浅谈基于Imote2的WSN桥梁结构健康监测系统无线传

　摘 要:无线传输在桥梁结构健康监测系统中的应用有效解决了有线传输的布线问题,但同时也带来了一些数据传输上的问题,例如:数据传输时数据包容易丢失而降低通信的可靠性;节点采集的数据序列很难完全时间同步,因而影响数据的精确度;简单的单跳通信只能满足基站节点与叶节点在可视路径内进行通信,在复杂环境下有障碍物阻挡时会导致通信不良或无法通信。可采取如下措施予以改进:通信时运用ack机制减少数据包的丢失,从而保证传输的可靠性;采用浮动时间同步协议(ftsp)和重采样使节点之间的时钟同步度提高;采用aodv协议实现多跳传输,使节点在通信不良时通过中间节点与基站节点通信,增加通信可靠性并加大通信距离。
　　关键词:无线传输; ack机制; 时间同步; 重采样; 多跳
　　　
　　wireless transmission of wsn bridge health monitoring system based on imote2
　　lu hui1, shen qing-hong1, chen ce2, ruan jing2
　　(g university, nanjing 210093, china; u provincial yangtze river bridge headquarter, taizhou 225321, china)
　　abstract: the wireless transmission applied to bridge health monitoring system can effectively solve the problem about wiring of wire transmission, but some questions on data transmission are happened. for example: the data packets are very easy to lose during the transmission to reduce the reliability of correspondence, it′s difficult for the dates collected by those nodes to achieve time synchronization completely, the single-hop communication can satisfy the communication between base-node and leaf-node just within a visual path, communications work badly or even can not work in the complex environment and obstacles are existed. using ack mechanism can reduce the loss of date packets in order to guarantee the reliability of the transmission, using float time synchronization protocol (ftsp) and re-sampling to improve the time synchronization between nodes. compared with the single-hop communication, the aodv protocol can offer a "multi-hop"communication, if one node can not communicate with the base-node directly, then it can find a middle-node which can offer a path to connect those two, it can increase the reliability and the potential distance of correspondence in this way.
　　keywords: wireless transmission; ack; time synchronization; re-sampling; multi-hop
　　收稿日期:2010-06-09
　　基金项目:江苏省交通厅科技计划项目(08y29-7)
