徐 征，張 華，岳國棟，劉 沖，王天嬈

(1.大連理工大學(xué) 微納米技術(shù)及系統(tǒng)遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連116085;2.蘇州鼎汗傳感網(wǎng)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州215011)

0 引 言

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)無需繁瑣的布線連接，使用靈活，可以實(shí)現(xiàn)重大裝備、交通運(yùn)輸、大規(guī)模工程實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域中的關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警等，引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注。Heinzelman W R 等人［1］研究WSNs 傳感器節(jié)點(diǎn)通信方式和低功耗問題。Aboelela E 等人基于模糊邏輯的聚合技術(shù)研究了面向鐵路的無線傳感安全預(yù)警技術(shù)［2］。Kootkar S 等人建立適合于環(huán)境監(jiān)測(cè)的特征通信協(xié)議，并分析驗(yàn)證了系統(tǒng)通信性能［3］。將WSNs 作為安全監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用到工程領(lǐng)域，需考慮以下問題:

工程現(xiàn)場(chǎng)可能存在物理遮擋、強(qiáng)電磁干擾、溫濕度變化等不利因素，并且傳感器節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn))不能干擾設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這使得許多節(jié)點(diǎn)不得不設(shè)在信號(hào)差的區(qū)域，對(duì)于無線通信質(zhì)量影響顯著。而工程現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)信息瞬息萬變，要求傳感器測(cè)得信息具有時(shí)效性，信號(hào)丟失或延時(shí)過長會(huì)使得監(jiān)測(cè)失去實(shí)際意義。

WSNs 中存在設(shè)備節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)等多種節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)感知的信息可能具有時(shí)間相關(guān)和空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，要求這些傳感器相對(duì)位置準(zhǔn)確和信息同步［4］。

為克服環(huán)境不利因素的影響，提高采集傳輸同步性和數(shù)據(jù)完整性，可以從采集控制、組網(wǎng)方式和傳輸模式方面進(jìn)行考慮，并在管理節(jié)點(diǎn)的上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)，但國內(nèi)外開發(fā)的WSNs 上位機(jī)監(jiān)控軟件［5，6］，主要針對(duì)專有節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，其通用性受到限制。

本文針對(duì)上述WSNs 中節(jié)點(diǎn)管理的要求和問題，研究了WSNs 節(jié)點(diǎn)分組控制方法，制定節(jié)點(diǎn)分組控制策略、單元組的模塊化控制流程以及故障處理方法，將多節(jié)點(diǎn)的控制依組分開執(zhí)行，提高傳輸效率和動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的靈活性，采用定時(shí)、計(jì)數(shù)、超時(shí)控制等方法輔助控制流程的順利執(zhí)行。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)WSNs 上位機(jī)控制軟件，最后進(jìn)行了多節(jié)點(diǎn)控制和數(shù)據(jù)傳輸可靠性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:應(yīng)用本文提出的管理策略和實(shí)現(xiàn)方法，能使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多節(jié)點(diǎn)的管理更靈活，提高了WSNs 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的WSNs 結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，WSNs 采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)基站、監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和瀏覽器客戶端組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)含傳感器，負(fù)責(zé)將感知的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)基站;網(wǎng)關(guān)基站將數(shù)據(jù)匯聚后，構(gòu)建通信協(xié)議幀，將匯聚的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀形式發(fā)送至監(jiān)控中心;監(jiān)控中心對(duì)傳感信息發(fā)射單元和網(wǎng)關(guān)基站組網(wǎng)和監(jiān)控，并將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫;瀏覽器客戶端根據(jù)業(yè)務(wù)需求檢索數(shù)據(jù)庫中傳感器數(shù)據(jù)。

圖1 基于星型拓?fù)涞腤SNs 結(jié)構(gòu)Fig 1 WSNs structure based on star topology

2 控制策略

2.1 分組控制策略

常規(guī)情況下，眾多節(jié)點(diǎn)按時(shí)間序列采集數(shù)據(jù)，并傳送給監(jiān)控中心。考慮到數(shù)據(jù)同步性要求和傳輸效率，本文以節(jié)點(diǎn)為組元構(gòu)成的傳感器組為最小單元，進(jìn)行傳輸采集控制。傳感器組依據(jù)以下策略劃分和管理:

1)相似相容:將采樣頻率、采樣時(shí)長、采樣模式等性質(zhì)相同或相近的節(jié)點(diǎn)編為同組管理，組內(nèi)節(jié)點(diǎn)共享存儲(chǔ)空間，遵循同一傳輸規(guī)則。

