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

摘要：為了減少鋼絲繩無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能量消耗，延長(zhǎng)整個(gè)無(wú)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(jì)方案。利用TPSN時(shí)鐘同步算法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，然后使空閑節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式。利用RSSI測(cè)定終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的距離，當(dāng)其距離父節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，為保證通信質(zhì)量，使其與離它最近的路由節(jié)點(diǎn)建立連接，繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送過(guò)程。設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地控制了能量的消耗，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TPSN時(shí)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(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和維修一直困擾著人們，我國(guó)建筑機(jī)械近幾年在設(shè)計(jì)、制造及監(jiān)測(cè)上沒(méi)有太大的改善，但是建筑機(jī)械化的運(yùn)行條件在不斷的變化，我國(guó)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(cè)與修復(fù)的設(shè)備和手段也比較落后，導(dǎo)致整機(jī)可靠性差、安全隱患多。因此，為保證建筑機(jī)械的安全可靠運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要和緊迫。然而到目前為止，對(duì)建筑機(jī)械的監(jiān)測(cè)大多都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員定期到環(huán)境復(fù)雜的大型機(jī)械上進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試人員的工作危險(xiǎn)繁瑣而且所得到的數(shù)據(jù)只是所選取的時(shí)間點(diǎn)的狀況，并不能完全說(shuō)明整臺(tái)機(jī)械設(shè)備長(zhǎng)期以來(lái)的工作狀態(tài)。所以，一種長(zhǎng)期穩(wěn)定實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)建筑機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，是極其重要的。同時(shí)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(duì)發(fā)生意外事故進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定。
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，它能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成各種環(huán)境或檢測(cè)對(duì)象的信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，并將這些信息在無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大多是通過(guò)電池供電，其電源能量極其有限，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)由于能量的原因經(jīng)常失效或報(bào)廢。電源能量約束是阻礙無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴(yán)重問(wèn)題。所以通常需要研究網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程中節(jié)省能源和在完成應(yīng)用要求的前提下盡量延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生命周期。論文對(duì)傳感器檢測(cè)原理及組成和時(shí)鐘同步算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)TPSN時(shí)鐘同步算法和利用RSSI進(jìn)行距離的測(cè)定進(jìn)行了深入的研究。
通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中一段時(shí)間內(nèi)不使用的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入PM2低功耗模式，然后利用定時(shí)器喚醒的方式使這些節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入主動(dòng)模式來(lái)達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)能耗從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量延長(zhǎng)生命周期的目的。

1 傳感器檢測(cè)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(jì)采用的對(duì)鋼絲繩狀態(tài)的檢測(cè)利用電磁檢測(cè)原理，如圖1所示，勵(lì)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(lì)磁回路提供充足的磁場(chǎng)能量，使鋼絲繩磁化。當(dāng)鋼絲繩存在損傷時(shí)，在附近的空氣中會(huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)霍爾元件的電壓變化，就可以間接得到LF和LMA信號(hào)，霍爾元件的輸出電勢(shì)VH=KHBI，其中KH是霍爾元件的靈敏度系數(shù)，I為通過(guò)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(qiáng)度?？梢钥闯龌魻栐妮敵鲭妷赫扔诖磐芏取ｄ摻z繩檢測(cè)傳感器實(shí)物圖如圖2所示。