　　0 引 言
　　桥梁在长时间的运营下会因天气、震动、撞击、自身老化等因素影响其本身的健康状况,从而造成交通安全隐患,事故一旦发生不仅会造成重大财产损失,更会严重地危害生命。采用无线传感器网络系统对桥梁结构进行监控,相关部门就可以根据系统预警及时做出反应,以防范事故的发生。无线传感器网络由具有采样、计算和通信能力的大量微型传感器节点组成,这些传感器节点分别采集桥梁结构的相关数据,并将处理后的数据以无线传输的方式送到基站节点,再通过计算机对整个健康结构状况进行系统分析判断。传输系统是否可靠、迅速,这将直接决定整个系统是否能有效的运行,因此需要研究无线传输系统以选择一个最佳的传输模式。
　　1 无线传输系统
　　1.1 节点
　　本系统采用的imote2是一个先进的无线传感器网络平台,其结构图如图1所示,它采用低功耗的pxa271 xscale cpu[1],并集成了cc2420 ieee802.15.4无线收发器。
　　imote2平台本身包含了2.4 ghz表面安装天线,标称覆盖范围为30 m。为了增加通信距离接入外部天线,将其接在imote2带有的sma连接器上,使用的天线是antenova公司生产的titanis 2.4 ghz可旋转天线,它的物理特性和电特性参数见表1。
　　图1 接有titanis 2.4 ghz的imote2节点
　　表1 titanis 2.4 ghz的特性
　　product nametitanis 2.4 ghz
　　frequency2.4~2.5 ghz
　　dimensions20 mm×19.5 mm×62.5 mm
　　peak gain2.2 dbi
　　average gain-1.0 dbi
　　average efficiency80%
　　maximum return loss- 13 db
　　maximum vswr1.6∶1
　　imote2无线收发器的参数见表2,由friis公式[2]:
　　pr(d)=ptgtgrλ2(4π)2d2l
　　(1)

　可得titanis 2.4 ghz在自由空间的传输距离最大约为200 m;实际上在钢箱梁环境下测试最大距离约为75 m(见3.2.2节),性能明显优于imote2自带的无线天线。
　　表2 收发器参数
　　收发器ti cc2420
　　频带(ism)2 400.0~2 483.5 mhz
　　数据率250 kb/s
　　发送功率-24~0 dbm
　　接收灵敏度-94 dbm
1.2 开发平台和开发语言
　　用tinyos作为imote2的操作系统,采用cygwin在xp系统下模拟tinyos环境,该操作系统具有很小的内存占有量,并且耗能很少,非常适用于资源有限的智能传感器。它采取基于组件的构架方式,完整的系统由一个调度器和一些组件构成,应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来,以完成所需要的功能。组件库包括网络协议、分布式服务、传感器驱动和数据采集工具[3]。
　　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。
　　1.3 关键技术
　　无线传感器网络的研究主要集中于三个方面:网络管理技术、网络支撑技术、网络通信协议[4]。其中,网络支撑技术主要以时间同步协议为主要研究方向;网络通信协议包含物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。数据链路层又可分为媒体访问控制(mac)子层和逻辑链路控制(llc)子层[5]。
　　2 网络支撑技术(时间同步协议)
　　智能传感器网络所测量的诸多信号具有自己独立的时间坐标,所以必须使之同步。如果时间同步不能得到有效的解决,结构健康监测将产生误差,尤其是模态的相位[6]。
　　2.1 传感器节点本地时钟同步
　　传统的双向时间同步机制建立在成对节点同步的基础上,节点a,b通过交换2组数据包就能实现两者本地时钟同步。节点a在本地时钟t1时刻发送同步数据包,当节点b接收到该包时记录到达时间t2,则t2等于t1加上传输时间d和时钟偏差d,即:t2=t1+d+d。然后节点b返还一个数据包给a,此数据包包含了时间t1,t2和发送时刻t3,在a处收到的时间为t4,则有:t4=t3+d-d。可以计算时钟偏差为:
　　d=(t1-t2)-(t4-t3)2
　　
　　计算出偏差d后,就可以进行同步(此种同步是在假定d1=d2的前提下)。