2)時(shí)間周期控制:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)性能和傳輸數(shù)據(jù)規(guī)模，確定組元單次操作的可容忍延遲度和重發(fā)次數(shù)，若多次未能完成預(yù)定操作，則將其移除到故障組，保證組內(nèi)多數(shù)組元的正常工作。

3)各組在不同進(jìn)程內(nèi)控制和管理，進(jìn)程相互獨(dú)立，依據(jù)各組通信負(fù)荷，分配處理時(shí)長和存儲(chǔ)空間。

典型的節(jié)點(diǎn)分組實(shí)現(xiàn)流程如下:首先，建立節(jié)點(diǎn)Map表，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)特征信息;其次，建立傳感器組Map 表，存儲(chǔ)組參數(shù)信息，引導(dǎo)控制流程的執(zhí)行;最后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)特征信息將節(jié)點(diǎn)分配到各組，并將組號(hào)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)Map 表中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分組。

2.2 傳感器組的流程控制與故障處理

分組策略實(shí)現(xiàn)監(jiān)控組的管理，而組單元的內(nèi)部控制需要一種控制流程來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與控制中心交互。如圖2 所示，制定上位機(jī)控制流程:

1)確認(rèn)節(jié)點(diǎn)停止對(duì)傳感器的采集操作;2)確認(rèn)停止節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心之間的傳感器數(shù)據(jù)傳輸;3)擦除存儲(chǔ)器歷史數(shù)據(jù);4)實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)開始采集的控制，在達(dá)到采集時(shí)長后，監(jiān)控中心收到停止采集確認(rèn)信號(hào);5)下載節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)位置。

圖2 傳感器組內(nèi)部監(jiān)控流程Fig 2 Internal monitoring process of sensors group

無線通信中信息阻塞和丟包是常見故障，為提高傳輸效率和數(shù)據(jù)完整性，建立超時(shí)故障處理和定時(shí)查詢網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的處理策略。

超時(shí)故障處理:1)信息丟失處理:設(shè)定超時(shí)重發(fā)次數(shù)，采用多次重發(fā)方法確保收到命令回復(fù)消息。2)信息冗余處理:無線通信的延遲會(huì)導(dǎo)致超時(shí)重發(fā)多次后收到多個(gè)命令回復(fù)，僅處理與流程匹配的命令消息來消除冗余消息的影響。3)超時(shí)重發(fā)失敗處理:若組內(nèi)部分節(jié)點(diǎn)超時(shí)無命令回復(fù)，則剔除超時(shí)計(jì)數(shù)超標(biāo)的節(jié)點(diǎn);若組內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)均無回復(fù)，則鎖定狀態(tài)并短信報(bào)警。待故障消除后，自動(dòng)重啟控制流程。

定時(shí)查詢網(wǎng)絡(luò)狀態(tài):定時(shí)判斷網(wǎng)絡(luò)連接狀況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障等異常情況造成的監(jiān)控中斷報(bào)警，并自動(dòng)建立新的連接，連接成功后自動(dòng)維護(hù)連接環(huán)境。

2.3 傳輸幀格式

傳輸幀格式是WSNs 通信或服務(wù)遵循的規(guī)則和約定，本系統(tǒng)采用的幀格式如表1 所示，具體說明如下:

1)名稱標(biāo)識(shí)符、幀長度和校驗(yàn)碼用來保證數(shù)據(jù)幀信息準(zhǔn)確有效。校驗(yàn)不成功的幀為無效幀。

2)功能碼表達(dá)了幀信息的功能意義，數(shù)據(jù)包和功能碼以結(jié)構(gòu)體的形式添加在數(shù)據(jù)部分。接收方解析出功能碼，再根據(jù)功能碼對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體類型，從該幀數(shù)據(jù)部分取出數(shù)據(jù)，完成該幀數(shù)據(jù)的接收。

表1 WSNs 節(jié)點(diǎn)傳輸幀格式Tab 1 Frame format for WSNs nodes transmission

3 監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控軟件由通信接口層、消息分發(fā)層、策略控制層組成，采用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。

1)通信接口層:實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的信息流輸入/輸出控制，包括:數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、解析、校驗(yàn)。

2)消息分發(fā)層:根據(jù)用戶命令或時(shí)序要求，將界面交互、節(jié)點(diǎn)上線通知、超時(shí)管理、待測(cè)數(shù)據(jù)下載等任務(wù)以消息形式分發(fā)到各功能模塊。

