利用无线传感器网络实现大跨度桥梁的振动检测 课程设计

机械工程测试技术课程设计利用无线传感器网络实现大跨度桥梁的振动检测姓名闫程贺学号201315310136指导教师卢纪丽院系部所机电工程学院专业机械设计制造及其自学校代码10904动化完成日期20141213摘要桥梁作为国家基础设施的重要组成部分，在国民经济和社会生活中的作用越来越重要，人们对大型桥梁的安全性、耐久性及正常使用功能日益关注和重视。对于大跨度桥梁的结构健康监测，传统的人工检测方法存在主观性强,整体性，时效性差等不足目前广泛使用的有线健康监测在应用中也存在着布线难，系统易受环境影响等困难。利用无线传感器网络技术对桥梁结构健康状态进行监测。不仅保留了有线健康监测的优点，而且弥补了其在应用中的不足。文章首先对整个系统的组成进行了说明，接着分别对无线传感器网络节点以及基站的组成和作用进行了说明。在此基础上，提出温度漂移对无线传感器网络节点的加速度传感器输出的影响，并对如何利用温度补偿技术来校准加速度传感器的输出值进行了探讨。且给出了数据校准前和数据校准后的对比图。接下来提出节点时钟同步的必要性，并对网络的时钟同步原理进行了探讨。在润扬长江大桥锚索上安装无线传感器网络，利用节点采集锚索的振动信息，并将其发送到基站节点。经数据分析可以得出锚索的振动频率，根据振动频率，便可以分析其受力情况，最终可以判断桥梁的结构健康状态。关键词桥梁无线测试系统无线通信数据采集ABSTRACTASANIMPORTANTPARTOFTHENATIONALINFRASTRUCTUREOFTHEBRIDGE,ANDROLEINTHENATIONALECONOMYANDSOCIALLIFEOFTHEMOREIMPORTANT,PEOPLEONTHELARGEBRIDGESAFETY,DURABILITYANDFUNCTIONOFNORMALUSEOFINCREASINGCONCERNANDATTENTIONFORSTRUCTURALHEALTHMONITORINGOFLONGSPANBRIDGES,THETRADITIONALMANUALDETECTIONMETHODSUCHASSTRONGSUBJECTIVITY,INTEGRITY,LACKOFPOORTIMELINESSCABLEHEALTHMONITORINGISCURRENTLYWIDELYUSEDINTHEAPPLICATIONALSOEXISTSINTHEWIRINGISDIFFICULT,THESYSTEMISEASILYAFFECTEDBYENVIRONMENTANDSODIFFICULTMONITORINGTHEHEALTHSTATEOFBRIDGESTRUCTUREBYUSINGTHETECHNOLOGYOFWIRELESSSENSORNETWORKNOTONLYRETAINSTHEADVANTAGESOFCABLEHEALTHMONITORING,ANDMAKEUPFORTHEDEFICIENCIESINTHEAPPLICATIONFIRSTLY,ONTHECOMPOSITIONOFTHEWHOLESYSTEMAREDESCRIBED,THENTHEWIRELESSSENSORNETWORKNODEANDTHEBASESTATIONCOMPONENTSANDFUNCTIONSAREDESCRIBEDONTHISBASIS,THEINFLUENCEOFTEMPERATUREDRIFTOFACCELEROMETEROUTPUTISPROPOSEDFORWIRELESSSENSORNETWORKNODE,OUTPUTANDTOCALIBRATETHEACCELERATIONSENSORONHOWTOUSETHETECHNIQUEOFTEMPERATURECOMPENSATIONVALUEISDISCUSSEDANDGIVESTHECOMPARISONOFDATABEFOREANDAFTERCALIBRATIONTHECALIBRATIONDATATHENPUTFORWARDTHENECESSITYOFNODECLOCKSYNCHRONIZATION,ANDCLOCKSYNCHRONIZATIONPRINCIPLEOFNETWORKAREDISCUSSEDTHEINSTALLATIONOFWIRELESSSENSORNETWORKINCABLE,USINGTHEVIBRATIONINFORMATIONACQUISITIONOFANCHORNODES,ANDSENDITTOTHEBASESTATIONNODETHROUGHTHEDATAANALYSISOFVIBRATIONFREQUENCYCANBEOBTAINEDACCORDINGTOTHEANCHORCABLE,VIBRATIONFREQUENCY,CANFORCEANALYSIS,STRUCTURALHEALTHSTATEEVENTUALLYCANDETERMINETHEBRIDGEKEYWORDSWIRELESSCOMMUNICATIONDATAACQUISITIONANDWIRELESSMEASUREMENTSYSTEMFORBRIDGE目录1桥梁结构振动监测中无线传感器网络关键技术分析111无线传感器网络112无线传感器网络在桥梁结构振动监测中的关键问题32多数据汇集点网络拓扑结构621网络拓扑结构优化设计622网络自组织方法83基于贪婪启发式的时间同步方法931桥梁结构振动监测中的传感器网络时间同步要求932