基于信標時序補償?shù)臋C械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步觸發(fā)方法

裴 勇，湯寶平，鄧 蕾，肖 鑫

（重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

基于信標時序補償?shù)臋C械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步觸發(fā)方法

裴 勇，湯寶平，鄧 蕾，肖 鑫

（重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在實現(xiàn)機械振動同步采集過程中，采集節(jié)點應(yīng)該同時觸發(fā)采集命令，同步觸發(fā)誤差應(yīng)在一個采樣周期內(nèi)的要求，設(shè)計了一種基于信標時序補償思想的WSN同步觸發(fā)協(xié)議STBTC＿P（the Synchronization Trigger protocol based on Beacon Timing Compensation）。協(xié)議基于IEEE 802.15.4協(xié)議標準開發(fā)多跳樹狀網(wǎng)絡(luò)，以信標負載方式傳輸采集命令，在利用集中關(guān)聯(lián)信標分配法避免信標沖突并實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步后，采用基于信標時序補償思想的同步觸發(fā)方法實現(xiàn)機械振動采集命令的多跳同步觸發(fā)，為最終提高機械振動同步采集精度創(chuàng)造使能條件。最后，在自研采集節(jié)點WSN－G2上運行STBTC＿P協(xié)議，并驗證了其有效性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；機械振動；同步采集；IEEE 802.15.4

在使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）進行機械振動監(jiān)測時，為保證信號分析結(jié)果的準確性，需要對多測點振動信號進行同步采集［1－3］。然而，作為分布式采集系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對機械振動信號進行同步采集面臨諸多難題［3－4］，其中一個重要問題就是要實現(xiàn)采集命令同步觸發(fā)。如果Sink節(jié)點發(fā)出采集命令后，各個采集節(jié)點觸發(fā)采集命令的時間差過大，將直接影響同步采集精度；往往同步觸發(fā)誤差控制在一個采樣周期內(nèi)，可以為進一步采用重采樣法、同步截取等方法實現(xiàn)同步采集建立良好的基礎(chǔ)［4］。那么對于機械振動采集一般要求數(shù)kHz采樣頻率的情況，要使觸發(fā)誤差控制在一個采樣周期內(nèi)就相當困難。另外，受節(jié)點發(fā)送功率和能耗等限制，節(jié)點單跳發(fā)送距離只有數(shù)十米，往往組成多跳網(wǎng)絡(luò)進行機械振動監(jiān)測［5］，那么在多跳網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)采集命令同步觸發(fā)就更加艱難，并需要以各個采集節(jié)點實現(xiàn)時鐘同步為基礎(chǔ)［6］。

目前針對WSN全網(wǎng)時鐘同步方法的研究較多，且取得了一些成果［7－8］，但是針對機械振動采集命令同步觸發(fā)方法的研究較少。針對這個問題，本文以IEEE 802.15.4協(xié)議［9］為底層基礎(chǔ)，提出了一種信標時序補償思想，并基于此思想設(shè)計實現(xiàn)了一種WSN同步觸發(fā)協(xié)議STBTC＿P（the Synchronization Trigger protocol based on Beacon Timing Compensation）。協(xié)議采用集中關(guān)聯(lián)信標分配法解決多跳網(wǎng)絡(luò)信標沖突問題，實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步，并提出基于信標時序補償思想的同步觸發(fā)方法，實現(xiàn)命令的多跳同步觸發(fā)，為最終提高機械振動同步采集精度創(chuàng)造使能條件。

1 STBTC＿P協(xié)議總體架構(gòu)

STBTC＿P協(xié)議采用TIMAC協(xié)議棧［10］作為底層基礎(chǔ)，負責物理層和MAC層功能；另外還包括網(wǎng)絡(luò)層模塊、應(yīng)用層模塊、采集模塊和上位機模塊幾個上層部分，協(xié)議總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 STBTC＿P協(xié)議?？傮w架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture of STBTC＿P

TIMAC協(xié)議棧是TI公司制定的IEEE802.15.4介質(zhì)訪問控制層（MAC層）協(xié)議棧，它基于CC2430芯片［11］實現(xiàn)了IEEE802.15.4協(xié)議的物理層和MAC層功能。IEEE802.15.4協(xié)議標準［9］不僅具有低功耗，低成本等優(yōu)點，而且在它的信標使能模式下，父節(jié)點能夠通過周期性發(fā)送信標實現(xiàn)與子節(jié)點之間的時鐘同步，為實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步以及進一步實現(xiàn)各個采集命令同步觸發(fā)提供了基礎(chǔ)條件。

