無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點分組控制策略*

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)遼寧省重點實驗室，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，可以實現(xiàn)重大裝備、交通運輸、大規(guī)模工程實驗等領(lǐng)域中的關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測、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)測的特征通信協(xié)議，并分析驗證了系統(tǒng)通信性能［3］。將WSNs 作為安全監(jiān)測手段應(yīng)用到工程領(lǐng)域，需考慮以下問題:

工程現(xiàn)場可能存在物理遮擋、強(qiáng)電磁干擾、溫濕度變化等不利因素，并且傳感器節(jié)點(以下簡稱節(jié)點)不能干擾設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，這使得許多節(jié)點不得不設(shè)在信號差的區(qū)域，對于無線通信質(zhì)量影響顯著。而工程現(xiàn)場待測信息瞬息萬變，要求傳感器測得信息具有時效性，信號丟失或延時過長會使得監(jiān)測失去實際意義。

WSNs 中存在設(shè)備節(jié)點、中繼節(jié)點、路由節(jié)點等多種節(jié)點，不同節(jié)點感知的信息可能具有時間相關(guān)和空間對應(yīng)關(guān)系，要求這些傳感器相對位置準(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)點的上位機(jī)上實現(xiàn)，但國內(nèi)外開發(fā)的WSNs 上位機(jī)監(jiān)控軟件［5，6］，主要針對專有節(jié)點設(shè)計，其通用性受到限制。

本文針對上述WSNs 中節(jié)點管理的要求和問題，研究了WSNs 節(jié)點分組控制方法，制定節(jié)點分組控制策略、單元組的模塊化控制流程以及故障處理方法，將多節(jié)點的控制依組分開執(zhí)行，提高傳輸效率和動態(tài)組網(wǎng)的靈活性，采用定時、計數(shù)、超時控制等方法輔助控制流程的順利執(zhí)行。設(shè)計并實現(xiàn)WSNs 上位機(jī)控制軟件，最后進(jìn)行了多節(jié)點控制和數(shù)據(jù)傳輸可靠性的測試實驗，結(jié)果表明:應(yīng)用本文提出的管理策略和實現(xiàn)方法，能使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多節(jié)點的管理更靈活，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、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)點按時間序列采集數(shù)據(jù)，并傳送給監(jiān)控中心?？紤]到數(shù)據(jù)同步性要求和傳輸效率，本文以節(jié)點為組元構(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、采樣時長、采樣模式等性質(zhì)相同或相近的節(jié)點編為同組管理，組內(nèi)節(jié)點共享存儲空間，遵循同一傳輸規(guī)則。

2)時間周期控制: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)程相互獨立，依據(jù)各組通信負(fù)荷，分配處理時長和存儲空間。

典型的節(jié)點分組實現(xiàn)流程如下:首先，建立節(jié)點Map表，存儲節(jié)點特征信息;其次，建立傳感器組Map 表，存儲組參數(shù)信息，引導(dǎo)控制流程的執(zhí)行;最后，根據(jù)節(jié)點特征信息將節(jié)點分配到各組，并將組號存儲在節(jié)點Map 表中，實現(xiàn)自動分組。

2.2 傳感器組的流程控制與故障處理

分組策略實現(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現(xiàn)節(jié)點與控制中心交互。如圖2 所示，制定上位機(jī)控制流程:

1)確認(rèn)節(jié)點停止對傳感器的采集操作;2)確認(rèn)停止節(jié)點與監(jiān)控中心之間的傳感器數(shù)據(jù)傳輸;3)擦除存儲器歷史數(shù)據(jù);4)實現(xiàn)對節(jié)點開始采集的控制，在達(dá)到采集時長后，監(jiān)控中心收到停止采集確認(rèn)信號;5)下載節(jié)點存儲器的數(shù)據(jù)，并存儲到數(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，建立超時故障處理和定時查詢網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的處理策略。

超時故障處理:1)信息丟失處理:設(shè)定超時重發(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:無線通信的延遲會導(dǎo)致超時重發(fā)多次后收到多個命令回復(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)超時重發(fā)失敗處理:若組內(nèi)部分節(jié)點超時無命令回復(fù)，則剔除超時計數(shù)超標(biāo)的節(jié)點;若組內(nèi)所有節(jié)點均無回復(fù)，則鎖定狀態(tài)并短信報警。待故障消除后，自動重啟控制流程。