3)策略控制層:監(jiān)控的核心層，負(fù)責(zé)分組策略、傳輸控制方法、數(shù)據(jù)分發(fā)策略等。

為滿足眾多節(jié)點(diǎn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)需求，本文采用如下內(nèi)存管理技術(shù):采用FIFO 隊(duì)列緩沖區(qū)接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù);建立數(shù)據(jù)分發(fā)線程，分發(fā)FIFO 隊(duì)列數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)入庫線程，將入庫隊(duì)列中數(shù)據(jù)依次入庫。線程定時(shí)查詢隊(duì)列數(shù)據(jù)，并在有數(shù)據(jù)的情況下，發(fā)送消息通知相應(yīng)線程工作并停止定時(shí)器。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)本文建立的方法和軟件，在某鐵路實(shí)驗(yàn)段搭建WSNs 系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)鋼軌受力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)段共布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)布置4 種不同節(jié)點(diǎn)各1 個(gè)，傳感器節(jié)點(diǎn)的特征參數(shù)見表2。

表2 傳感器節(jié)點(diǎn)的特征參數(shù)Tab 2 Characteristic parameters of sensor nodes

在監(jiān)控中心分別控制6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)采樣并傳輸數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心采取本文提出的分組策略思想，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置獨(dú)立性，分成6 組;根據(jù)采樣條件不同，每組再分為2 組，低頻應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)與溫度傳感器節(jié)點(diǎn)有時(shí)間和位置同步要求，因此，將其歸為同組，總計(jì)仍為12 組。為驗(yàn)證上述條件下分組策略的有效性，本文設(shè)計(jì)了統(tǒng)計(jì)測(cè)試時(shí)長內(nèi)數(shù)據(jù)量完整性的方法。

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)以設(shè)定采樣率采集一定時(shí)長獲得相應(yīng)點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)量，每點(diǎn)占用2 byte 內(nèi)存空間。因此，節(jié)點(diǎn)理論數(shù)據(jù)量大小為

式中 Q理論為理論數(shù)據(jù)量大小，N 為節(jié)點(diǎn)數(shù)，Ci為采集次數(shù)，F(xiàn)i為采樣率，Ti為采樣時(shí)長。

低頻應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)和溫度傳感器節(jié)點(diǎn)是按時(shí)間相隔進(jìn)行采樣的，本文稱為時(shí)間觸發(fā)模式。此類型節(jié)點(diǎn)的每天理論傳輸數(shù)據(jù)量為

Q理論應(yīng)變=576.0 kB，Q理論溫度=57.6 kB.

高頻應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣是在達(dá)到用戶設(shè)定閾值觸發(fā)的，本文稱為閾值觸發(fā)模式。此類型節(jié)點(diǎn)的閾值依據(jù)工況設(shè)定，觸發(fā)次數(shù)ci為每天列車經(jīng)過次數(shù)。統(tǒng)計(jì)該路段列車運(yùn)行情況得出ci≤70 次，計(jì)算此類型節(jié)點(diǎn)的每天最大傳輸數(shù)據(jù)量為Q理論=4.2 MB。

因此，若測(cè)試時(shí)長內(nèi)的理論數(shù)據(jù)量大小為Q理論，實(shí)際獲得的數(shù)據(jù)量大小為Q實(shí)際，則Q實(shí)際/Q理論即為數(shù)據(jù)量完整性比例R。Q實(shí)際通過訪問數(shù)據(jù)庫獲得，Q理論用上述公式計(jì)算。理論數(shù)據(jù)量反映網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)模，而數(shù)據(jù)量完整性則反映了系統(tǒng)工作效率和控制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3?？梢?，不同時(shí)長內(nèi)，各傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸完整性均在90 %以上。

表3 數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab 3 Statistical result of data integrity

5 結(jié) 論

本文建立了WSNs 節(jié)點(diǎn)分組控制策略、傳感器組控制流程和故障處理方法，對(duì)多節(jié)點(diǎn)靈活組合，分組策略保證組間控制獨(dú)立和組內(nèi)控制同步，滿足WSNs 多類型節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控管理需求?；谏鲜龇椒ㄩ_發(fā)了具有三層架構(gòu)的WSNs上位機(jī)控制軟件，該軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展，并兼容多種WSNs 節(jié)點(diǎn)，使用靈活。在建立的WSNs 平臺(tái)上對(duì)本文建立的節(jié)點(diǎn)管理方法進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用分組策略管理多種傳感器節(jié)點(diǎn)，操作靈活，有助于提高WSNs數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

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