網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層模塊作為STBTC＿P協(xié)議的核心，對采集命令同步觸發(fā)功能的實現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。首先，在組網(wǎng)過程中，為了避免多跳網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生信標沖突并導(dǎo)致節(jié)點時鐘同步失敗，網(wǎng)絡(luò)層模塊采用集中關(guān)聯(lián)信標分配法，由Sink節(jié)點統(tǒng)一為各個路由器安排信標發(fā)送時序，解決信標沖突問題，并實現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步。然后，在應(yīng)用層模塊中，STBTC＿P協(xié)議在全網(wǎng)時鐘同步的基礎(chǔ)上，根據(jù)各個父節(jié)點信標發(fā)送時序，采用信標時序補償同步法達到機械振動采集命令多跳同步觸發(fā)的目的。

采集模塊作為采集命令的最終執(zhí)行機構(gòu)，采集命令在應(yīng)用層模塊中經(jīng)過相應(yīng)的時序補償后下發(fā)到采集模塊，并由采集模塊同時觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換器啟動振動數(shù)據(jù)采集。

下面將對STBTC＿P協(xié)議的功能進行詳細描述。

2 STBTC＿P協(xié)議功能實現(xiàn)

開始進行信號采集前，STBTC＿P協(xié)議以簇樹網(wǎng)絡(luò)作為基本拓撲結(jié)構(gòu)組建網(wǎng)絡(luò)。除Sink節(jié)點外，網(wǎng)絡(luò)中每個子節(jié)點有且僅有一個父節(jié)點，采集命令由Sink節(jié)點依次通過父子鏈路傳送到各個采集節(jié)點，直至采集模塊觸發(fā)采集。要實現(xiàn)采集命令同步觸發(fā)，各個采集節(jié)點的采集模塊同時接收到命令是關(guān)鍵。

根據(jù)IEEE 802.15.4標準可知，在信標使能模式下，各個父節(jié)點不采用競爭機制發(fā)送信標，而是以廣播的形式發(fā)送。因此，在單跳命令傳輸過程中，采用信標負載的方式，把采集命令包含在信標中發(fā)送給子節(jié)點，可使每個子節(jié)點同時接收到命令，如果立即下發(fā)給采集模塊可達到同步觸發(fā)的目的，如圖2所示。

圖2 信標負載命令發(fā)送方式示意圖Fig.2 Beacons load mode of sending command

然而，在多跳簇樹網(wǎng)絡(luò)中，各個采集節(jié)點屬于不同的父節(jié)點，它們分別發(fā)送各自的信標，如果采用信標負載的方式發(fā)送采集命令，當網(wǎng)絡(luò)中多個設(shè)備同時發(fā)送信標時就有可能發(fā)生信標沖突，使得子節(jié)點無法正常接收到信標，導(dǎo)致采集命令丟失，系統(tǒng)同步采集失敗。如圖3所示的兩種情況，節(jié)點N1因信標沖突而無法接收信標［12］。

圖3 信標幀沖突示意圖Fig.3 Schematic diagram of beacon frame conflict

所以，在實現(xiàn)全網(wǎng)采集命令同步觸發(fā)之前，必須先解決網(wǎng)絡(luò)中信標沖突的問題。

2.1 避免信標沖突

IEEE 802.15.4標準引入了超幀結(jié)構(gòu)，通過信標幀標定，把信道訪問的時間分為活動區(qū)間和非活動區(qū)間，設(shè)備在活動區(qū)間訪問信道，在其它時間處于低功耗休眠狀態(tài)，并分別通過兩個屬性BO和SO描述信標發(fā)送間隔BI以及活動區(qū)間長度SD［9］。

根據(jù)這一特點，STBTC＿P協(xié)議采用時分復(fù)用的思想，安排所有父節(jié)點分別在不同的時間段發(fā)送信標，把它們訪問信道的活動區(qū)間區(qū)分開來，避免各個父節(jié)點的信標發(fā)生沖突。具體信標發(fā)送時序的安排方案如下所述：