基于贪婪启发式的时间同步方法104基于无线传感器网络的桥梁结构监测系统原型设计1441桥梁结构振动无线传感器网络监测构架1442监测区数据采集环节设计1743无线网络传输机制设计1844传感器节点程序设计与实现2045数据终端程序设计245实验与分析2751数据采集实验2752网络性能测试分析306小结33参考文献34致谢361桥梁结构振动监测中无线传感器网络关键技术分析11无线传感器网络无线传感器网络是近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展而出现的一种新型网络，它由大量的传感器节点组成，各节点通过传感或控制参数实现与环境的交互，是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。无线传感器网络提供了一种全新的数据采集模式。相对于传统的数据采集系统，其感知范围扩大了很多，在单位区域内节点密集部署使得整个系统具有更好的容错能力，也提高了整个系统测量的准确性，从系统的安装、维护和使用等方面来看，无线传感器网络的成本降低。但是，由于无线传感器网络的应用支持非常广泛，目前尚无一套具体的准则将其具体的分类，并且无线传感器网络在面向不同的应用需求时，其可移植性和网络构建也是一项具有挑战性的工作，尚不存在固定的解决方案。在大多数的应用中，无线传感器网络的体系结构如图21所示，通常包括传感器节点、汇集节点和数据终端，呈现出较为完整的多层次的网络结构。大量的传感器节点被部署在监测区域内，这些无线传感器节点通过自组织的方式组成无线网络。传感器所感知的信息通过网络以多跳（MULTIHOP）的方式在网络中传播，并可能被多个传感器节点处理，最终到达汇集节点,汇集节点通过互联网或其它通信线路将感知数据发送给管理节点,负责监控的工作人员通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监控任务，收集监控数据。图11无线传感器网络体系结构从网络的体系结构上看，无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处。但是，他们之间也存在很大的差别无线传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大上千甚至上万，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都非常有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才是考虑节点能源；而无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是传感器网络与传统网络最主要的区别之一。无线传感器网络具有如下技术特征规模大传感器网络可能包含多达成千上万个节点。高冗余为了保证网络的可用性、可靠性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。动态拓扑除了几节点移动带来的网络拓扑变化外，传感器节点的功率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。另外，根据应用需要，网络中有些几节点可能进入休眠状态，或者为了提高网络的数据传输速率和数据吞吐量，引起工作节点的数量和网络传输结构的变化。面向应用性强无线传感器网络针对不同的应用实例，其存在形式和支持技术往往差别很大。网络自组织网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施。传感器节点通过分布式网络拓扑控制协议实现组网，网络能够自动调整以适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围等因素的变化。流量不均衡无线传感器网络中流向处理中心的数据量远远大于反向的流量。数据流向处理中心并在处理中心集中，会出现离处理中心越近，节点负载越重的现象。节点数据融合与压缩由于无线传感器的能量、传输带宽的限制，传感器网络在数据传输过程，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关数据进行融合和压缩，再传输给处理中心。数据融合与压缩可以减少冗余数据，节省通信所带来的电量损耗，减轻通信压力。传感器节点能力有限由于低成本、低能耗、体积小等要求，传感器节点在供电、计算、存储、通信等方面的能力受到很大的限制。在无线传感器网络设计的过程中，需要在上述的各个指标之间取得折中。针对在系统运行的不同时期各个指标重要程度的不同，算法和通信协议要有很强的适应能力。12无线传感器网络在桥梁结构振动监测中的关键问题无线传感器网络技术的发展为桥梁结构振动监测提供了新的思路，用无线传感器网络监测模式来构建无线、分布式桥梁结构振动监测系统，可以较好地解决大规模多测点数据同步采集、精度与监测成本之间的矛盾，实现系统自由扩展，并以较低的成本实现大规模监测。但是，由于无线传感器网络的硬件技术和软件技术发展尚不成熟，在针对具体的工程应用中需要在其各个技术层面做修改和完善。本研究认为无线传感器网络在以下几个方面制约了其在桥梁结构振动监测中的应用（1）需要进行适合桥梁结构振动监测的无线测振传感器的研制。现有的各种常用的测振传感器由于不能满足无线传感器网络节点低功耗、小体积的要求，不能直接应用到基于无线传感器网络的桥梁结构振动监测中。