无线传感器网络信号同步采集及准实时传输系统

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无线传感器网络信号同步采集及准实时传输系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种信号同步采集及测量数据的准实时传输技术，具体地说是在一种适用于大型土木结构振动状态检测的多跳无线传感器网络中，实现无线传感器节点间进行同步采样，并将传感器节点的测量数据以准实时的方式回传至检测中心的传输系统。\n背景技术\n[0002] 大型土木结构在人们的生活、工作中有着举足轻重的作用，但是在几十年甚至上百年的使用过程中，大型土木结构经受着恶劣环境的侵蚀，材料的自然老化，会不可避免地形成损伤积累，导致抵抗自然灾害、甚至是正常载荷的能力下降，对人们的生命财产安全和国家的经济建设造成威胁，因此，对大型土木结构进行状态检测就成为其安全使用的有力保障。\n[0003] 目前广泛使用的大型结构状态检测系统，需要将安置在结构上不同测点的传感器输出信号用金属导线传送到信号采集单元，由于传感器常常远离信号采集单元，造成连接电缆长度增加，这一方面增加系统的安装时间，还给系统的稳定性和抗干扰增加了难度，特别是传输信号和电源的电缆费用将达到检测系统总体费用的相当大一部分，使得传统的大型结构状态检测系统可靠性差、投入大、效率低。\n[0004] 近年来随着无线通信，微处理器和MEMS等技术的发展，使无线传感器网络有了巨大的发展，广泛应用于军事，环境，健康，家用和一些商业领域的检测，并且随着技术的成熟，会有更大的利用空间。无线传感器网络有许多优点，首先，采用无线的传输方式，不需要布置电缆，系统的安装和维护变得简单易行。其次，系统容错率提高，不会因为中间的某一个节点故障而影响整个网络的运行。因此，无线传感和无线传输技术为大型土木结构的状态检测提供了新的解决的方案。但大型结构的状态检测具有其固有的一些特点，如测点分布范围大、振动信号的采样频率一般低于200Hz、各测点的振动信号必须同步采样，测量数据必须及时传送回检测中心等。这些特点对基于无线传感器网络的结构状态检测系统的设计提出了具体的要求。无线传感器节点由电池供电，如何延长使用寿命？针对大型结构状态检测测点分布范围大的特点，无线传感器网络如何布置？为了满足测点间振动信号同步采样的要求，无线传感器网络的时钟如何实现同步？及如何调好数据传输、信号采样、时钟同步等多项任务，以避免出现丢失数据、失去同步等问题都需要解决。目前IEEE 802.11协议、Zigbee协议、蓝牙协议是目前无线网络广泛使用的通信协议方式，这些协议都比较复杂，并且在多跳网络拓扑情况下，全局时钟同步、实时业务的处理和公平性等方面存在问题，而且需要专用芯片来实现，不能完全适应大型土木结构状态检测的特殊性的需要。\n发明内容\n[0005] 本发明针对所要解决的技术问题，提供一种基于无线传感器网络的振动信号同步采集和准实时传输的系统。具体地说，提供一种多跳无线传感器网络，并在数据传输的过程中自动完成节点间时钟同步，可实现最高采样频率为200Hz的16位高精度振动信号同步采集和准实时数据传输，以克服现有网络通信协议存在的不足，满足大型土木结构状态检测的特殊性需要。\n[0006] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：\n[0007] 一种无线传感器网络，其特征在于将无线传感器网络中的无线节点分为三类：中心节点、中继节点和无线传感器节点；\n[0008] 所述中心节点与检测中心计算机相连接，用于从无线传感器网络中收集网络拓扑信息和测量数据，发送给计算机进行数据处理，并从计算机中接收控制指令，以无线的方式传送给无线传感器网络中的无线节点；\n[0009] 所述中继节点同中心节点组成一个多跳链式拓扑结构的数据远程传输网络，同时从自己负责的检测单元内收集来自无线传感器节点的数据，将收集到的数据经所述链式拓扑结构传送检测中心计算机中进行处理；\n[0010] 所述无线传感器节点根据接收到的来自中继节点的信息，选择加入某个中继节点控制的检测单元，以便将自己的采集数据发送给该中继节点。