湯寶平,, 賀 超, 曹小佳

(1重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶,400030)

(2重慶交通科研設(shè)計(jì)院橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶,400067)

引 言

目前,一些較為成熟的基于有線連接的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)難以避免線纜布設(shè)復(fù)雜、成本高、可維護(hù)性差和系統(tǒng)靈活性差等缺點(diǎn)。面對(duì)這些問題,解決思路就是采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]監(jiān)測模式來構(gòu)建無線機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng),但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展還不成熟,各種軟、硬件條件限制了無線傳感器的應(yīng)用范圍,在振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測中僅能勝任一些振動(dòng)頻率較低的測試要求(0～200 Hz)[2-3],對(duì)于頻率相對(duì)較高的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(采樣頻率通常在 1 kHz～10 kHz)還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要解決,首要解決的問題是如何保證大量監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)可靠傳輸。

本文針對(duì)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用的特點(diǎn),優(yōu)化了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和傳輸機(jī)制,以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為突破點(diǎn),在目前通用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測。

1 多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的多跳網(wǎng)絡(luò),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是靈活多變的動(dòng)態(tài)拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以直接影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｒ虼?設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的核心任務(wù)是對(duì)其進(jìn)行拓?fù)淇刂?這對(duì)于延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間、減小通信干擾、提高媒體接入控制協(xié)議(media access control,簡稱M AC)和路由協(xié)議的效率等具有重要意義。

針對(duì)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和振動(dòng)采集的高性能要求,采用的組網(wǎng)方式通常結(jié)構(gòu)簡練、魯棒性強(qiáng),以樹狀定向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主,該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)(基站節(jié)點(diǎn))接受數(shù)據(jù)的速率有限,一定程度上影響網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,同時(shí)其網(wǎng)絡(luò)的能量消耗不均衡,影響網(wǎng)絡(luò)生存的時(shí)間。因此,本文提出了多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來解決上述問題。

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中,所需要的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少,同時(shí)覆蓋面積較小,多數(shù)應(yīng)用中無線傳輸距離較短(數(shù)十米以內(nèi)),可以采用單跳的組網(wǎng)模式來完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

圖1為單跳星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,在進(jìn)行自組網(wǎng)時(shí)較為容易,網(wǎng)絡(luò)中不存在多跳,雖然節(jié)點(diǎn)至基站點(diǎn)的通信距離不等會(huì)造成各節(jié)點(diǎn)無線發(fā)射功率有所不同,但是相對(duì)來講節(jié)點(diǎn)能量消耗較為平均,數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)延遲較小。根據(jù)不同對(duì)象的測試需要,網(wǎng)內(nèi)的各點(diǎn)分布并非均勻分布,加上測試環(huán)境射頻條件復(fù)雜,很難保證所有的節(jié)點(diǎn)都處在較好的無線收發(fā)環(huán)境中。同時(shí)基站接受速率有限,在采樣頻率較高的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集過程中,其節(jié)點(diǎn)數(shù)量N受到節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率和基站節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包接受頻率的限制,而且N的值與硬件的性能有直接關(guān)系,對(duì)于Micaz平臺(tái)通常N在十幾個(gè)節(jié)點(diǎn)左右可以保證數(shù)據(jù)低速傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖1 單跳星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了解決現(xiàn)場測試環(huán)境中射頻條件惡劣,增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院筒键c(diǎn)的靈活性,機(jī)械振動(dòng)測試主要采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為多跳樹狀定向組網(wǎng)模式,如圖 2所示,網(wǎng)絡(luò)在初始化時(shí)通過自拓?fù)浣⒕W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)射頻信號(hào)強(qiáng)度,選擇單跳或者多跳的方式定向向基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,這種方式避免了節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行大功率發(fā)射信號(hào)的情況,不會(huì)由于距離過大或者射頻干擾較強(qiáng)導(dǎo)致能量過多的耗散,同時(shí)增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蜏y點(diǎn)布置的靈活性。但由于多跳會(huì)導(dǎo)致越靠近基站的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)越重,MAC層信道沖突負(fù)擔(dān)較大,網(wǎng)絡(luò)的能量消耗不均衡,圖 2中 6號(hào)節(jié)點(diǎn)、7號(hào)節(jié)點(diǎn)和 10號(hào)節(jié)點(diǎn)都需要轉(zhuǎn)發(fā)較多節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。同單跳型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一樣,其數(shù)據(jù)傳輸速率也受到基站節(jié)點(diǎn)的接受速率影響。