首先，根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)中路由器的位置，在保證超幀結(jié)構(gòu)的非活動區(qū)間能夠滿足所有其它鄰居設(shè)備安排各自活動區(qū)間的同時，以信道利用率最大化為原則，設(shè)置合適的屬性值SO和BO。然后，利用IEEE 802.15.4協(xié)議標準中超幀配置原語提供的參數(shù)“開始發(fā)送信標的時間”StartTime，由Sink節(jié)點采用集中關(guān)聯(lián)時序分配法統(tǒng)一給網(wǎng)絡(luò)中每個路由器分配合適的信標開始發(fā)送時間。StartTime是子路由器相對于其父節(jié)點信標發(fā)送時間的時間偏移。Sink節(jié)點采用集中關(guān)聯(lián)時序分配法為每個路由器分配的StartTime為：StartTime＝（1＋offset×numRouter）×（SD＋GT）

公式中numRouter為同一深度中已入網(wǎng)的兄弟路由器個數(shù)；GT是為了保證父節(jié)點和子節(jié)點的超幀不沖突而添加的一段基本保護時間，取GT＝SD／16；offset為每個兄弟路由器和它所有子孫路由器的信標發(fā)送時間偏移總量：其中：Rm為每個父設(shè)備最多允許關(guān)聯(lián)的路由器個數(shù)，Lm為網(wǎng)絡(luò)最大深度，參數(shù)d為申請路由器的深度。

最后，路由器獲得參數(shù)StartTime后，在其父節(jié)點發(fā)送完信標后，等待StartTime時間再開始發(fā)送信標，使得它的信標不和其它任何信標發(fā)生沖突，保證信標接收正常。信標發(fā)送具體過程如圖4所示。

圖4 路由器發(fā)送信標流程圖Fig.4 Schematic diagram of routers transmit beacon process

2.2 采集命令同步觸發(fā)

解決了信標沖突問題后，由Sink節(jié)點采用信標負載的方式發(fā)出采集命令，但是這樣只能保證網(wǎng)絡(luò)中同一父節(jié)點的幾個采集子節(jié)點同時接收到命令信標，而無法實現(xiàn)全網(wǎng)采集命令的同步觸發(fā)。因為在多跳網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點只有在活動區(qū)間才能接收父節(jié)點的信標，采集命令信標必須經(jīng)過父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)才能到達采集子節(jié)點，而每個父節(jié)點都有自己獨立的信標發(fā)送時序，這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中各個父節(jié)點的采集子節(jié)點接收到命令信標的時間各不相同，如果采集節(jié)點立即把命令下發(fā)到采集模塊，就無法達到各節(jié)點采集命令同步觸發(fā)的要求。如圖5（a）所示，三個采集節(jié)點分別在TA1、TA2和TA3開始采集。

圖5 信標時序補償同步觸發(fā)Fig.5 Beacon timing compensation synchronous trigger

考慮到采集子節(jié)點接收到命令信標的時間取決于其父節(jié)點發(fā)送信標的時序，STBTC＿P協(xié)議根據(jù)信標時序分配的特點，采用信標時序補償?shù)姆椒ń鉀Q多跳網(wǎng)絡(luò)中采集命令同步觸發(fā)問題。其主要思想是各個采集子節(jié)點接收到命令信標之后，并不立即把命令下發(fā)到采集模塊去執(zhí)行，而是分別根據(jù)各自父節(jié)點的信標發(fā)送時序等待相應(yīng)的補償時間之后再發(fā)送，達到同步觸發(fā)的目的，因此此方法必須以全網(wǎng)節(jié)點時鐘同步為前提。

根據(jù)IEEE 802.15.4標準提供的子節(jié)點與父節(jié)點時鐘同步機制［9］，在信標使能模式下，父節(jié)點周期性的發(fā)送帶有時間戳的信標。各個子節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后，通過接收父節(jié)點信標、解析信標中的時間戳并記錄接收信標的時間實現(xiàn)和父節(jié)點間的時鐘同步。然后在多跳簇樹網(wǎng)絡(luò)中，各個父節(jié)點分別通過發(fā)送信標來同步子節(jié)點的時鐘，并依次和各自父節(jié)點的時鐘同步，最終實現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點時鐘同步。

全網(wǎng)時鐘實現(xiàn)同步后，可以使用信標時序補償方法來實現(xiàn)采集命令的同步觸發(fā)，為每個父節(jié)點的采集子節(jié)點安排合適的同步觸發(fā)補償時間。