\n[0011] 一种利用权利要求1所述无线传感器网络而进行信号同步采集及准实时传输的方法，其特征在于该无线传感器网络具有两种工作模式：振动信号采样开始前的初始化模式和振动信号采样开始后的准实时数据传输模式；\n[0012] 所述无线传感器网络在初始化模式包括如下步骤：\n[0013] a、识别出链式拓扑结构的跳数和每个中继节点控制的检测单元内无线传感器节点的数目和它们的ID号，\n[0014] b、为无线传感器节点分配通信时隙，并实现所有无线节点与中心节点的同步；\n[0015] 当无线传感器网络初始化结束后，由检测中心计算机通过中心节点向无线传感器网络发送采样控制指令，包括采样开始时刻、采样频率和采样持续时间；\n[0016] 各检测单元内的无线传感器节点在接收到采样控制指令后，确定采样开始时刻，当采样开始时刻到达后网络进入准实时数据传输模式；所述准实时数据传输模式包括如下步骤：\n[0017] i、无线传感器节点开始按照要求的采样频率进行信号采样，并在采样间隔时间内，把自己的测量数据以TDMA方式发送给本检测单元的中继节点，\n[0018] ii、各中继节点在接收到本单元内所有无线传感器节点发送的一个数据分组后，利用到无线传感器节点下次发送数据的时间间隙，把接收到的数据经过链式拓扑结构的数据传输网络发送回中心节点，由中心节点交付给检测中心计算机进行处理。\n[0019] 所述准实时数据传输模式还包括；所有无线传感器节点与链式拓扑结构中最末一级中继节点实现时钟同步的步骤；当各中继节点在接收到第一个数据包时，修改时钟与最后一级中继节点同步，后各组无线传感器节点接收所属单元中继节点回传的数据包，当接收到有同步标志的数据包时修改本地时钟，与所属单元中继节点同步。\n[0020] 由于采用了上述技术方案，本发明提供的无线传感器网络信号同步采集及准实时传输系统，其中无线传感器节点使用低功耗、短距离无线收发模块，针对大型结构状态检测测点分布范围大的特点，无线传感器网络需要被配置成一个多跳网络拓扑结构，以使无线传感器节点能够覆盖较大的测量区域。另外为了满足测点间振动信号同步采样的要求，这一多跳无线传感器网络中的中心节点、中继节点和无线传传感器节点采用“嵌入式”同步技术，使得网络能够在中继节点向中心节点回传数据的过程中实现与最后一跳中继节点的时钟同步，以实现全网时钟同步，从而确保了测量数据能够及时回传到检测中心，有效的协调好数据传输、信号采样、时钟同步等多项任务，避免丢失数据、失去同步等问题的出现。\n附图说明\n[0021] 图1是本发明采用的无线传感器网络拓扑图；\n[0022] 图2是本发明采用的超级帧结构；\n[0023] 图3是本发明中Init帧结构示意图；\n[0024] 图4是本发明中GCK帧结构示意图；\n[0025] 图5是本发明中Beacon帧结构示意图；\n[0026] 图6是本发明中继节点与传感器节点在准实时数据传输模式下的工作时序；\n[0027] 图7是本发明中不同单元内传感器节点采集的振动信号；\n[0028] 图8是本发明中心节点的工作流程图；\n[0029] 图9是本发明中继节点的工作流程图；\n[0030] 图10是本发明无线传感器节的工作流程图；\n[0031] 图1为本发明的说明书摘要附图。\n[0032] 图中：1、中心节点，2、中继节点，3、无线传感器节点，4、检测中心计算机。