圖2 多跳樹狀定向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單跳星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要面臨的問題是網(wǎng)絡(luò)范圍較小,安裝傳感器節(jié)點(diǎn)受到一定的約束;而樹狀定向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗不均衡,靠近基站節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)往往轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的任務(wù)較重,在一定程度上影響了網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率?；竟?jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)性能相同,但是基站節(jié)點(diǎn)所要接受的數(shù)據(jù)來自所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn),因此可以得出以下結(jié)果:基站節(jié)點(diǎn)即網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集點(diǎn),接受數(shù)據(jù)包的速率對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣绕鹬鴽Q定性的作用;多跳網(wǎng)絡(luò)增加了部署傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)的靈活性,可以避免節(jié)點(diǎn)由于距離原因或者射頻干擾較大而導(dǎo)致傳輸可靠性減低和能量消耗過大;減少傳感器節(jié)點(diǎn)到基站的跳數(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

根據(jù)以上分析,本文設(shè)計(jì)了具有多個(gè)基站節(jié)點(diǎn)的多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖3所示。通過增加基站節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以減少每個(gè)基站的數(shù)據(jù)吞吐量,增加網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率,提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)的采樣頻率,以就近原則實(shí)現(xiàn)了圍繞基站節(jié)點(diǎn)的分組之后,明顯減少邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送的多跳次數(shù),降低數(shù)據(jù)包丟失的概率和傳輸延遲,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?也減小中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的傳輸負(fù)載,增加網(wǎng)絡(luò)能量耗散的平衡性,同時(shí)繼承了樹狀定向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)部署靈活性。

圖3 多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)自組織方法

在多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)自組織的過程與樹狀定向網(wǎng)絡(luò)有些類似,多跳樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自組織方法較多,Blast[4]是一個(gè)較為成熟的方法,具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。但是由于增加了基站節(jié)點(diǎn),網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)擴(kuò)散方向由一個(gè)變成了多個(gè),這給組網(wǎng)過程增加了難度。多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式在 Blast原型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),Blast主要由兩個(gè)組件構(gòu)成:一個(gè)用于選擇父節(jié)點(diǎn)組件網(wǎng)絡(luò),另一個(gè)用于數(shù)據(jù)的可靠傳輸,本文僅采用了其數(shù)據(jù)可靠傳輸組件。

在網(wǎng)絡(luò)自組織過程中通過以下原則完成網(wǎng)絡(luò)的自拓?fù)淇刂?由基站節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)內(nèi)廣播初始化網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接受信號(hào)強(qiáng)度 (received signal strength indication,簡稱 RSSI)值選擇基站節(jié)點(diǎn)分組,并由 RSSI閾值決定節(jié)點(diǎn)是否進(jìn)行單跳通信。RSSI閾值按經(jīng)驗(yàn)取值[5],不同組內(nèi)的單跳節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行廣播,接收到廣播信號(hào)的非單跳節(jié)點(diǎn)根據(jù) RSSI選擇組號(hào)和父節(jié)點(diǎn),以此類推,完成網(wǎng)絡(luò)的自組織。由于網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)基站節(jié)點(diǎn)受到位置和射頻環(huán)境的影響,很可能造成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分組不均衡,導(dǎo)致基站節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)荷產(chǎn)生極大的差異,這就對(duì)基站節(jié)點(diǎn)的部署提出較高的要求。

2 多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸機(jī)制,首先搭建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)平臺(tái),如圖4所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分采用Crossbow公司的 Micaz無線傳感器節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)Mib520,Micaz節(jié)點(diǎn)工作在 2.4 GHz頻段,可以產(chǎn)生RSSI信號(hào),并且以 Tinyos操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái),有較多的組件接口程序支持,這使得開發(fā)過程變得靈活高效。采用Lance公司的LC0401型加速度傳感器和信號(hào)調(diào)理箱實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的獲取,利用 Micaz節(jié)點(diǎn)的自帶A/D實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集。在試驗(yàn)平臺(tái)的具體構(gòu)建過程中,主要工作是軟件設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)。

圖4 多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 軟件實(shí)現(xiàn)