根據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)規(guī)模獲得網(wǎng)絡(luò)中所有信標發(fā)送設(shè)備的最大數(shù)目N＝R0m＋R1m＋…＋RLm－1m，那么節(jié)點N是最后一個發(fā)送信標的父節(jié)點，它的采集子節(jié)點接收到采集命令后立即下發(fā)到采集模塊，設(shè)置其補償時間backoff＿N為0，而Sink節(jié)點作為第一個發(fā)送信標的父節(jié)點，它的采集子節(jié)點的補償時間backoff＿0為：

backoff＿0＝（N－1）×（SD＋GT）

網(wǎng)絡(luò)中第n個信標發(fā)送設(shè)備的采集子節(jié)點的補償時間backoff＿n應(yīng)為：

backoff＿n＝backoff＿pn－StartTime＿n

其中：backoff＿pn為第n個信標發(fā)送設(shè)備的父節(jié)點的補償時間；StartTime＿n為第n個信標發(fā)送設(shè)備相對于其父節(jié)點信標發(fā)送時間的時間偏移。

同步觸發(fā)補償時間由各個父節(jié)點設(shè)置好，和采集命令一起添加到信標負載中發(fā)送給采集子節(jié)點，采集子節(jié)點接收到父節(jié)點帶有命令和補償時間的信標后，解析信標負載獲得補償時間，并等待相應(yīng)的補償時間之后把命令下發(fā)給采集模塊執(zhí)行，達到同步觸發(fā)的目的，如圖5（b）所示，三個采集節(jié)點同時在時間TA開始采集。

3 性能驗證與分析

為了驗證STBTC＿P協(xié)議獲得的同步觸發(fā)精度，本文以WSN－G2節(jié)點搭建平臺進行驗證實驗。WSNG2節(jié)點是針對機械振動監(jiān)測應(yīng)用而設(shè)計的WSN采集／路由節(jié)點，它采用雙核心架構(gòu)，核心1采用先進的STM32微控制器和獨立的高采樣率、高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器，負責振動信號的采集；核心2采用TI公司開發(fā)的CC2430射頻芯片［11］，是STBTC＿P協(xié)議的主要運行平臺，兩個核心通過串口通信，節(jié)點實物如圖6所示。

3.1 節(jié)點時鐘同步精度

為了測試網(wǎng)絡(luò)中父節(jié)點信標發(fā)送時序以及時鐘同步精度，組建一個三跳網(wǎng)絡(luò)，包含1個Sink節(jié)點、5個路由父節(jié)點和7個采集子節(jié)點，組網(wǎng)參數(shù)分別為：BO＝7，SO＝4，Cm＝4，Rm＝2，Lm＝3。組成的三跳網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 WSN－G2節(jié)點實物圖Fig.6 The prototype ofWSN－G2 node

圖7 三跳網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.7 The topology map of three-hop network

利用協(xié)議抓包工具Packet＿Sniffer抓取網(wǎng)絡(luò)信道中所有信號包，包括每個信標發(fā)送設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)之后發(fā)送的所有周期的信標幀，圖8顯示了在其中任意選取的一個信標周期內(nèi)抓取的所有信標幀。

圖8 信標發(fā)送時序圖Fig.8 The diagram of beacon transm ission timing

圖中深色框圈住的列依次是接收信標的時間間隔、發(fā)送節(jié)點地址以及信標發(fā)送StartTime值，依圖可知，在這個任意選取的信標周期中，各個設(shè)備都按照各自的發(fā)送時序發(fā)送信標，沒有發(fā)生信標碰撞，說明集中關(guān)聯(lián)時序分配法可以很好地避免多跳信標碰撞問題。

根據(jù)接收信標的間隔還可以獲得節(jié)點間的時鐘同步精度。節(jié)點1和節(jié)點E同為Sink節(jié)點0的子節(jié)點，它們的理論StartTime值分別為261 120μs和1 044 480 μs（0x3fc0和0xff00個符號周期，每個符號周期16μs［9］），而它們相對于父節(jié)點0的實際發(fā)送間隔分別為261 106μs和1 044 463μs，與理論值分別相差14和17μs；節(jié)點E與節(jié)點2間的信標間隔522246μs與理論值522 240μs（（0xff00－0x3fc0－0x3 fc0）個符號周期）只相差6μs。依此方式依次比較，可獲得這個信標周期內(nèi)最大偏差為17μs，最大時鐘同步誤差也就是17μs。