2 時(shí)鐘同步算法
    對(duì)于本設(shè)計(jì)，除了對(duì)鋼絲繩狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器不可缺少外，為了使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能在規(guī)定時(shí)間喚醒或進(jìn)入低功耗模式，所以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基準(zhǔn)同步也顯得尤為重要。時(shí)鐘同步是其主要手段，而系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)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(shí)鐘同步算法概述及不同算法間的比較
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)或者共同的時(shí)間基準(zhǔn)，所以需要建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)或者時(shí)間服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間統(tǒng)一，這一點(diǎn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)間同步機(jī)制后，在各個(gè)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)中得到了廣泛的研究，通過(guò)各國(guó)學(xué)者的不斷研究，提出了多種時(shí)間同步機(jī)制。主要分為三類：基于接收者和接收者(Receiver-Receiver)的時(shí)間同步機(jī)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(shí)間機(jī)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(shí)間同步機(jī)制，存在的算法為DMTS算法、FTSP算法等。每種算法都有其優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也有各自的缺點(diǎn)，因此在選擇時(shí)鐘同步算法的時(shí)候要根據(jù)具體的情況，權(quán)衡采取哪種算法。RBS時(shí)鐘同步算法的時(shí)間復(fù)雜度就是其一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，這樣導(dǎo)致其在同步過(guò)程中造成的能量消耗將很大，對(duì)能量有限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)明顯不大適用。DMTS時(shí)鐘算法中需要傳輸?shù)男畔⑸伲渲薪邮展?jié)點(diǎn)只需要收到同步消息這樣單相同步的方式就能實(shí)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(shí)也降低了時(shí)鐘同步的精度，所以在精度要求很高的場(chǎng)合不適用。TPSN時(shí)鐘同步算法是雙向同步機(jī)制，通過(guò)雙向交換同步信息能使同步效果的精度更高，滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步精度的要求。本設(shè)計(jì)中采用TPSN時(shí)鐘同步算法。
2．2 TPSN時(shí)鐘同步算法的實(shí)現(xiàn)
    TPSN算法是通過(guò)多級(jí)的逐步同步，能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，在多跳網(wǎng)絡(luò)中非常適用。其會(huì)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)根節(jié)點(diǎn)(設(shè)計(jì)中使用協(xié)調(diào)器作為根節(jié)點(diǎn))，由根節(jié)點(diǎn)提供整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘源，它采用的是層次型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要分為兩個(gè)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(jìn)行的是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，分為0～n個(gè)層次，其簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    其中根節(jié)點(diǎn)一般定義為0級(jí)，它在時(shí)鐘同步階段的作用是廣播分組數(shù)據(jù)包，通過(guò)廣播的方法給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)層次號(hào)(不惟一)和ID號(hào)(惟一)。根節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)在收到分級(jí)的數(shù)據(jù)包后，會(huì)把自己的同步級(jí)別設(shè)置為1級(jí)。然后這個(gè)1級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)廣播分級(jí)數(shù)據(jù)包，其他的節(jié)點(diǎn)按照這個(gè)發(fā)放依次確定自己的級(jí)別，一直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都設(shè)置了自己的級(jí)別，這個(gè)過(guò)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(diǎn)通過(guò)廣播時(shí)間同步分組啟動(dòng)同步階段。以根節(jié)點(diǎn)和1級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步為例子來(lái)介紹同步階段的整個(gè)過(guò)程。根節(jié)點(diǎn)和1級(jí)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行時(shí)間同步是通過(guò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的雙向信息的交換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其整個(gè)過(guò)程如圖4所示。

    層次結(jié)構(gòu)建立后，根節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播時(shí)間同步分組啟動(dòng)同步階段，其中同步分組中包含有根節(jié)點(diǎn)的等級(jí)和發(fā)送信息報(bào)的本地時(shí)間T1。第1級(jí)節(jié)點(diǎn)在收到這個(gè)分組以后首先會(huì)檢查該信息包中的節(jié)點(diǎn)信息是否和其父節(jié)點(diǎn)即根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息一致，如果一致則記錄收到該包時(shí)的時(shí)間為T2，否則丟掉這個(gè)同步包，然后1級(jí)節(jié)點(diǎn)在T3時(shí)刻發(fā)送應(yīng)答分組給根節(jié)點(diǎn)，分組中含有1級(jí)節(jié)點(diǎn)的級(jí)別和T1，T2及T3的信息，根節(jié)點(diǎn)在T4時(shí)刻收到應(yīng)答幀，因此可以推出以下公式：
   
    式中：△為根節(jié)點(diǎn)和1級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差；d為根節(jié)點(diǎn)和1級(jí)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時(shí)延，假設(shè)其雙向之間的傳輸時(shí)延相同。當(dāng)1級(jí)節(jié)點(diǎn)收到根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步信息報(bào)SYNC后，其中包含T1和T4，它根據(jù)式(2)就能計(jì)算時(shí)間偏差△和傳輸時(shí)延d，然后將自己的時(shí)鐘和根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。

3 同步喚醒算法的研究與設(shè)計(jì)
3．1 問(wèn)題的提出
    本項(xiàng)目中利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)擦窗機(jī)鋼絲繩運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高擦窗機(jī)在運(yùn)行中的安全性。但是由于擦窗機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景的特殊性及無(wú)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(diǎn)在擦窗機(jī)不在該樓面施工時(shí)，該節(jié)點(diǎn)是不會(huì)參與到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的，為了節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量及延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，此時(shí)這些節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行是沒(méi)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(jì)采用CC2530單片機(jī)，其共有五種工作模式，分別為主動(dòng)模式、空閑模式、PM1、PM2和PM3。主動(dòng)模式為一般模式，PM3具有最低的功耗。其不同的供電模式對(duì)系統(tǒng)的影響如表1所示。