目前，虽然已经出现了可用于桥梁、建筑物等结构振动监测的低功耗的基于MEMS振动加速度传感器，但还没有形成成熟的产品。选择何种无线测振传感器，是进行桥梁结构振动监测首要考虑的问题。（2）需要解决多个无线传感器网络节点同步采集桥梁结构振动信号的问题。桥梁结构振动监测中需要对多测点振动信号进行同步采集，如模态分析中各个测点的振动数据获取的时间差会导致严重的相位误差。在现有的有线振动监测系统中，主要是依靠多通道的同步采集器对各个传感器振动信号进行同步采集。而无线传感器网络属于一个分布式系统，在不同的节点中都有着各自的本地时钟，难以实现振动信号的同步采集。目前，较为通用的时间同步机制比较复杂，难以适应振动信号数据采集系统的数据流量高和网络负荷大的要求，需要实现一种相对简单的、可以避免较大资源开销的多节点振动数据同步机制。（3）需要解决大量的桥梁结构振动原始数据在无线传感器网络中高速可靠地传输的问题。目前无线传感器节点的数据采集速率虽然可以达到较高的频率，但是由于传感器节点的存储能力非常有限，同时无线网络传输数据的能力较低，以较高的采样频率对振动信号采样时会造成大量数据溢出和在传输过程中丢失，因此，数据传输速率是限制传感器节点高速采样的关键因素，要在无线传感器网络节点中实现低延时、高频率采样，必须提高网络数据传输速率。与此同时，桥梁结构监测现场中的各种干扰较大，射频环境的恶劣条件很容易导致数据包的丢失，在多跳无线传输的过程中，链路丢包率往往很高，也会对网络通信产生影响，不利于数据的可靠传输。（4）最后还需要解决无线振动传感器网络的能量收集、供应与管理难题。桥梁结构振动监测系统中由于需要进行长期不间断的监测、振动信号的高速采集和大量数据的可靠传输，对能量的需求很大，这对传感器节点的能量供应提出了很高的要求。目前，无线传感器节点一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，需要考虑其它供能方式。上述技术问题，在系统的设计过程中主要可以归结为两方面的设计问题。一方面，是无线传感器网络节点的硬件设计问题，需要设计适合传感器节点使用的微型、低功耗的振动数据采集板，以及适合桥梁结构振动监测的无线测振传感器；另一方面，无线网络的节点部署形式、数据的采集模式、网络组网方式和传输协议以及数据处理的方法都是通过软件实现的，而无线传感器网络针对桥梁结构振动监测这类需要高速高可靠的网络传输要求的应用很少，没有针对性的无线网络传输方案和相关辅助协议的支持。本课题在设计基于无线传感器网络的桥梁结构振动监测系统中，主要研究无线传感器网络的软件解决方案，通过优化数据的传输模式、网络拓扑结构以及时间同步机制解决无线传感器网络在桥梁结构振动监测应用中的一些技术问题，并选用无线传感器节点硬件平台，基于现有硬件初步实现桥梁结构振动监测无线网络系统。2多数据汇集点网络拓扑结构无线传感器网络是典型的多跳网络，其拓扑结构不再局限于简单的星型结构，而是灵活多变的动态拓扑，网络结构可以直接影响数据传输的效率，因此，设计网络结构的核心任务是对其进行拓扑控制，这对于延长网络的生存时间、减小通信干扰、提高媒体接入控制协议（MAC）和路由协议的效率等具有重要意义。针对桥梁结构振动监测中网络规模和振动采集的高性能要求，所采用的组网方式要求结构简练、鲁棒性强，所需要的组网节点数量较多，同时覆盖面积较大，多数应用中无线传输距离较远（数百米甚至上千米）。因此，本课题提出多数据汇集点的网络结构试图解决上述问题。21网络拓扑结构优化设计图22所示为单跳星形拓扑结构，其网络结构简单，在进行自组网时较为容易，网络中不存在多跳，虽然节点至基站点的通信距离不等会造成各节点无线发射功率有所不同，但是相对来讲节点能量消耗较为平均，数据包的网络延迟较小。根据不同对象的测试需要，网内的各点分布并非均匀分布，加上测试环境射频条件复杂，很难保证所有的节点都处在较好的无线收发环境中，同时基站接受速率有限，在采样频率较高的振动数据采集过程中，其节点数量N受到节点的数据包发送频率和基站节点数据包接受频率的限制，而且N的值与硬件的性能有直接关系，对于MICAZ平台通常N在十几个节点左右可以保证数据低速传输的要求。为了解决现场测试环境中射频条件恶劣，增加数据传输的可靠性和布点的灵活性，桥梁结构振动测试中主要采用的网络结构为多跳树状定向组网模式，如图23所示，网络在初始化时通过拓扑建立网络结构，每个节点根据射频信号强度，选择单跳或者多跳的方式定向向基站节点进行数据传输，这种方式避免了节点需要进行大功率发射信号的情况，不会由于距离过大或者射频干扰较强导致能量过多的耗散，同时增加了数据传输的可靠性和测点布置的灵活性。但由于多跳会导致越靠近基站的节点转发任务越重，MAC层信道冲突负担较大，网络的能量消耗不均衡，如图23所示，6号节点、7号节点和10号节点都需要转发较多节点发送的数据。同单跳型网络结构一样，其数据传输速率也受到基站节点的接受速率影响。图22单跳星型拓扑结构图23多跳树状定向拓扑结构综上分析，单跳星型网络结构主要面临的问题是网络范围较小，安装传感器节点受到一定的约束；而树状定向网络结构，网络中节点的能量消耗不均衡，靠近基站节点的传感器节点往往转发数据包的任务较重，在一定程度上影响了网络的传输速率。而基站节点和传感器节点的无线收发性能相同，但是基站节点所要接受的数据来自所有网内节点，因此可以得出以下分析结果基站节点，即网络的数据汇集点，接受数据包的速率对网络数据传输的速度起着决定性的作用；多跳网络增加了部署传感器节点时的灵活性，也可以避免节点由于距离原因或者射频干扰较大，导致传输可靠性减低和能量消耗过大；减少传感器节点到基站的跳数可以提高网络传输性能。