　　在分布式无线网络结构[7]中,n个叶节点需要同时与基站节点达成时间同步,这样双向通信会造成基站数据冗余,同时为了避免d的估计,减少交换信息的数量,选择单向时间同步机制,把浮动时间同步化协议运用在imote2中,使由于传感网络节点自己的独立时钟导致的时间误差最小化,从而实现了较高水平的时间同步。
　　ftsp(flooding time synchronization protocol)[8]时间同步机制综合考虑了能量感知、可扩展性、鲁棒性、稳定性和收敛性等方面的要求,具体算法的实现步骤如下:
　　(1) 发送方在检测到信道空闲时开始发送sync字节,避免发送端的处理延迟和mac层的访问延迟对同步精度产生影响。
　　(2) 在完成sync字节发射后给时间同步消息标记时间戳t1并发射出去;消息数据部分的发射时间可通过数据发射速率和数据长度算得,发送的信息位个数为n,发送每比特位的时间为t,发送时t=nt。
　　(3) 接收节点记录sync字节最后到达时间t2,并计算位偏移(bit offset)。在收到完整消息后发送ack确认信息返还给发送方,接收节点通过偏移位数与接收速率计算位偏移产生的时间延迟。
　　(4) 接收节点计算与发送节点间的时钟偏移量,然后调整本地时钟和发送节点时钟同步。
　　ftsp流程图如图2所示,图中t为发送节点,r为接收节点。
　　图2 ftsp流程示意图
　　假定ftsp中某时间段内时钟晶振频率稳定,故节点间时钟偏移量与时间呈线性关系。发送节点向接收节点周期性广播同步消息,接收节点根据收到的数据组构造最佳拟合直线l,在误差允许的时间间隔内,节点可直接通过l计算某一时间点节点间的时钟偏移量而不必发送时间同步信息。为了防止簇组结构中节点间互相通信而造成信息冗余,采用根节点逐个增大消息序列号的机制,如图3所示。
　　图3 根节点逐个增大消息序列号的机制
　　
　　root下有n+1个叶节点,其中p节点不在其通信范围之内,同步时root节点发送序列号为1的同步消息至1,2,…,n的叶节点;1,2,…,n的叶节点发送序列号为2的同步消息至p节点,如果p节点将这n个同步消息都接收的话就会很多余,所以节点p在接收到节点4的消息后记下该消息的最大序列号2,而放弃其他n-1个序列号为2的同步消息。同样,1号节点接收到来自root的序列号为1的消息后记下序列号,不再接收来自2号节点中序列为2的消息,或者来自p节点中序列为3的消息。
　　2.2 节点间采样频率的同步
　　本地时钟同步后,各节点采集的数据均为序列形式,这些序列上的对应点应该是同一时刻获得的,即采样频率必须同步。如果测量信号来自不一致的采样频率,而用于模态分析上,一个真实的模态将会变成数个不同的模态,出现在真正的自然频率附近,这将造成结构监测的较大误差。但即使设定了某个固定的采样频率,各个节点在实施时总会有微小误差,同时每个节点本身的采样频率也会随着时间而有所浮动。因此即使所有信号是完美同时的开始测量,仍然很有可能会随着时间的增加造成大量的同步误差。在采样中补偿这些频率浮动是相当困难的,如同时钟正在线性游移中。经过较长时间后,采样频率的浮动会促使数据质量逐渐下降。tinyos是个非实时的平台,可采用重采样技术再处理的方式达到数据同步。
　　当采样频率满足nyquist采样定理:fs≥2时,则采样之后的数字信号x(n)完整地保留了原始信号中的信息,即有充分的条件完全重建[9]原始信号xa(t):
　　xa(t)=∑∞n=-∞x(n)sinc[fs(t-nts)]
　　(2)
　　
　　对重建后的原始信号进行重采样就可以得到时间同步的数据序列。
　　3 网络通信协议
　　3.1 mac层(ack机制)
　　由于有些数据包在传输过程中可能会丢失,射频通信传输不能与有线传输一样可靠。节点间距离增加,信噪比下降,会导致传输数据出错。数个同步节点接口上的信号相撞,也会导致一个或两个数据包遗漏。这种错误通常发生于同时搭载着传感器节点命令与测量数据的数据包。如果命令数据包丢失,目标节点将无法运行特定的任务。如果搭载测量信号的数据包遗失,目标节点就不能得到完整的数据。

基于确认的通信方式可有效保证节点间传输的可靠性,该方式在收到接收端以单播(unicast)方式返还的确认信息(ack)前,将不停地重传数据包,直到发送端给该数据设定的定时器超时为止,图4为其格式图。
　　图4 普通ack格式