    主動(dòng)模式為全功能模式，空閑模式除了CPU內(nèi)核停止運(yùn)行，其他和主動(dòng)模式是一樣的。PM1模式適用于相當(dāng)短時(shí)間內(nèi)的休眠時(shí)間。PM2模式適用于相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的休眠事件，特別是用于休眠定時(shí)狀態(tài)。在PM1和PM2模式中，系統(tǒng)可以通過(guò)重置或者一個(gè)外部中斷或者休眠定時(shí)喚醒轉(zhuǎn)入主動(dòng)模式。PM3模式只能通過(guò)重置或者一個(gè)外部中斷轉(zhuǎn)入主動(dòng)模式。在本設(shè)計(jì)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(guò)外部中斷或重置才能重新進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)工作，這在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中十分不實(shí)際。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)很多都處于樓層高處或外表面，無(wú)法通過(guò)采用外部中斷的方式進(jìn)行喚醒。
3．3 距離測(cè)定
    接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)常用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離的測(cè)定，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏數(shù)膿p耗轉(zhuǎn)換為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離的具體數(shù)值。RSSI理論值可由下式表示：接收信號(hào)強(qiáng)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(hào)傳播常量，也叫傳播指數(shù)，它表示信號(hào)能量隨著發(fā)射器距離的增加而衰減的速率；d表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離；A代表兩節(jié)點(diǎn)相距1 m時(shí)的接收到的信號(hào)強(qiáng)度絕對(duì)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(shí)的信號(hào)的衰減與距離成對(duì)數(shù)關(guān)系的曲線圖。

    同濟(jì)大學(xué)的張潔穎等對(duì)測(cè)得的RSSI值實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行了分析，在考慮干擾和硬件的情況下實(shí)測(cè)值和理論值有一定的誤差。但是本設(shè)計(jì)中對(duì)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(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)喚醒其自己時(shí)間同步階段的下一級(jí)節(jié)點(diǎn)即可，保證終端節(jié)點(diǎn)在距離其現(xiàn)在父節(jié)點(diǎn)相對(duì)距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以通過(guò)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)重新連接到新喚醒的節(jié)點(diǎn)中，繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。通過(guò)在學(xué)校高層宿舍樓的實(shí)際測(cè)試，當(dāng)RSSI的絕對(duì)值大于75時(shí)出現(xiàn)了一定數(shù)量的丟包，為了保證終端節(jié)點(diǎn)能穩(wěn)定的傳輸采集數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中設(shè)定RSSI的絕對(duì)值大于50時(shí)，喚醒新的路由節(jié)點(diǎn)，當(dāng)RSSI的絕對(duì)值連續(xù)在70附近時(shí)終端節(jié)點(diǎn)立即離開(kāi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后再通過(guò)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)使自己連接到新喚醒的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)新喚
醒的節(jié)點(diǎn)就成了終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。整個(gè)喚醒系統(tǒng)的流程圖如圖6所示。
    進(jìn)入PM2低功耗模式的時(shí)間T，由控制中心通過(guò)串口提供，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)T時(shí)間過(guò)后，低功耗模式的節(jié)點(diǎn)被定時(shí)器喚醒，其會(huì)檢查自己是否仍然在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，由于保持著其進(jìn)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(shí)行斷網(wǎng)重連，重新申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。

4 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)
    本設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)顯示界面在Visual C++6．0編程語(yǔ)言基礎(chǔ)上編寫而成，通過(guò)計(jì)算機(jī)串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，使整個(gè)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(chǔ)的功能。

    該軟件需提前根據(jù)鋼絲繩的直徑、捻距對(duì)相應(yīng)的直徑及捻距值進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)測(cè)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(shí)際情況確定鋼絲繩損壞情況的門限值。其實(shí)際中測(cè)量畫面如圖7所示。

5 結(jié)論
    筆者通過(guò)該設(shè)計(jì)完成了擦窗機(jī)鋼絲繩狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用電磁檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了鋼絲繩損傷檢測(cè)傳感器。使用TPSN時(shí)鐘同步算法，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)除終端采集節(jié)點(diǎn)外其他節(jié)點(diǎn)保持時(shí)鐘同步，為某些節(jié)點(diǎn)在某個(gè)特定時(shí)間進(jìn)入低功耗模式和同時(shí)醒來(lái)創(chuàng)造了條件。通過(guò)節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)間進(jìn)入低功耗模式從而為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)運(yùn)行節(jié)約了大量的能量，有效地延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。另外利用RSSI值判斷終端節(jié)點(diǎn)距離其父節(jié)點(diǎn)的距離，當(dāng)距離大于通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)的的規(guī)定值時(shí)，斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接，重新加入距離其最近的路由節(jié)點(diǎn)，從而保障了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的持續(xù)可靠運(yùn)行。
    實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)可以順利地測(cè)出擦窗機(jī)運(yùn)行中的鋼絲繩狀態(tài)的情況，并能將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)送回到協(xié)調(diào)器中，進(jìn)而通過(guò)串口送至上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)通信狀況良好，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)監(jiān)控人員可以對(duì)鋼絲繩狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大保障了吊船內(nèi)工作人員的安全性。