖。圖4普通ak格式接收端返還一個ak對所傳的所有數(shù)據(jù)包進(jìn)展確認(rèn)。下一

11、套數(shù)據(jù)包的發(fā)送取決于ak的狀況,ak中會對傳輸中發(fā)生錯誤的數(shù)據(jù)包進(jìn)展說明,發(fā)送端對這些數(shù)據(jù)包進(jìn)展重傳。圖5為其格式圖。圖5群ak機(jī)制格式p1=tt+tr2tp+2ts+tt+tr(4)群ak的傳輸效率約為:p2tttp+ts+tt(5)假設(shè)單個數(shù)據(jù)包出錯概率為,那么出錯率為:er=1(ii)=1ir(i)=1/(1-)(6)在有過失的情況下傳輸效率分別為:p1=tt+trer(2tp+2ts+tt+tr)p2tter(tp+ts+tt)(7)比照可見,群ak機(jī)制下傳輸效率大大進(jìn)步,系統(tǒng)的吞吐量也得到增加,發(fā)送與接收節(jié)點(diǎn)間的切換次數(shù)將得到大幅降低。3.2網(wǎng)絡(luò)層(ulti-hpuniatin)一般

12、的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)均采用單跳(single-hp)通信,所有的葉節(jié)點(diǎn)與基站節(jié)點(diǎn)直接通信,而在大橋鋼箱梁這種復(fù)雜的安裝環(huán)境下,無法將所有的葉節(jié)點(diǎn)均有效安裝在基站節(jié)點(diǎn)的視距范圍內(nèi),而且鋼外表對無線信號的反射會影響通信的效果。為到達(dá)較理想的通信間隔 ,基站節(jié)點(diǎn)需要通過多跳(ulti-hp)中繼的方法與某些葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)展通信。無線自組網(wǎng)按需平面間隔 矢量路由協(xié)議(adhn-deanddistanevetrruting,adv)12通過建立基于按需的路由來減少路由播送的次數(shù),源路由并不需要包括在每一個數(shù)據(jù)分組中,這樣所有協(xié)議的開銷有所降低,不在途徑內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不保存路由信息,也不參與路由表的交換。在adv中,整個節(jié)

13、點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)都是靜止的,除非有連接建立的需求。當(dāng)某個葉節(jié)點(diǎn)a需要與基站節(jié)點(diǎn)通信時,假設(shè)路由表中已經(jīng)存在了對應(yīng)的路由就直接進(jìn)展數(shù)據(jù)通行;假設(shè)不存在直接的路由途徑,節(jié)點(diǎn)a進(jìn)展路由發(fā)現(xiàn)過程,通過播送rreq信息發(fā)送建立懇求,其他的葉節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)這個懇求消息,并記錄節(jié)點(diǎn)a和回到節(jié)點(diǎn)a的臨時路由。當(dāng)rreq到達(dá)基站節(jié)點(diǎn)時即路由已建立,基站節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)返還一個rrep信息把這個路由信息按照先前記錄的回到節(jié)點(diǎn)a的臨時路由發(fā)回a。于是節(jié)點(diǎn)a就開始使用這個經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)并且有最短跳數(shù)的路由。路由建立后每個路由中的節(jié)點(diǎn)都保存一個相應(yīng)的目的地址的路由表項實現(xiàn)逐跳轉(zhuǎn)發(fā),并監(jiān)視下一跳的狀況。當(dāng)鏈路斷掉,節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送rrer消息將

14、路由錯誤回送給節(jié)點(diǎn)a,通過前驅(qū)列表(preursrlist)指明,由于斷鏈而無法到達(dá)的節(jié)點(diǎn)號,節(jié)點(diǎn)a重新發(fā)起路由查找過程。圖6單跳通信天線特性圖圖7多跳通信天線特性圖可以看出,通過建立多跳通信,通信間隔 從單跳中最大的75進(jìn)步到103左右,不但解決了某些節(jié)點(diǎn)無法通信的問題,更是普遍增長了通信間隔 ,大大改善了通信性能。4結(jié)語無線傳輸系統(tǒng)中通過改善數(shù)據(jù)同步處理方式以及各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的通信協(xié)議,優(yōu)化了信息傳輸系統(tǒng)的性能,進(jìn)步了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確度,為整個橋梁安康監(jiān)測系統(tǒng)提供了有力的數(shù)據(jù)保證。致謝:感謝美國伊利諾伊大學(xué)土木與環(huán)境工程系billspener教授為本文所做的指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1徐春紅,吉林,沈慶宏,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁構(gòu)造安康監(jiān)測系統(tǒng)j.電子測量技術(shù),2022,31(11):95-98.2rappaprtthedres.irelessuniatinspriniplesandpratie.beijing:eletrnisindustrypress,1998:69-74.3王海,張能貴,高志剛.基于tinys的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)j.機(jī)電工程,2022,26(5):16-26.4周雅琴,譚定忠.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀j.傳感器世界,2022(5):35-40.5于宏毅,李鷗,張效義,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論、技術(shù)與實現(xiàn)