根据以上分析，本课题设计了具有多个基站节点的多数据汇集点网络结构，如图24所示，通过增加基站节点的数量，可以减少每个基站的数据吞吐量，增加网络的数据传输速率，提高每个节点的采样频率，以就近原则实现了围绕基站节点的分组之后，明显减少边缘节点数据传送的多跳次数，降低数据包丢失的概率和传输延迟，提高数据传输的可靠性，也减小中转节点的传输负载，增加网络能量耗散的平衡性，同时继承了树状定向网络结构良好的测点部署灵活性。SINKPC12345678910SINKPC12N图24多数据汇集点网络拓扑结构图22网络自组织方法在多数据汇集点网络结构中，网络自组织的过程与树状定向网络有些类似，多跳树状网络结构的自组织方法较多，BLAST88是一个较为成熟的方法，并且具有较强的数据传输可靠性，但是由于增加了基站节点，网内的数据扩散方向由一个变成了多个，这给组网过程增加了难度，多数据汇集点网络的组网方式在BLAST原型基础上进行改进，BLAST主要有两个组件构成一个用于选择父节点组件网络，另一个用于数据的可靠传输，本课题仅采用了其数据可靠传输组件。在网络自组织过程中通过以下原则完成网络的拓扑控制首先，由基站节点向网内广播初始化网内节点，每个节点根据RSSI（接受信号强度）值选择基站节点分组，并由RSSI强度阈值决定节点是否进行单跳通信，RSSI阈值按经验取值89，不同组内的单跳节点分别进行广播，接收到广播信号的非单跳节点根据RSSI值选择组号和父节点，以此类推，完成网络的自组织。由于网络的多个基站节点受到位置和射频环境的影响，很有可能造成网络内分组不均衡，导致基站节点的通信负荷产生极大的差异，这就对基站节点的部署提出来较高的要求。通常振动信号的采集中，传感器节点在安装部署时较为固定，针对结构的振动测试要求，安装点相对较为均匀，基站节点的数量要与传感器的采样频率成正比，按照本课题的测试经验，每个节点以1KHZ的采样频率获取数据时，需要保证在组网中每个基站组中不超过4个节点，基站节点的部署需要尽量均匀的分布在网络中或者网络边缘，保证组网时不会出现分组不均衡的现象。12345678910SINKPCSINKPC3基于贪婪启发式的时间同步方法时间同步是无线传感器网络的一项重要支撑技术，其自身协议的运行及基于其上的应用（如标记数据采集时间、时分多址接入、协同休眠、定位、数据融合等）都需要网络中节点的时间保持同步。在已有单跳方法基础上，通过分析无线传感器网络在桥梁结构振动监测中的具体要求，设计一种低功耗的多跳时间同步方法。31桥梁结构振动监测中的传感器网络时间同步要求在使用无线传感器网络进行桥梁结构振动监测中，振动数据是通过多个传感器节点同时采集的，然后通过无线设备由单跳或者多跳发送到基站，如果采集节点时间不同步，将会产生时间延迟使得传递到基站的采集数据与时间不匹配。由此导致的后果就是对产生时间延迟后采集的数据做动态信号分析的时候将会产生相位偏移。假如其中一个节点K出现时间延迟，则0TKKFFT（21）时延后的傅里叶变换为00JTJTKKKFEFDEF（22）相位偏移程度取决于节点K的时间偏移量T0与频率。相位偏移对后期的数据处理将会产生明显的影响，其中典型的影响就是对数据做模态分析的时候将会导致较大的误差90。对于桥梁结构振动监测来说，主要从以下三个方面来分析其对时间同步的要求1）同步精度要符合桥梁结构振动监测的要求。如对桥梁结构进行模态分析时，对多点采集的数据进行评判的重要标准之一是不同独立节点之间的时间同步精度。当大型结构低频振动时，如桥梁振动的频率范围为05HZ到30HZ，由式（22）可知，对后期的数据处理影响较小，一般的时间同步精度通常能满足（比如测量振动频率为20HZ的低频振动时，只需毫秒级的同步精度即可保证其相位偏移值很小）。而对于振动频率可达数百赫兹的机械结构振动来说，各节点时间同步精度必须在微妙级别才能保证其相位偏移误差较小。2）尽可能减少维持节点之间同步所带来的能耗。由于无线传感器网络节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，而且振动监测区域往往环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，因此不能通过经常更换电池的方式来补充能源。而维持时间同步是节点耗能的主要因素之一。由此可见，在精度满足需要的前提下，应尽可能减少同步算法的能耗。3）桥梁结构振动监测中需要使用多跳同步方法。在桥梁结构振动监测中，由于传感器节点往往分布在一个范围比较大的区域，而现有的传感器节点的发射范围往往只有数十米，这就迫使采集所得的振动数据必须通过多跳方式传递到基站，这样就要求桥梁结构振动监测中采用多跳网络中的时间同步方法。综上所述，用于桥梁结构振动监测中无线传感器网络时间同步方法应是一种具有微秒级精度、低功耗的多跳同步方法。32基于贪婪启发式的时间同步方法低功耗单跳同步方法PBS方法的同步原理为91如图25所示，首先选取节点A、P为参考节点对，它们通过成对同步保持时间同步。节点B为网内除A、P以外的任意节点，可以接收A、P发射的带有时间戳信息的同步信号。节点B利用接收到的同步信息通过类似RBS方法的同步，使得B与节点P同步。依此类推到其他节点，从而实现全网同步。该方法最大的特点是能耗相对较低。