分別對其中20個信標周期中的最大偏差進行統(tǒng)計，計算它們的均值和方差，并重復(fù)組建十次相同的網(wǎng)絡(luò)進行相同的統(tǒng)計實驗，統(tǒng)計結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，各個節(jié)點間的時鐘同步誤差平均在20μs內(nèi)，相對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中兩種常用的時鐘同步算法FTSP和TPSN分別達到的67μs［13］和50μs［14］時鐘同步精度具有較大的優(yōu)勢。

圖9 多節(jié)點時鐘同步精度測試統(tǒng)計結(jié)果Fig.9 The synchronous accuracy of nodes’clock

3.2 命令同步觸發(fā)精度

測試同步觸發(fā)精度時，由Sink節(jié)點發(fā)送采集命令，用邏輯分析儀捕獲每個采集節(jié)點觸發(fā)采集時AD轉(zhuǎn)換器上引腳的變化時序來獲得節(jié)點的同步觸發(fā)誤差。如圖10所示，7個采集節(jié)點間命令觸發(fā)的最大時間誤差約為175μs。

圖10 同步觸發(fā)誤差測試Fig.10 The error test of synchronous trigger

為了測試同步觸發(fā)效果以及網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)對精度的影響，本文分別組成單跳、雙跳和三跳網(wǎng)絡(luò)重復(fù)進行20次相同的實驗，統(tǒng)計各自的最大同步誤差，結(jié)果如圖11所示。

圖11 多節(jié)點命令同步觸發(fā)精度測試結(jié)果Fig.11 The synchronous accuracy of nodes triggering command

從圖中可以看出，單跳網(wǎng)絡(luò)中命令觸發(fā)最大誤差低于100μs，可以保證在10 kHz采樣速率下，各個采集節(jié)點采集第一個信號點的最大時間差低于一個采樣周期，可以為10 kHz同步采樣建立同步觸發(fā)基礎(chǔ)；而雙跳和三跳網(wǎng)絡(luò)低于300μs的最大誤差也能達到3 kHz采樣速率的同步觸發(fā)要求，滿足一般機械振動同步采集要求。

從圖11中還可以看出，多跳網(wǎng)絡(luò)的同步觸發(fā)誤差相對于單跳網(wǎng)絡(luò)增大明顯，但是三跳網(wǎng)絡(luò)相對于雙跳網(wǎng)絡(luò)并沒有明顯的增大。通過實驗分析發(fā)現(xiàn)其中一個主要原因就是因為STBTC＿P協(xié)議的底層基礎(chǔ)TIMAC采用了一種非搶占型多任務(wù)OS操作系統(tǒng)，在單跳網(wǎng)絡(luò)中，采集節(jié)點接收到采集命令后立即開始采集，不需要時間補償；而在多跳網(wǎng)絡(luò)中，采集節(jié)點需要等待相應(yīng)的補償時間后才能開始采集，而每個節(jié)點的時間補償是通過OS操作系統(tǒng)來完成的，這在一定程度上增大了同步誤差。為了進一步提高多跳同步觸發(fā)精度，下一步將嘗試直接采用芯片上的硬件定時器來提供補償時間，并引入實時操作系統(tǒng)，改進完善底層協(xié)議。

4 結(jié) 論

針對機械振動信號同步采集應(yīng)用中需要各個采集節(jié)點采集命令同步觸發(fā)的要求，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)機械振動采集命令多跳同步觸發(fā)協(xié)議，采用集中關(guān)聯(lián)信標分配法解決了多跳網(wǎng)絡(luò)中信標沖突問題，并提出了信標時序補償法實現(xiàn)采集命令的多跳同步觸發(fā)。

在本文基礎(chǔ)上，我們的后續(xù)工作將嘗試直接采用芯片上的硬件定時器來提供補償時間，并引入實時操作系統(tǒng)，改進完善底層協(xié)議，提高命令同步觸發(fā)精度，并進一步研究重采樣法和同步截取法等同步采集方法，提高同步采集精度。

［1］Xiao H，Lu C，Ogai H.A multi-hop low cost time synchronization algorithm forwireless sensor network in bridge health diagnosis system［C］／／Embedded and Real－Time Computing Systems and Applications（RTCSA），2012 IEEE 18 th International Conference on.IEEE，2012：392－395.