　　但是大量的确认信息会占用较长的等待时间,这时相同的数据包会被持续地传送很多次,而且imote2射频的组件兼备了聆听模式与传输模式,不停地切换模式占用响应时间也会降低传输效率。为取代原有每个数据包的确认,可以发送一整套数据包,然后等待确认信号(ack),即采用一种群ack机制[10],发送端到接收端的传输时间为tp,单个数据包发送时间为tt,ack返还信号的传输时间为tr,数据包之间的时间间隔gap为ts(节点响应处理时间忽略)。发送方发送多个数据包并且对其标记,直到所有数据包全部发送完毕,或是剩余的时间tremain满足:
　　tp+ts+tr≤tremain≤2tp+2ts+tt+tr
　　(3)
　　
　　接收端返还一个ack对所传的所有数据包进行确认。下一套数据包的发送取决于ack的状况,ack中会对传输中发生错误的数据包进行说明,发送端对这些数据包进行重传。图5为其格式图。
图5 群ack机制格式
　　可见,同样传输n个数据包,群ack机制下节省了(n-1)*(tr+ts)的时间。无差错情况下ack的传输效率[11]为:
　　p1=tt+tr2tp+2ts+tt+tr
　　(4)
　　
　　群ack的传输效率约为:
　　p2≈tttp+ts+tt
　　(5)
　　
　　若单个数据包出错概率为w,则出错率为:
　　er=∑∞1(iwi)=∑∞1[iwr(i)]=1/(1-w)
　　(6)
　　在有差错的情况下传输效率分别为:
　　p′1=tt+trer(2tp+2ts+tt+tr)
　　p′2≈tter(tp+ts+tt)
　　(7)
　　
　　对比可见,群ack机制下传输效率大大提高,系统的吞吐量也得到增加,发送与接收节点间的切换次数将得到大幅降低。
　　3.2 网络层(multi-hop communication)
　　一般的无线传输网络均采用单跳(single-hop)通信,所有的叶节点与基站节点直接通信,而在大桥钢箱梁这种复杂的安装环境下,无法将所有的叶节点均有效安装在基站节点的视距范围内,而且钢表面对无线信号的反射会影响通信的效果。为达到较理想的通信距离,基站节点需要通过多跳(multi-hop)中继的方法与某些叶节点进行通信。
　　3.2.1 基本原理
　　无线自组网按需平面距离矢量路由协议(ad hoc on-demand distance vector routing,aodv)[12]通过建立基于按需的路由来减少路由广播的次数,源路由并不需要包括在每一个数据分组中,这样所有协议的开销有所降低,不在路径内的节点不保存路由信息,也不参与路由表的交换。
　　在aodv中,整个节点网络都是静止的,除非有连接建立的需求。当某个叶节点a需要与基站节点通信时,如果路由表中已经存在了对应的路由就直接进行数据通行;如果不存在直接的路由路径,节点a进行路由发现过程,通过广播rreq信息发送建立请求,其他的叶节点转发这个请求消息,并记录节点a和回到节点a的临时路由。当rreq到达基站节点时即路由已建立,基站节点和中间节点返还一个rrep信息把这个路由信息按照先前记录的回到节点a的临时路由发回a。于是节点a就开始使用这个经过其他节点并且有最短跳数的路由。路由建立后每个路由中的节点都保存一个相应的目的地址的路由表项实现逐跳转发,并监视下一跳的状况。当链路断掉,节点通过发送rrer消息将路由错误回送给节点a,通过前驱列表(precursor list)指明,由于断链而无法到达的节点号,节点a重新发起路由查找过程。
　　3.2.2 单跳和多跳通信下的天线特征性
　　已实际测量单跳和多跳通信下的天线特征性,测量环境为南京长江二桥钢箱梁内部(20091120),取90%的接收率为有效通信。单跳中基站节点发送一定数量的数据包,叶节点把接收到的相应数据包再发送回基站;多跳整个过程则需经过中间节点的接力。图6,图7中分别显示了单跳和多跳通信时无线天线在传输功率下运行时随传输距离变化的数据接收率。
　　图6 单跳通信天线特性图
　　图7 多跳通信天线特性图
　　可以看出,通过建立多跳通信,通信距离从单跳中最大的75 m提高到103 m左右,不但解决了某些节点无法通信的问题,更是普遍增长了通信距离,大大改善了通信性能。
　　4 结 语
　　无线传输系统中通过改善数据同步处理方式以及各个网络协议层的通信协议,优化了信息传输系统的性能,提高了数据传输的可靠性和准确度,为整个桥梁健康监测系统提供了有力的数据保证。
　　致谢:感谢美国伊利诺伊大学土木与环境工程系bill spencer教授为本文所做的指导。
　　
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