图25PBS方法同步示意图在单跳网络中，由于所有节点都在同网络其他节点的单跳通信范围之内，因此任意一对节点都可以作为发射节点以使用PBS方法来同步其他节点。但是在多跳网络中，由于节点的通信范围有限，有可能出现各个节点的通信范围内节点密集度不一样，因此就要面对选取参考节点对的问题。本文使用一种基于贪婪启发式的算法APB节点B只接收时间信息参考节点对互换时间信息92来选取参考节点对，划定PBS单跳同步范围，将PBS单跳同步方法扩展到多跳同步。假使网络中每个节点都有一个唯一的ID号，并且在广播级别发现阶段给每一个节点分配级别。具体步骤如下步骤1首先，节点侦听其邻居节点的数目与节点ID号。第I级别的任意一个节点J产生一个列表信息LJ，这个列表信息包括节点J的I级别的所有邻居节点的ID号。I级别的每一个节点都发送该列表信息给其（I1）级别的邻居节点。（如图26所示）依此类推，级别高的发送列表信息给级别低的。图26节点交换邻居节点列表步骤2在J接收完其所有I1级别的邻居节点的列表信息以后，清点这些列表从而得知哪个节点与J共有的I1级别的邻居节点最多，并且与其共处在一个单跳范围内，确定通过一次PBS能同步的最大邻居节点数目。定义该数目为J的SYNCNUM,与J共有I1级别邻居节点最多的节点为K（如图27所示节点2的SYNCNUM3，K为节点5）。节点J发送SYNCNUM到其I级别的所有邻居节点。图27各节点分别与其邻居节点交换SYNCNUM值213456I1级I级I1级L4L2L5L2L6L2L3L2L3L2255341各节点与其邻居节点互换SYNC_NUM步骤3通过步骤2以后，级别I的每一个节点都将接收到其同级别的邻居节点的SYNCNUM值。节点J检查其本身的SYNCNUM是否为所接收到的所有SYNCNUM中的最大者1）如果节点J自身的SYNCNUM值是所有接收SYNCNUM值中的最大，J将向每一个I级别的邻居节点发送一个列表信息L。列表信息L中包括以节点J与K为参考节点对使用一次PBS所能同步的节点的ID。然后，LJ更新为LJLJL。通过多次更新以后直到SYNCNUM值变为0，节点J进入步骤5。2）如果节点J自身的SYNCNUM值不是所有接收SYNCNUM值中的最大者。节点J向其I级别邻居节点发送一个数据包NOTMAX。然后J等待应答信息，应答信息又分为两种情况情况A节点J从其I级别邻居节点中接收到一个或者多个L与相应的SYNCNUM，收到剩下的邻居节点发来的包NOTMAX。列表LJ更新为LJLJ（UL），通过多次更新以后直到SYNCNUM值变为0，节点J发送完该SYNCNUM值以后跳到步骤5。情况B由于具有SYNCNUM最大值的节点有可能并没有判断出自己具有该最大值，所以有可能出现节点J从其I级别邻居节点收到的全是NOTMAX信息包。在这种情况下，由于节点J及其邻居节点发现它们没有最大的SYNCNUM值，所以节点J的SYNCNUM值不发生变化。节点J将再次向其所有I级别邻居节点发送SYNCNUM。直到出现情况A为止。步骤4重复步骤3，直到列表LJ清空为止。步骤5通过以上步骤后，确定了进行一次PBS同步的节点范围。节点J使用上述PBS单跳同步方法与其同步列表中的节点进行同步，进而达到全网同步。低功耗的多跳时间同步算法流程图如图28所示，由以上步骤可以确定通过一次PBS方法所能同步的最大节点范围，在该范围内最大限度的减少了同步过程中同步信息的发送次数，因此可以得到优化的最佳参考节点对，并以较低的同步能耗达到全网同步。图28低功耗的多跳时间同步算法流程图在晶振频率为8MHZ的MICAZ平台上，RBS算法的单跳同步精度可达5个S左右；在多跳网络中，5跳距离内的平均同步精度在10S左右93。PBS方法的时间偏移以及时间漂移估计式与RBS的相同91，而时间同步精度主要和该式有关，所以他们的同步精度相同。本课题设计的方法是PBS方法向多跳同步的一个扩展，其精度估计式并没有变。可见，本课题所设计的基于PBS的多跳同步方法同步精度相比RBS并无损失，能够满足桥梁结构振动监测的需要。对于具有L个节点的同步网络，如果除去参考节点仍有N个节点，各算法达到全网同步所需发送同步信息的次数分别为RBS需要NLL1/2次；TPSN需要2NL1次；FTSP需要NL次；而PBS方法发送信息次数为2N次。可以看出，PBS相对于传统经典方法同步能耗大大降低。确定SYNCNUM开始结束I1层节点J发送LJ至I1层LJLJL直到SYNCNUM0（SYNCNUM）JMAX节点J向其邻居节点发送数据包NOTMAX节点J收到全是NOTMAXLJLJ（UL）直到SYNCNUM0节点J发送SYNCNUM至邻居节点YYNN节点J与列表L中的节点通过PBS同步4基于无线传感器网络的桥梁结构监测系统原型设计基于无线传感器网络的桥梁结构振动监测系统在组成结构上主要分为监测区域的传感器节点数据采集部分、无线网络数据传输部分和数据终端的数据分析处理部分。在对系统的总体设计思路、功能原理和逻辑流程进行详细的阐述之后，对系统的主要模块进行程序设计和实现，并初步验证基于无线传感器网络的桥梁结构振动监测系统的有效性。41桥梁结构振动无线传感器网络监测构架桥梁结构振动无线传感器网络监测系统的构架如图29所示，在振动信号的采集环节中主要是以一定数量的无线传感器节点分布于监测区域内进行数据采集，如图中所示的MESH网络内，由传感器接入无线节点完成信号的获取和采集，并发送到数据汇集点，最终传送到数据终端，完成数据处理。