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

摘要：為了減少鋼絲繩無線監(jiān)測系統(tǒng)的能量消耗，延長整個無線傳感器網(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時鐘同步算法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時鐘同步，然后使空閑節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式。利用RSSI測定終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的距離，當(dāng)其距離父節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時，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)送過程。設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)有效地控制了能量的消耗，為整個網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TPSN時鐘同步算法；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)測和維修一直困擾著人們，我國建筑機(jī)械近幾年在設(shè)計(jì)、制造及監(jiān)測上沒有太大的改善，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，對其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測顯得尤為重要和緊迫。然而到目前為止，對建筑機(jī)械的監(jiān)測大多都是通過實(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，測試人員的工作危險(xiǎn)繁瑣而且所得到的數(shù)據(jù)只是所選取的時間點(diǎn)的狀況，并不能完全說明整臺機(jī)械設(shè)備長期以來的工作狀態(tài)。所以，一種長期穩(wěn)定實(shí)時在線監(jiān)測建筑機(jī)械狀態(tài)的監(jiān)控系統(tǒng)對于企業(yè)來說，是極其重要的。同時可以使其具有“黑匣子”功能，根據(jù)其記錄的數(shù)據(jù)內(nèi)容，對發(fā)生意外事故進(jìn)行責(zé)任認(rèn)定。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，它能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成各種環(huán)境或檢測對象的信息實(shí)時監(jiān)測、感知和采集，并將這些信息在無線多跳網(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。但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)大多是通過電池供電，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線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嚴(yán)重問題。所以通常需要研究網(wǎng)絡(luò)工作過程中節(jié)省能源和在完成應(yīng)用要求的前提下盡量延長整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生命周期。論文對傳感器檢測原理及組成和時鐘同步算法進(jìn)行了簡單的介紹，對TPSN時鐘同步算法和利用RSSI進(jìn)行距離的測定進(jìn)行了深入的研究。
通過在實(shí)際應(yīng)用中一段時間內(nèi)不使用的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入PM2低功耗模式，然后利用定時器喚醒的方式使這些節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)入主動模式來達(dá)到減少網(wǎng)絡(luò)能耗從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量延長生命周期的目的。

1 傳感器檢測原理及組成
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)采用的對鋼絲繩狀態(tài)的檢測利用電磁檢測原理，如圖1所示，勵磁回路由銜鐵、永久磁鐵、空氣隙和鋼絲繩組成。永久磁鐵為勵磁回路提供充足的磁場能量，使鋼絲繩磁化。當(dāng)鋼絲繩存在損傷時，在附近的空氣中會產(chǎn)生漏磁場，通過檢測霍爾元件的電壓變化，就可以間接得到LF和LMA信號，霍爾元件的輸出電勢VH=KHBI，其中KH是霍爾元件的靈敏度系數(shù)，I為通過霍爾元件的電流，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繩檢測傳感器實(shí)物圖如圖2所示。

2 時鐘同步算法
對于本設(shè)計(jì)，除了對鋼絲繩狀態(tài)進(jìn)行檢測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)的時間基準(zhǔn)同步也顯得尤為重要。時鐘同步是其主要手段，而系統(tǒng)基準(zhǔn)時間同步是一切應(yīng)用的基礎(chǔ)，應(yīng)用范圍十分廣泛。
2．1 時鐘同步算法概述及不同算法間的比較
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于網(wǎng)絡(luò)中沒有標(biāo)準(zhǔn)的時間統(tǒng)一系統(tǒng)或者共同的時間基準(zhǔn)，所以需要建立一個統(tǒng)一的時間服務(wù)系統(tǒng)或者時間服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的時間統(tǒng)一，這一點(diǎn)對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)時性非常重要，自J．Eison和K．Romer首次提出傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步機(jī)制后，在各個大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)中得到了廣泛的研究，通過各國學(xué)者的不斷研究，提出了多種時間同步機(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)同時也有各自的缺點(diǎn)，因此在選擇時鐘同步算法的時候要根據(jù)具體的情況，權(quán)衡采取哪種算法。RBS時鐘同步算法的時間復(fù)雜度就是其一個明顯的缺點(diǎn)，這樣導(dǎo)致其在同步過程中造成的能量消耗將很大，對能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說明顯不大適用。DMTS時鐘算法中需要傳輸?shù)男畔⑸?，其中接收?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也降低了時鐘同步的精度，所以在精度要求很高的場合不適用。TPSN時鐘同步算法是雙向同步機(jī)制，通過雙向交換同步信息能使同步效果的精度更高，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精度的要求。本設(shè)計(jì)中采用TPSN時鐘同步算法。