\n具体实施方式\n[0033] 如图1所示，本发明所提供的无线传感器网络，是将无线传感器网络中的无线节点分为三类：即中心节点1、中继节点2和无线传感器节点3；其中中心节点1与检测中心计算机4相连接，用于从无线传感器网络中收集网络拓扑信息和测量数据，发送给计算机进行数据处理，并从计算机中接收控制指令，以无线的方式传送给无线传感器网络中的无线节点；中继节点2同中心节点1组成一个多跳链式拓扑结构的数据远程传输网络，同时从自己负责的检测单元内收集来自无线传感器节点3的数据，将收集到的数据经所述链式拓扑结构传送检测中心计算机4中进行处理；无线传感器节点3根据接收到的来自中继节点\n2的信息，选择加入某个中继节点2控制的检测单元，以便将自己的采集数据发送给该中继节点2。\n[0034] 如图8～图10所示，该无线传感器网络具有两种工作模式：振动信号采样开始前的初始化模式和振动信号采样开始后的准实时数据传输模式：\n[0035] 初始化模式：无线传感器网络开始工作后，首先工作于初始化模式，完成网络拓扑的识别和同步。在该模式下中继节点2可以按编号顺序加入网络，而无线传感器节点3可以动态的加入网络；网络在初始化模式下使用超级帧结构，(如图2)。超级帧以中心节点\n1发送出Init帧为起点，并被划分为两个大时隙，即全局时隙和本地时隙。在全局时隙内，第一跳中继节点2接收到中心节点1发送的Init帧后(如图3：Init消息是中心节点发送出来的初始化消息，一共用了18个字节，每一个格表示一个字节。前四个字节是Init标识，第五个字节是发送Init消息的中继节点ID号，第六个字节是拥有本次超级帧的Local时隙使用权的检测单元号，即每个超级帧中的本地时隙仅供一个检测单元使用。第七，第八字节是Global时隙的计数值，第九字节表示该分组在网络中的传播方向。第十字节是采样标志，如果是‘1’就是通知各传感器节点在采样延时控制字给定的采样起始时刻，按要求的采样参数进行采样；如果是‘0’则表示目前还不需要采样。第十一和第十二字节是采样延时控制字。第十三，第十四字节是采样时间的计数初值。第十五字节是告诉上次回传数据的单元数据是否正确接收，如果没有正确接收，相应的控制节点需要重传上次的数据。第十六十七字节是采样定时器溢出次数。第十八字节通知各节点采样频率，‘1’代表200Hz，‘2’代表100Hz，‘3’代表62.5Hz)，便可获取全局时隙长度，确定是否需要采样，并判断当前超级帧内的本地时隙属于哪一个检测单元，之后，根据接收到Init帧的时刻和处理Init帧所花费的时间及全局时隙的长度，确定本地时隙开始的时刻，启动相应定时器，实现与中心节点1的同步，修改Init帧的跳数和全局时隙的长度，并将修改后的Init帧转发出去，此时，第一跳中继节点2还需要继续监听信道，以判断有无后续的中继节点2。若存在第二跳中继节点2，则第一跳中继节点2进入准备接收回传信息的状态，而第二跳中继节点2重复第一跳中继节点2的工作过程。若某个中继节点2在发送完Init帧之后的规定时间内，没有监听到信道中有后续中继节点2的发送信号，则可以断定自己为链式拓扑中的最后一跳节点。最后一跳中继节点2首先向上一跳中继节点2发送全局应答帧GCK(如图4：GCK包是网络中的节点信息，也是顶层节点开始接收数据的标识。一共27个字节，但是只使用了前7个字节，后面的字节可用于功能扩展。前三个字节分别为‘G’、‘c’和‘k’，是GCK包的标识，第四个字节是网络中中继节点的个数，即网络中有多少个单元。第五个字节是当前回传数据的中继节点的ID号，第六个字节是当前回传数据的单元中传感器节点的个数。第七个字节是中继节点是否正确接收到数据包的标识)。各中继节点2在回传GCK帧的同时，还要根据Init帧中的字段判断是否需要自己回传其负责的检测单元的信息，如果需要，则在发送完Init帧之后还要发送单元信息帧U_info。中继节点2完成发送任务后就进入等待状态，等待本地时隙的到达。当GCK和U_info帧到达中心节点1后，中心节点1便可以获得链式网络跳数的信息和Init帧中指定的检测单元内所包含的无线传感器节点3的个数及其ID号信息，从而修改网络拓扑表。