在系统中信息的流向不仅仅是自传感器节点到数据终端的一种流动方向，网络内的小区域数据融合，无线节点在网络自组织过程中的组网信息发送，以及监控过程中监控端的主动数据查询等等。对于整个系统的信息交互而言，用户终端与数据汇集节点在网络中是数据交互的主动方，它们和网络中其它模块之间的数据流向如图210所示，给出了系统在用户端和信号采集端之间的数据流动。在串口收发模块以上的抽象模块均属于PC机上的运行程序，其下层抽象层为无线传感器网络模块，无线传感器网络的基站节点（或数据汇集点）通过串口通信方式连接PC机，下箭头线表示上层往下层传送的各种请求命令，向上箭头表示下层传送到上层的对应于上次发送的请求的相应数据包。通过请求和对应相应的传送实现了用户和无线传感器网络的相互交互。终端手持设备终端显示屏以太网MESH网络MESH网络MESH网络MESH网络MESH网络SINK节点SINK节点SINK节点SINK节点数据终端数据终端SINK节点传感器无线节点图29桥梁结构振动无线传感器网络监测构架用户端数据处理数据存储串口收发模块数据汇集节点分组MESH网络节点节点网络控制数据显示分析结果结果显示结果保存数据保存数据上传网络组织数据丢失重传数据汇集主动查询数据融合图210软件模块中的数据交互示意图当目标节点接收到网络中的命令请求信息后，对命令信息进行分析，如果该命令数据是获取该节点的特征信息比如能量、节点号、节点状态等，则直接获取该结点的信息，并形成一个针对该请求命令的应答帧，按照命令请求路由信息相反的路径传送到汇集节点；如果该命令是获取该传感器节点上的监测的信息，则对传感器的信息进行采集，并形成一个针对该请求命令的应答帧，按照命令请求路由信息相反的路径传送到汇集节点。在网络使用和以后的功能扩展过程中，只用调整和改变每个传感器节点的软硬件的数据采集模块功能就可以了。为了描述的方便，我们把这部分功能单独列出来，称之为“前端检测环节”。当汇集节点通过它的无线模块收到来自于其它节点的命令请求应答帧（如路由请求应答帧、数据查询请求应答帧、节点特征查询请求应答帧等）后，把数据通过串口传送到与之连接的PC机上。PC机收到串口传送过来的命令请求应答帧后，对该命令请求应答数据帧进行分析处理，对采集到的传感器检测的信息进行进一步的分析和处理。通过对系统组成阐述和系统内的数据流分析，明确了系统的功能原理和结构模块的划分。为了便于系统的具体的软件设计和实现，下面给出了具体的系统程序模块关系图，如图211所示。数据采集组件振动传感器EPROM无线收发组件路由组件网络数据管理器可靠传输组件时间同步组件自组网组件事件管理器数据融合组件串口收发模块显示模块用户接口模块数据存储模块数据处理模块网络监控模块图211软件模块组成42监测区数据采集环节设计本课题在选用无线传感器节点时采用的CROSSBOW公司的MIACZ型无线传感器节点和MDA320数据采集接口板，其硬件实物如图212所示。图212无线发射节点和数据采集卡实物图MIACZ是工作频段在24GHZ的无线通信模块，硬件采用低功耗设计，采用的射频频段在2428GHZ全球兼容的ISM波段，具有直接序列扩频技术，抗RF干扰能力较强、数据隐蔽性好，理论传输速率为250KBPS，软件操作系统为TINYOS。该无线通信模块基于ATMEGA128L处理芯片，ATMEGA128L是一款低功耗的处理器，内部存储器为128KB，外部存储器有512KB的容量，EEPROM为4KB，最大电流为8MA，当进入休眠模式时电流小于15。处理器板通过配置，同时运行传感器和A网络通信协议栈，在MICAZ模块上具有一个51针的扩展接口可以连接模拟输入、数字量输入I/O、I2C、SPI和UART接口，支持这些即插即用的连接方式，可以方便的连接CROSSBOW所以的传感器采集板卡和网关板卡，供电模式采用两节普通的AA电池即可。对于MIACZ无线通信模块的编程输入，需要借助CROSSBOW公司的基站编程板MIB520，MIB520是一款用USB接口连接PC机的基站编程板，通过USB供电，在于该板块的通信接口芯片可以利用USB接口虚拟两个串口，其与PC的通信方式实际为两个串口，一个用于无线传感器网络中数据的接受，另一个串口用于为MIACZ节点烧写程序，同时可以实时地接受PC端发出的指令，并通过通信串口转换为无线通信指令，传输到无线传感器节点，控制整个网络的运行状态。为了满足数据采集的高要求，选用了CROSSBOW公司的MDA320型高性能数据采集板，该采集板具有多达8通道16位模拟输入，8个单端025V输入或者4个差分025VADC通道，8个数字I/O事件驱动中断通道，同时可以调整为25V、33V、5V的外部激励和低功耗模式，拥有64KB的大容量EEPROM满足短时间的数据存储功能，其设计结构精简，满足精确采集和分析数据的需要。通过51针接口连接MIACZ无线通信模块。43无线网络传输机制设计针对其无线传感器网络自组织特性和数据多跳传输的特性，结合桥梁结构振动监测任务的要求，形成了基于多个数据汇集节点的高速可靠网络传输模式。无线传感器网络需要把传感器节点所采集到的数据通过无线网络传输机制在网络内部进行传送，并最终传送到SINK节点上，并通过SINK节点上的串口传送到与之连接的PC机上。数据包在每个节点上的传输都要经过各个层次的网络传输协议，经过总结目前无线传感器网络内的协议层抽象较为简练，普遍地，将无线传感器网络的协议抽象为应用层、路由传输层、媒介访问层和物理层。