定時查詢網(wǎng)絡(luò)狀態(tài):定時判斷網(wǎng)絡(luò)連接狀況，對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障等異常情況造成的監(jiān)控中斷報警，并自動建立新的連接，連接成功后自動維護(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)識符、幀長度和校驗碼用來保證數(shù)據(jù)幀信息準(zhǔn)確有效。校驗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)點傳輸幀格式Tab 1 Frame format for WSNs nodes transmission

3 監(jiān)控軟件實現(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)實現(xiàn)。

1)通信接口層:實現(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。

2)消息分發(fā)層:根據(jù)用戶命令或時序要求，將界面交互、節(jié)點上線通知、超時管理、待測數(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)點監(jiān)控和數(shù)據(jù)快速存儲需求，本文采用如下內(nèi)存管理技術(shù):采用FIFO 隊列緩沖區(qū)接收節(jié)點數(shù)據(jù);建立數(shù)據(jù)分發(fā)線程，分發(fā)FIFO 隊列數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)入庫線程，將入庫隊列中數(shù)據(jù)依次入庫。線程定時查詢隊列數(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器。

4 實驗結(jié)果

依據(jù)本文建立的方法和軟件，在某鐵路實驗段搭建WSNs 系統(tǒng)，監(jiān)測鋼軌受力狀態(tài)。實驗段共布置6 個測點。各測點布置4 種不同節(jié)點各1 個，傳感器節(jié)點的特征參數(shù)見表2。

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

在監(jiān)控中心分別控制6 個監(jiān)測點的節(jié)點采樣并傳輸數(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)測點的位置獨立性，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)點與溫度傳感器節(jié)點有時間和位置同步要求，因此，將其歸為同組，總計仍為12 組。為驗證上述條件下分組策略的有效性，本文設(shè)計了統(tǒng)計測試時長內(nèi)數(shù)據(jù)量完整性的方法。

系統(tǒng)節(jié)點以設(shè)定采樣率采集一定時長獲得相應(yīng)點數(shù)的數(shù)據(jù)量，每點占用2 byte 內(nèi)存空間。因此，節(jié)點理論數(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)點數(shù)，Ci為采集次數(shù)，F(xiàn)i為采樣率，Ti為采樣時長。

低頻應(yīng)變傳感器節(jié)點和溫度傳感器節(jié)點是按時間相隔進(jìn)行采樣的，本文稱為時間觸發(fā)模式。此類型節(jié)點的每天理論傳輸數(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)計該路段列車運行情況得出ci≤70 次，計算此類型節(jié)點的每天最大傳輸數(shù)據(jù)量為Q理論=4.2 MB。

因此，若測試時長內(nèi)的理論數(shù)據(jù)量大小為Q理論，實際獲得的數(shù)據(jù)量大小為Q實際，則Q實際/Q理論即為數(shù)據(jù)量完整性比例R。Q實際通過訪問數(shù)據(jù)庫獲得，Q理論用上述公式計算。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，實驗結(jié)果見表3?？梢?，不同時長內(nèi)，各傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸完整性均在90 %以上。

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

5 結(jié) 論

本文建立了WSNs 節(jié)點分組控制策略、傳感器組控制流程和故障處理方法，對多節(jié)點靈活組合，分組策略保證組間控制獨立和組內(nèi)控制同步，滿足WSNs 多類型節(jié)點的監(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，便于擴(kuò)展，并兼容多種WSNs 節(jié)點，使用靈活。在建立的WSNs 平臺上對本文建立的節(jié)點管理方法進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果表明:采用分組策略管理多種傳感器節(jié)點，操作靈活，有助于提高WSNs數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

［1］ Heinzelman W R，Kulik J，Balakrishman H.Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks［C］∥Proc of the 5th ACM/IEEE Mobicom Conference，Seattle，WA，1999:174 －185.

［2］ Aboelela E，Edberg W，Papakonstantinou C，et al.Wireless sensor network based model for secure railway operations［C］∥2006 IEEE International Performance Computing and Communications Conference，Phoenix，AZ，2006:623 －628.

［3］ Kootkar S，Al－Ars Z.Design and implementation of reliable wireless sensor networks-A case study in commuter trains［C］∥Proc of ProRISC Workshop，Veldhoven，Netherlands，2007.

［4］ 車 暢，梁韋華，周 悅，等.基于多智能體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同問題研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2005，26(8):229 －232.

［5］ 卞 娜.基于LabVIEW 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件［D］.鄭州:鄭州大學(xué)，2011.

［6］ 伍成亮.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.廣州:暨南大學(xué)，2008.