\n[0036] 在全局时隙内，无线传感器节点3的的主要任务就是要确定自己所要加入的检测单元，而且加入后就不再改变。无线传感器节点3监听中继节点2发送的Init帧，为了简单起见，传感器节点选择加入其第一次成功接收到的Init帧的源节点管理的检测单元，并从该Init帧中获取全局时隙的长度和该中继节点2的跳数信息，然后，根据通信时隙的长度确定到下一超级帧开始的时刻，从而实现与中心节点1的同步。此外，传感器节点还要从Init帧中识别出本超级帧内的本地时隙是否属于其所在的检测单元。\n[0037] 当本地时隙开始时刻到达后，拥有该时隙使用权的中继节点2发送Beacon帧(见图5：Beacon消息是用于中继节点在Local时隙一开始发送给传感器节点的控制信息。一共150字节，前三个字节分别为‘B’、‘e’、‘a’，这是Beacon消息的标示，从第四个字节开始是已经成功注册的传感器节点ID号和分配的时隙号。每个传感器节点占三个字节，前两个字节是ID号，第三个字节是控制节点为其分配的发送时隙号)，Beacon帧中包含了已经成功注册的传感器节点信息。选择加入该单元的无线传感器节点3在接收到Beacon帧后，检查有没有自己的注册信息，如果有，就选择在中继节点2为其分配的时隙内将ID号发送给中继节点2，而中继节点2在分配出去的时隙内接收来自传感器节点的信息，结束后会发送一个应答帧ACK。剩余的本地时隙时间称为邀请时间，这段时间也被划分为一个个通信时隙。ACK帧一方面对已注册的传感器节点进行回复，另一方面标志着邀请时间的开始。在Beacon帧中没有发现自己的注册信息的传感器节点，在邀请时间内随机选择一个通信时隙将自己的ID号发送给本单元的中继节点2，以实现新加入的或者没注册成功的传感器节点向中继节点2的注册工作，加入该单元。\n[0038] 准实时数据传输模式：当确认网络中的所有节点都能够正常工作后，PC便可以发出采样控制指令；当PC给中心节点1发送了采样指令后，网络进入准实时数据传输模式；\n中心节点1在Init消息中通知各节点采样开始时刻、采样时间长度和采样频率，各节点在获取到有用信息后进入采样等待时间，以便在采样时刻到达后同时进行采样。在准实时数据传输模式下，各无线节点的工作时序图(见图6，图中R1-R4：中继节点，U1-U4：检测单元，T1-T4：采样时刻；A是中继节点接收传感器数据，B是传送R4的数据至中心，C是传送R3的数据至中心，D是传送R2的数据至中心，E是传送R1的数据至中心，F是各检测单元的传感器节点依次向相应的中继节点发送数据，G是各检测单元的传感器节点接收同步信号。)无线传感器节点3采集数据的实时回传，需要经过两个过程；首先，传感器节点需要将自己的采集数据发送给相应的中继节点2，然后由中继节点2与中心节点1组成的链式中继网络传送至中心的计算机4。在第一个过程中，每个检测单元都使用事先分配好的不同的无线通信频道，各检测单元内的无线传感器节点3在相同的时段内，以TDMA方式在本单元中继节点2为自己分配的时隙内，将测量数据打包发送给本单元的中继节点2，这一通信时段的长度由单元内传感器节点的个数和数据量的多少共同决定；在第二个过程中，各中继节点2相互合作首先将最末一跳中继节点2的数据传送回中心节点1，然后再传送倒数第二跳中继节点2的数据，以此类推，直至第一跳中继节点2将自己的数据发送给中心节点\n1；第二个过程所需要的时间与链式拓扑的跳数有关，跳数越多，花费的时间越长。\n[0039] 从满足准实时数据传输的要求出发，所有中继节点2的数据必须在下一次从传感器节点收集测量数据之前传送回中心节点1，否则在中继节点处会产生数据堆积，但是当采样频率较高，链式拓扑跳数较多时，如果传感器节点每完成一次采样就将测量数据发送给相应的中继节点2，则这一任务在传感器节点采样间隔时间内一般是不能完成的。