所谓的网络传输机制的设计指的是数据在无线传感器节点之间进行通讯的过程，它包括物理层/MAC层协议开发、网络路由机制的设计、节点应用层的设计等内容，同时也包括，无线节点在最初形成网络时的网络自组织程序以及时间同步、数据可靠性传输等相关辅助协议，图213表示了本系统网络通信机制的各层协议规划以及各层协议之间的通信关系。媒体访问控制层流量控制机制物理层动态路由机制时间同步机制可靠传输机制网络拓扑控制应用层协议链路层协议图213协议栈的构成示意图在各层传输协议的设计过程中，实现方法不拘泥于传统的网络分层结构，并且使得协议栈的构建尽量简练，力图将数据传输的资源开销降到最低，例如在物理层上面，将媒体访问控制层（MAC）单独作为一个协议层次来考虑设计，众所周知，在OSI模型中，MAC协议被认为是数据链路层的一部分，大多数传统的网络协议设计过程中也会将MAC协议纳入数据链路层进行设计，但是MAC协议的性能受到物理层的影响较大，并且MAC协议与数据链路层的其他子层协议有着明确的界限，这里将MAC层独立列出是为了精简各个层协议的内容。同时为了保证机械振动测试的需要，在整个网络传输协议的设计中，实现优化的多数据汇集点的拓扑结构，保证数据可靠的传输以及多点采集得到的振动数据有足够的时间同步精度。物理层和MAC层是整个无线通信协议栈中的最底层，同时也是整个协议栈中最基础、最重要的部分，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，并且控制信道在节点间通信时所遇到的各种问题。由于这两层协议与底层的硬件联系十分紧密，目前也形成了很多成熟、高效的协议标准，例如IEEE8021514就是应用广泛的一款物理层和MAC层协议的标准，随着IEEE8021514标准的发布和广泛应用，世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持IEEE8021514的无线收发芯片，其中FREESCALE公司推出的MC13192和CHIPCON公司推出的CC2420就是比较典型的产品，本文所选用的MICAZ无线通信模块就是采用的CC2420无线射频芯片，同时所采用的操作系统TINYOS提供了对于CC2420芯片的物理层和MAC层的全面支持。TINYOS的物理层针对MICAZ的CC2420芯片提供了全面的接口支持，利用TINYOS提供的接口对组件操作，屏蔽了复杂繁琐的底层编码过程，简便易用。标准的TINYOSMAC协议是基于冲突检测的MAC协议BMAC，它通过低能量监听，相对较为节能并且协议简洁，占用的硬件资源较少，在无线传感器网络振动信号采集系统中较为适用，所以本课题在实现底层协议的过程中利用TINYOS的协议支持，完成了物理层和MAC层的协议移植，并在此基础上构建针对多数据汇集点网络拓扑结构的链路层和应用层协议。上层协议的实现方式较为灵活，实现上层网络传输协议主要考虑的内容是数据包的可靠传输机制的实现、时间同步机制和路由协议。数据可靠传输机制和时间同步的应用针对性比较强，因此不纳入网络通信协议栈中进行讨论，而是作为传感器节点的应用内容，在传感器节点的程序实现过程中本文将详细介绍，下面对与路由协议进行详细阐述。路由协议设计的主要任务是根据多数据汇集点网络结构所提出的网络自组织方法形成节点数据包中的路由表，这是保持网络拓扑结构和数据高效传输的关键环节。在网络自组织过程中，首先，由基站节点向网内广播初始化网内节点，每个节点根据RSSI（接受信号强度）值选择基站节点分组，并由RSSI强度阈值决定节点是否进行单跳通信，RSSI阈值按经验取值，不同组内的单跳节点分别进行广播，接收到广播信号的非单跳节点根据RSSI值选择组号和父节点，以此类推，完成网络的自组织。基站初始化每个节点的编号，每个节点通过选择基站分组和父节点号形成其路由表，从而确定了数据包的发送路径。在实现过程中，以GROUP组件初始化节点的分组号，同时完成对于网内节点的统一命名，在传输过程中考虑到节点的丢失和加入，还需要基于这些事件不断的更新各个节点的父节点号以及组号，保证数据路径的畅通。44传感器节点程序设计与实现无线传感器节点上采用的软件操作系统为TINYOS。TINYOS是加州大学伯克利分校开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计，操作系统基于组件（COMPONENTBASED）的架构使得快速的更新成为可能，而这又减小了受传感网络存储器限制的代码长度。TINYOS的构件包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具。其良好的电源管理源于事件驱动执行模型，该模型也允许时序安排具有灵活性。TINYOS已被应用于多个平台和感应板中。TINYOS的程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往都很小（一般来说核心代码和数据大概在400BYTES左右），能够突破传感器存储资源少的限制，这能够让TINYOS很有效的运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。TINYOS本身提供了一系列的组件，可以很简单方便的编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线电来传输信息。可以把TINYOS看成是一个可以与传感器进行交互的API接口，它们之间可以进行各种通讯。而在TINYOS上实现应用程序的编译时则需要利用NESC语言。