在軟件開發(fā)的過程中直接使用 Tinyos已有的協(xié)議棧組件,避免了物理層和 M AC層的重復(fù)性開發(fā),開發(fā)的節(jié)點(diǎn)軟件主要為以下幾個(gè)模塊:a.根據(jù)本文提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)的組件;b.對(duì)振動(dòng)信號(hào)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的組件;c.時(shí)間同步組件;d.以可靠傳輸為目的的數(shù)據(jù)包重傳組件;e.控制數(shù)據(jù)包發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸組件。

節(jié)點(diǎn)軟件的構(gòu)架如圖 5所示,主要由兩部分組成:一個(gè)以數(shù)據(jù)采集及其相關(guān)處理的模塊完成對(duì)振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集,另一個(gè)將采集到的數(shù)據(jù)通過選定的網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸?shù)交尽?/p>

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)

由于多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸協(xié)議棧主要是利用Tinyos操作系統(tǒng)中針對(duì)Micaz平臺(tái)的底層協(xié)議作為基礎(chǔ),并以多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)自組織策略為依據(jù),完成對(duì)路由層和應(yīng)用層協(xié)議的構(gòu)建,從而形成較為完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

圖5 節(jié)點(diǎn)軟件構(gòu)架示意圖

標(biāo)準(zhǔn)的 Tinyos的物理層針對(duì) Micaz的 CC2420芯片提供了全面的接口支持,利用 Tinyos提供的接口對(duì)組件操作,屏蔽了復(fù)雜繁瑣的底層編碼過程,簡便易用。Tinyos MAC協(xié)議是基于沖突檢測的M AC協(xié)議 B-MAC,它通過低能量監(jiān)聽,相對(duì)較為節(jié)能并且協(xié)議簡潔,占用的硬件資源較少,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)中較為適用。路由協(xié)議設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所提出的網(wǎng)絡(luò)自組織方法形成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包中的路由表。在網(wǎng)絡(luò)自組織過程中,基站初始化每個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào),每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過選擇基站分組和父節(jié)點(diǎn)號(hào)形成其路由表,從而確定了數(shù)據(jù)包的發(fā)送路徑。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用還需要考慮以下技術(shù)問題:直接影響數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)包長度、數(shù)據(jù)包的發(fā)送頻率確定及數(shù)據(jù)包的可靠傳輸機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 數(shù)據(jù)包參數(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件所支持的帶寬并不等于實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率,數(shù)據(jù)包所包含的不僅僅是采集獲取的振動(dòng)數(shù)據(jù),還有與網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)頭。一般數(shù)據(jù)包的頭長度是確定的,顯然數(shù)據(jù)包的長度越長,其有效數(shù)據(jù)的傳輸效率越高,但是數(shù)據(jù)包的長度過長會(huì)導(dǎo)致發(fā)送時(shí)丟包的概率較大,同時(shí)由于數(shù)據(jù)包過長,在硬件性能一定的條件下,數(shù)據(jù)包的發(fā)送頻率會(huì)降低,也會(huì)導(dǎo)致有效數(shù)據(jù)發(fā)送的速度降低。

多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸速率是由基站節(jié)點(diǎn)的接收速率決定的,在單節(jié)點(diǎn)對(duì)基站發(fā)送數(shù)據(jù)包的條件下,經(jīng)過試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)包的長度和數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率的關(guān)系,如圖6(a)所示。隨著數(shù)據(jù)包容量的增加,節(jié)點(diǎn)處理發(fā)送數(shù)據(jù)包的速度會(huì)下降,由于每個(gè)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容長度和數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率之積為數(shù)據(jù)的有效傳輸速率,圖 6(b)直觀地反映出數(shù)據(jù)包長度和有效傳輸速率的關(guān)系。為了獲取最高的有效數(shù)據(jù)傳輸速率,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包長度在 65 Byte左右,有效數(shù)據(jù)的傳輸速率最高,可以達(dá)到 6.5 kByte左右,這也是基站接受數(shù)據(jù)能力的最大值。