［2］Krishnamurthy V，F(xiàn)owler K，Sazonov E.The effect of time synchronization of wireless sensors on the modal analysis of structures［J］.Smart Materials and Structures，2008，17（5）：1－13.

［3］湯寶平，曹小佳，張國壘.機械振動監(jiān)測中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步研究［J］.中國機械工程，2010，21（10）：1190－1194.

TANG Bao-ping，CAO Xiao-jia，ZHANG Guo-lei.Time synchronization of wireless sensor networks for mechanical vibration monitoring［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，21（10）：1190－1194.

［4］Rice J A，Billie F S J.Flexible smart sensor framework for autonomous full-scale structural health monitoring［R］.Newmark Structural Engineering Laboratory Report Series 018，2009.

［5］湯寶平，賀 超，曹小佳.面向機械振動監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［J］.振動、測試與診斷，2010，30（4）：357－361.

TANG Bao-ping，HE Chao，CAO Xiao-jia.Topology of wireless sensor networks for mechanical vibration monitoring［J］.Journal of Vibration，Measurement＆Diagnosis，2010，30（4）：357－361.

［6］Hu X Y，Wang BW，JiH.A wireless sensor network-based structural health monitoring system for highway bridges［J］.Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering，2013， 28（3）：193－209.

［7］Maróti M，Kusy B，Simon G，et al.The flooding time synchronization protocol［C］／／Proceedings of the 2nd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.ACM，2004：39－49.

［8］Elson J，Girod L，Estrin D.Fine－grained network time synchronization using reference broadcasts［J］.ACMSIGOPS Operating Systems Review，2002，36（SI）：147－163.

［9］IEEE 802.15.4.Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specification for Low-Rate WireLess Personal Area Networks（LR－WPANs）［S］.New York：IEEE Standard Committee，2006.

［10］Texas Instruments.802.15.4 MAC User’s Guide For CC2430.2009.

［11］Texas Instruments.CC2430 Datasheet［EB／OL］.http：／／focus.ti.com／docs／prod／folders／print／cc2430.htm l.

［12］Koubaa A，Cunha A，Alves M.A time division beacon schedulingmechanism for IEEE 802.15.4／Zigbee cluster-tree wireless sensor networks［C］／／19th Euromicro Conference on Date of Conference.Pisa：2007：125－135.

［13］Kim S，Pakzad S，Culler D，et al.Healthmonitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks［C］／／Information Processing in Sensor Networks，2007.IPSN 2007，6th International Symposium on.IEEE，2007：254－263.

［14］Ganeriwal S，Kumar R，Srivastava MB.Timing-sync protocol for sensor networks［C］／／Proceedings of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.ACM，2003：138－149.

AWSN mechanical vibration synchronous acquisition trigger protocol based on beacon tim ing com pensation

PEIYong，TANG Bao-ping，DENG Lei，XIAO Xin
（The State Key Laboratory of Mechanical Transmission，Chongqing University，Chongqing 400030，China）

Aiming at the requirement that the sample commands of all the nodes should be triggered synchronously and the synchronization error should be less than one sampling period in the process ofmechanical vibration synchronous acquisition using a wireless sensor net（WSN），a WSN synchronization trigger protocol based on beacon timing compensation was designed.The protocol was developed based on IEEE 802.15.4 Standard，the acquisition commands were transmitted with beacon.A good foundation for synchronization acquisition by effectively avoiding beacon conflicts with the centralized associated beacons allocationmethod firstly and then achieving trigger synchronization with the beacon timing compensation method for a multi-hop network was established.Finally，the proposed protocalran on the selfdesigned acquisition nodeWSN-G2 and its effectivenesswas verified.

wireless sensor network（WSN）；mechanical vibration；synchronous acquisition；IEEE 802.15.4

TP393.1；TH17

A

國家自然科學(xué)基金資助項目（51375514）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助（20130191130001）；機械傳動國家重點實驗室科研業(yè)務(wù)費（SKLMT－ZZKT－2012 MS 09）資助

2012－12－17 修改稿收到日期：2013－03－11

裴 勇男，碩士生，1988年4月生

湯寶平男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1971年9月生