本发明采取的措施为，无线传感器节点3连续进行多次采样后，再将多次采样结果打包，一次性发送给本单元的中继节点2，我们将这段时间称为“采样单元”，在网络设计时确定。这样的措施便减少了无线传感器节点3与中继节点2的通信次数，延长了二者的通信时间间隔，为中继节点2的数据回传提供足够的时间。\n[0040] 在准实时数据传输模式下，中心节点1一直处于接收状态，接收来自中继节点2的数据，没有信息发送，因此，无线网络中的其它节点无法与中心节点1实现时钟同步。如果不采取其它的同步措施，无线节点自带时钟的时间漂移会使网络会很快失去同步，无法正常工作。本发明提供一种“嵌入式”同步技术，使得网络能够在中继节点2向中心节点1回传数据的过程中实现与最后一跳中继节点2的时钟同步。具体措施为：当所有的中继节点\n2采集完本单元内无线传感器节点3的测量数据后，最后一跳中继节点2首先回传采集的测量数据时，倒数第二跳中继节点2和最后一跳中继节点2管理的检测单元内的传感器节点，便根据接收到的数据帧的时刻、一帧数据的无线收发时间以及在初始化模式下获取的采样周期长度，确定到下一个采样单元开始还需要等待的时间，这样就实现了与最后一跳中继节点2的同步。倒数第二跳中继节点2完成同步工作后，立即向倒数第三跳中继节点2转发接收到的数据帧，此时，倒数第三跳中继节点2和倒数第二跳中继节点2管理的传感器节点，就可采用上述同步方法实现同步，后续节点的同步过程以此类推，当最后一跳中继节点\n2的数据帧被传送回中心节点1后，所有的无线节点便都实现了同步。\n[0041] 实现实例：以一个中心节点1、4个中继节点2和12个传感器节点为例对本发明进行叙述，其中本发明所说的中心节点1、中继节点2和无线传感器节点3的硬件都可以采用如：Mega128嵌入式单片机作为处理器，nRF2401无线收发芯片完成无线收发功能；无线传感器节点3采用16位高精度A/D转换器对模拟振动信号进行采样，采样频率为200Hz，Mega128与nRF2401间通过SPI接口进行数据交互。nRF2401的发送速率为1Mbps，每个分组(packet)的最大长度为32字节，其中包括地址和循环冗余校验码CRC，实际设计中使用\n2字节地址和2字节CRC，这样一个分组中有效数据长度最大为27个字节。在这样的硬件平台下，从一个节点发送一个完整分组，到另一个节点接收到该分组需要花费1249us的时间，考虑到通信时隙间的保护时间，取通信时隙长度为1.5ms，无线传感器节点3的采样间隔为5ms，而无线传感器节点3需要在该间隔时间内把采集到的数据连同自己的ID号发送给相应的中继节点2，在时隙长度为1.5ms的情况下，5ms的采样间隔时间只允许三个传感器节点依次发送数据到一个中继节点2；选择为每个检测单元配置3个无线传感器节点3；\n由于每个分组的有效数据长度最大为27个字节，为了将中继节点2每次回传的数据能置于一个分组中，可以规定无线传感器节点3每连续4次采样后，将自己的8比特ID号连同8字节测量数据打包后发送给相应的中继节点2，这样每个中继节点2总共可以收到27字节的信息，正好可以用一个完整的分组发送；选择一个采样单元进行4次采样，时间为20ms，其中5ms用于传感器节点向相应的中继节点2发送ID号和测量数据，还剩余15ms供所有中继节点2分时回传自己单元的数据；每个通信时隙的大小为1.5ms，15ms只能提供10个时隙，正好可以保证4个中继节点2将收集到的数据分时传送回中心节点1；这样如果降低振动信号的采样频率、减小分组的无线收发时间，则可以相应增加检测单元和每个单元内无线传感器节点3的个数。如图7所示为发明内容实现实例中，第一个检测单元和第四个检测单元内的两个传感器节点的测量信号曲线，由图可见二者具有精确的同步关系，可满足大型结构状态检测的要求。\n[0042] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。