NESC是一种扩展C的编程语言，主要用于传感器网络的编程开发，TINYOS以及基于TINYOS的各种应用基本上都是由NESC编写完成的。由于传感器网络的自身特点，面向其的开发语言也有其相应的特点。主动消息是并行计算机中的概念。在发送消息的同时传送处理这个消息的相应处理函数ID和处理数据，接收方得到消息后可立即进行处理，从而减少通信量。整个系统的运行是因为事件驱动而运行的，没有事件发生时，微处理器进入睡眠状态，从而可以达到节能的目的。组件就是对软硬件进行功能抽象。整个系统是由组件构成的，通过组件提高软件重用度和兼容性，程序员只关心组件的功能和自己的业务逻辑，而不必关心组件的具体实现，从而提高编程效率。在设计过程中主要需要考虑到模块有数据采集模块，数据传输模块和时间同步模块，下面分别介绍。（1）数据采集程序实现传感器节点的数据采集程序主要包括两个部分采样程序触发识别程序和标准的数据采样流程。首先，需要识别采样触发，主要有三种采样触发模式在通常情况下，传感器节点不需要一直连续的对测点进行采样，只需要经过一个时间间隔，间断的对一小段时间内的振动信号进行数据采集；当监控端需要查询某个测点的振动情况是，有监控端发出命令，当无线传感器节点受到监控命令时，需要连续不断的进行数据采样，这种方式为主动触发采样模式；当振动信号的电平值超过某个设定的值，就触发采用程序，这种方式称为外电平触发，外电平触发与采集板的硬件有关，不一定都具有这种采样触发方式。其次，当接受到采样触发之后，信号采集组件就会发送一个标准的采样任务。（2）数据包格式设计数据在传输的过程中都是以数据包的形式进行收发的，因此数据包的大小以及格式的定义显得尤为重要，也是影响网络数据传输性能的关键。数据包所包含的不仅仅是采集获取的振动数据还有与网络传输相关的数据头，一般数据包的头长度是确定的，根据网络传输的设计需要不同，通常数据头需要占用910BYTE数据甚至更多，TINYOS将整个数据包的长度限制在128BYTE以内，显然数据包的长度越长，其有效数据的传输效率越高，但是数据包的长度过长会导致发送时丢包的概率较大，同时由于数据包过长，在硬件性能一定的条件下，单个数据包的收发所占用的时间会有所增加，也会导致有效数据发送的速度降低。多数据汇集点网络结构的数据传输速率是由基站节点的接收速率所决定的，在单节点对基站发送数据包的条件下，经过实验得到数据包的长度和数据包发送频率的关系，如图214所示，我们可以发现数据包长度在65BYTE左右，有效数据的传输速率最高，可以达到65KBYTE左右，这也是基站接受数据能力的最大值。因此，在配置基站的过程中，需要根据节点的数据发送量来确定基站的数量，例如，一个节点以1KHZ的频率采集振动信号，并且以16BIT的ADC进行模数转换时，每秒产生的振动数据为2KBYTE，以65BYTE长度的数据包（其中10BYTE为数据包头）进行发送时，数据包的发送频率为36HZ，如果要有效地接受这些数据，不造成数据丢失，每4个传感器节点至少配置一个基站节点。A数据包发送频率B有效传输速率图214数据包长度与发送频率的关系表21列出了数据包的组成格式表21数据包结构表TINYOS定义头路由表时间参数振动数据校验码BYTES5BYTES3BYTES3BYTES50BYTES2（3）时间同步机制实现时间同步机制实现分为三个阶段节点层次分级阶段、参考节点对同步范围划定阶段、节点时间同步阶段。在节点分级阶段，根节点发送级别信息包，非根节点发送级别请求信息包，分析级别信息包内携带的节点ID号与级别信息，根据两种信息包将所有节点设定级别。各节点确定级别以后，除根节点以外的任一节点J向其更高一级别的邻居节点发送包含其所有同级别邻居节点ID的列表信息LJ，然后分析比较SYNCNUM值，并剔除列表LJ中所有不在节点J同步范围内的节点ID，最终得到的列表LJ中节点ID即为同步范围。同步阶段中，参考节点对向非参考节点发送同步信息包，非参考节点向参考节点对发送同步信息应答包，并在应答包上打上时间戳。非参考节点通过接收到的同步信息包计算出本地时间与参考节点的时间偏移，对偏移的本地时钟进行校正，并且设置一个等待超时计数器来对因超时而未接受到同步信息包的非参考节点进行重新同步最终达到整个网络节点同步。（4）可靠性传输机制实现在节点的程序实现时，通过对于发送队列的管理，形成一个丢失数据包的列表缓存，存放丢失数据包的特征标志，在一定时间内（发现所丢失的数据包在缓存中没有被清空的情况下），发现数据包丢失，可以凭借此特征标志重新传递数据包。图215描述了节点程序中实现数据可靠性机制的程序组件，数据包接收组件在接收到的数据包，然后进行数据的丢失监测，校验的机制采用目前使用最广泛的帧校验序列法（FRAMECHECKSEQUENCE），该算法中计算校验值（CRC）的方法简单，通过数据包头和数据包的数据进行计算，当算得到的CRC值与尾部CRC不一致时，认为数据包损害或者丢失，需要重新传递，这样就更新丢失列表，插入重传数据包的特征值，如果接受到的数据包正确，需要在丢失列表中查询是否是重传数据包，如果是的话需要删除丢失列表中该数据包的特征信息。而数据丢失恢复组件的工作方式是接受其它节点发出的数据包丢失信息，并且插入数据包丢失列表进行重传。丢失数据包列表发送队列数据包接收丢失恢复丢失监测虚拟通信接口AM图215可靠性传输机制程序框图45数据终端程序设计1串口服务程序设计客户终端PC机上运行的串口服务程序，由于该服务程序主要是连接汇聚节点和上层应用程序，用VC控件M