鋼絲繩狀態(tài)無(wú)線(xiàn)監控系統節能方案研究與設計

摘要：為了減少鋼絲繩無(wú)線(xiàn)監測系統的能量消耗，延長(cháng)整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期，提出了一種新的節能設計方案。利用TPSN時(shí)鐘同步算法，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )內節點(diǎn)的時(shí)鐘同步，然后使空閑節點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式。利用RSSI測定終端節點(diǎn)運行的距離，當其距離父節點(diǎn)較遠時(shí)，為保證通信質(zhì)量，使其與離它最近的路由節點(diǎn)建立連接，繼續執行數據的采集及發(fā)送過(guò)程。設計的監測系統有效地控制了能量的消耗，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的持續穩定運行創(chuàng )造了條件。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；TPSN時(shí)鐘同步算法；RSSI；鋼絲繩

0 引言
隨著(zhù)城市建設的發(fā)展，高空建筑機械的狀態(tài)監測和維修一直困擾著(zhù)人們，我國建筑機械近幾年在設計、制造及監測上沒(méi)有太大的改善，但是建筑機械化的運行條件在不斷的變化，我國目前仍然主要沿用傳統的“定期保養，事后維修”制度，故障檢測與修復的設備和手段也比較落后，導致整機可靠性差、安全隱患多。因此，為保證建筑機械的安全可靠運行，對其進(jìn)行狀態(tài)監測顯得尤為重要和緊迫。然而到目前為止，對建筑機械的監測大多都是通過(guò)實(shí)驗人員定期到環(huán)境復雜的大型機械上進(jìn)行檢測，測試人員的工作危險繁瑣而且所得到的數據只是所選取的時(shí)間點(diǎn)的狀況，并不能完全說(shuō)明整臺機械設備長(cháng)期以來(lái)的工作狀態(tài)。所以，一種長(cháng)期穩定實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測建筑機械狀態(tài)的監控系統對于企業(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，根據其記錄的數據內容，對發(fā)生意外事故進(jìn)行責任認定。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是當前的研究熱點(diǎn)，它能夠通過(guò)各類(lèi)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(shí)監測、感知和采集，并將這些信息在無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )中傳送給用戶(hù)。其在數字家庭領(lǐng)域、工業(yè)監控領(lǐng)域、智能交通領(lǐng)域、醫療領(lǐng)域等都得到了顯著(zhù)的應用及推廣。但是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)大多是通過(guò)電池供電，其電源能量極其有限，網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)由于能量的原因經(jīng)常失效或報廢。電源能量約束是阻礙無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的嚴重問(wèn)題。所以通常需要研究網(wǎng)絡(luò )工作過(guò)程中節省能源和在完成應用要求的前提下盡量延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的生命周期。論文對傳感器檢測原理及組成和時(shí)鐘同步算法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對TPSN時(shí)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(guò)在實(shí)際應用中一段時(shí)間內不使用的節點(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點(diǎn)重新進(jìn)入主動(dòng)模式來(lái)達到減少網(wǎng)絡(luò )能耗從而實(shí)現節約能量延長(cháng)生命周期的目的。

1 傳感器檢測原理及組成
鋼絲繩的導磁性能良好，這是由于其是由碳素鋼制成的，本設計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(chǎng)能量，使鋼絲繩磁化。當鋼絲繩存在損傷時(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，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強度?？梢钥闯龌魻栐妮敵鲭妷赫扔诖磐芏?。鋼絲繩檢測傳感器實(shí)物圖如圖2所示。

2 時(shí)鐘同步算法
對于本設計，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 )節點(diǎn)能在規定時(shí)間喚醒或進(jìn)入低功耗模式，所以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的時(shí)間基準同步也顯得尤為重要。時(shí)鐘同步是其主要手段，而系統基準時(shí)間同步是一切應用的基礎，應用范圍十分廣泛。
2．1 時(shí)鐘同步算法概述及不同算法間的比較
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，由于網(wǎng)絡(luò )中沒(méi)有標準的時(shí)間統一系統或者共同的時(shí)間基準，所以需要建立一個(gè)統一的時(shí)間服務(wù)系統或者時(shí)間服務(wù)器，以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)間統一，這一點(diǎn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的實(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)間同步機制后，在各個(gè)大學(xué)和科研機構中得到了廣泛的研究，通過(guò)各國學(xué)者的不斷研究，提出了多種時(shí)間同步機制。主要分為三類(lèi)：基于接收者和接收者(Receiver-Receiver)的時(shí)間同步機制，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)候要根據具體的情況，權衡采取哪種算法。RBS時(shí)鐘同步算法的時(shí)間復雜度就是其一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，這樣導致其在同步過(guò)程中造成的能量消耗將很大，對能量有限的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)明顯不大適用。DMTS時(shí)鐘算法中需要傳輸的信息少，其中接收節點(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制，通過(guò)雙向交換同步信息能使同步效果的精度更高，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步精度的要求。本設計中采用TPSN時(shí)鐘同步算法。