2.2.2 可靠傳輸機(jī)制

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸機(jī)制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn),形成了一些較為典型的可靠傳輸機(jī)制,例如:多段可靠性傳輸(reliable multisegment transport,簡稱 RMST)[6]、比率控制的可靠傳輸 (rate-controlled reliable transport,簡稱RCRT)[7]等,但這些方法并不適合機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)使用。在比較了幾種較為常用的可靠傳輸機(jī)制后,針對(duì)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)規(guī)模較小、需要高速傳輸以及能耗較大等特點(diǎn),在端到端可靠傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)上添加了以傳輸路徑優(yōu)先進(jìn)行數(shù)據(jù)包恢復(fù)的機(jī)制。在監(jiān)測到數(shù)據(jù)包丟失進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí),考慮到有些節(jié)點(diǎn)傳輸路徑為多跳,不必再由源節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包,而是從轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā),該恢復(fù)機(jī)制相對(duì)效率較高且更加節(jié)能。

2.3 節(jié)點(diǎn)部署

以多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng),基站節(jié)點(diǎn)的部署需要著重考慮。通常在振動(dòng)信號(hào)的采集中,傳感器節(jié)點(diǎn)在安裝部署時(shí)較為固定,針對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測試要求,安裝點(diǎn)相對(duì)較為均勻,基站節(jié)點(diǎn)的數(shù)量與傳感器的采樣頻率成正比,按照本文的測試經(jīng)驗(yàn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)以 1 kHz的采樣頻率獲取數(shù)據(jù)時(shí),需要保證在組網(wǎng)中每個(gè)基站組中不超過 4個(gè)節(jié)點(diǎn),基站節(jié)點(diǎn)的部署需要盡量均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)中或者網(wǎng)絡(luò)邊緣,保證組網(wǎng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)分組不均衡的現(xiàn)象。

3 性能評(píng)價(jià)

為了測試多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中的傳輸性能,采用圖 4所示的試驗(yàn)平臺(tái),部署了15個(gè)測點(diǎn)并配合4個(gè)基站節(jié)點(diǎn)對(duì)某摩托車車架振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測試,評(píng)估多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸性能,傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣頻率設(shè)置為1 kHz。圖7為測試中節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)拓?fù)鋱D。

圖7 實(shí)測節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8 各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包一次性發(fā)送成功率

在不使用數(shù)據(jù)可靠性傳輸機(jī)制時(shí),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖 8所示?？梢钥闯?數(shù)據(jù)包一次性發(fā)送成功率比常規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高,均在90%以上。采用數(shù)據(jù)包可靠傳輸機(jī)制后,在整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失的狀況,表明針對(duì)多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制可以滿足 1 kHz采樣得到的振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸要求。

數(shù)據(jù)包的時(shí)間延遲概率統(tǒng)計(jì)分析如圖 9所示,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的時(shí)間延遲較低,最大數(shù)據(jù)包時(shí)間延遲為 10.13 ms,平均時(shí)間延遲為 6.35 ms,表現(xiàn)出了良好的實(shí)時(shí)性。

圖9 數(shù)據(jù)包時(shí)間延遲統(tǒng)計(jì)分析

由于機(jī)械設(shè)備現(xiàn)場的射頻環(huán)境復(fù)雜,本文采用的 Micaz節(jié)點(diǎn)工作在 2.4 GHz的無線發(fā)射頻段,通過與 Mica2節(jié)點(diǎn)(工作在 868 M Hz頻段)對(duì)比發(fā)現(xiàn),同等環(huán)境下 Micaz節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)收發(fā)質(zhì)量較高,而對(duì)于其他頻段的無線信號(hào)質(zhì)量有待于進(jìn)一步的研究。同時(shí),節(jié)點(diǎn)能量限制因素對(duì)于現(xiàn)場應(yīng)用影響較大。無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)普通的5號(hào)電池供電,節(jié)點(diǎn)的供電電壓小于2.7 V時(shí)會(huì)導(dǎo)致采樣誤差過大,因此在試驗(yàn)過程中節(jié)點(diǎn)在連續(xù)采樣的工作條件下,平均在10～15 h之后,供電電壓會(huì)下降到2.7 V以下。在以后的系統(tǒng)開發(fā)中,可以通過數(shù)據(jù)壓縮[8]等一些技術(shù)手段延長監(jiān)測時(shí)間。

4 結(jié) 論

本文提出了以多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)為特征的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式,通過構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)某摩托車架的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測試,試驗(yàn)表明基于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通用硬件條件下的系統(tǒng)性能有所提高,多數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)高速傳輸過程中表現(xiàn)出良好的性能。但是該系統(tǒng)僅能達(dá)到頻率相對(duì)較低的機(jī)械振動(dòng)測試的基本要求,網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間較短。

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