機械振動WSNs最小二乘發(fā)射功率自適應控制方法*

湯寶平， 趙春華， 鄧 蕾， 肖 鑫， 黃 藝

(重慶大學機械傳動國家重點實驗室 重慶，400030)

引 言

在機械振動無線傳感器網絡(wireless sensor networks, 簡稱WSNs)監(jiān)測應用中，因傳感器節(jié)點監(jiān)測部署空間位置存在差異，使節(jié)點間的通信鏈路質量因電磁干擾、通信距離及機械構件遮擋等因素而各不相同[1-2]。傳感器節(jié)點為了保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，傳統(tǒng)方法采用最大發(fā)射功率，導致傳感器節(jié)點傳輸能耗浪費問題[3]，特別是在機械振動監(jiān)測應用中傳輸大量振動數(shù)據(jù)時表現(xiàn)尤為顯著，使得無線傳感器網絡節(jié)點固有能量受限問題更加嚴峻[4-5]。降低發(fā)射功率可削弱無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸功耗，是降低傳感器節(jié)點能耗的重要方法[6-7]，因此，如何控制無線傳感器節(jié)點發(fā)射功率是亟需解決的難題。

針對無線傳感器節(jié)點發(fā)射功率控制方法，國內外學者進行了相關研究[8-10]。李小敏等[11]提出了根據(jù)水稻生長周期、接收信號強度及平均丟包率等因素自動調整節(jié)點發(fā)射功率的能量自適應功耗調整機制，提高了節(jié)點通信質量,使平均丟包率在5%以下。這些方法雖然提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?但是沒有改善數(shù)據(jù)傳輸能耗。Kotian等[12]提出一種數(shù)據(jù)驅動的傳輸功率控制(data-driven transmission power control, 簡稱DA-TPC)算法，將數(shù)據(jù)丟包率控制在2%，單個節(jié)點平均傳輸能耗降低了3.5%。但是在機械振動無線監(jiān)測應用中，以上方法沒有考慮電磁干擾、機械結構體遮擋等因素，對機械振動監(jiān)測大量數(shù)據(jù)可靠傳輸產生較大影響，直接影響原始信號的有效性和狀態(tài)分析結果的好壞。針對該問題，阮啟東[13]提出了分片與重組傳輸機制，滿足機械振動監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠傳輸需求，但是該方法采用最大發(fā)射功率進行數(shù)據(jù)傳輸導致節(jié)點傳輸能耗浪費。因此，筆者在前期滿足數(shù)據(jù)可靠傳輸基礎上，對傳感器節(jié)點進行簇內通信獲取無線發(fā)射功率與鏈路質量指示(link quality indicator, 簡稱LQI)離散關系數(shù)據(jù)，提出機械振動無線傳感器網絡最小二乘發(fā)射功率自適應控制方法(least square adaptive transmission power control, 簡稱LSATPC)，利用最小二乘法對離散關系進行線性擬合，建立最小二乘發(fā)射功率自適應預測數(shù)學模型，結合LQI閾值得出滿足數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)淖顑?yōu)發(fā)射功率，可動態(tài)調節(jié)發(fā)射功率滿足機械振動無線傳感器網絡監(jiān)測應用，有效降低節(jié)點大量振動數(shù)據(jù)的傳輸能耗。

1 發(fā)射功率與LQI的關系

WSNs在機械振動監(jiān)測應用中，由于傳感器節(jié)點監(jiān)測部署位置存在差異，例如軸承座、齒輪箱等，導致節(jié)點之間的鏈路質量也各不相同。如圖1所示，采集節(jié)點B和C與采集節(jié)點D和E局部通信環(huán)境不同，同時各個采集節(jié)點與網關節(jié)點通信距離不盡相同，使各個采集節(jié)點分別與網關節(jié)點A的鏈路質量不一致。IEEE 802.15.4標準中定義了鏈路質量指示LQI值，表示接收數(shù)據(jù)幀的質量。提高發(fā)射功率可改善節(jié)點間的通信質量[14]，發(fā)射功率的大小直接影響大量振動數(shù)據(jù)的傳輸功耗。因此，各個采集節(jié)點分別與網關節(jié)點A的LQI值不相同，它們在前期滿足數(shù)據(jù)可靠傳輸基礎上的最小發(fā)射功率也存在差異。

前期研究[15]表明，通過建立各過程能耗數(shù)學模型，得到最優(yōu)數(shù)據(jù)分塊大小，能有效降低機械振動無線傳感器網絡節(jié)點的能耗;但是該方法為保證覆蓋范圍，各個節(jié)點采用最大無線發(fā)射功率，導致傳感器節(jié)點在傳輸大量原始數(shù)據(jù)時造成能耗浪費。為此，傳感器節(jié)點間進行簇內通信,各個采集節(jié)點分別將發(fā)射功率列表Tp{tp1,tp2,…,tpn}依次設置為實際發(fā)射功率值，通過TI CC2530無線通信模塊向父節(jié)點A發(fā)送發(fā)射功率數(shù)據(jù)包，父節(jié)點A分別統(tǒng)計各個子采集節(jié)點LQI列表LQI{LQI1,LQI2,…,LQIn}，并以信標廣播方式通知各個子采集節(jié)點，傳感器節(jié)點在不同通信條件下獲得對應的發(fā)射功率與LQI離散關系，如圖2所示。當通信距離一定時，齒輪箱遮擋使LQI值減小，提高發(fā)射功率使LQI值逐漸增大；當無齒輪箱遮擋時，通信距離越遠，LQI值減小，說明無線網絡中節(jié)點在存在通信距離、遮擋條件等監(jiān)測環(huán)境進行數(shù)據(jù)傳輸時，增大發(fā)射功率可以提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

圖1 不同通信條件的星型網絡拓撲Fig.1 Star networks topology in different communication conditions

圖2 不同通信條件下LQI與無線發(fā)射功率間的關系Fig.2 Relationship between LQI and wireless transmission power in different communication condition

2 最小二乘發(fā)射功率自適應控制方法的實現(xiàn)

2.1 發(fā)射功率與LQI數(shù)學模型

機械設備在機械振動監(jiān)測應用中，軸承座、齒輪箱等遮擋體和節(jié)點間通信距離會對通信鏈路質量造成影響。為了使傳感器節(jié)點自適應預測無線發(fā)射功率，建立最小二乘發(fā)射功率自適應預測模型，需得出發(fā)射功率與LQI數(shù)學模型的關系。由發(fā)射功率等級樣本和LQI值的離散關系，通過最小二乘法對圖2中各離散點進行線性擬合，最后構造數(shù)學函數(shù)模型。根據(jù)TI CC2530無線通信芯片數(shù)據(jù)手冊中提供的發(fā)射功率范圍為[-15dBm，11dBm]，并為其中的整數(shù)離散值，各離散點記為(tpi,Li(tpi)),(i=1,2,…,27)，假設滿足一元線性回歸模型

(1)

其中：tpi為第i級發(fā)射功率；Li(tpi)為第i級發(fā)射功率對應的LQI值；a，b為回歸系數(shù)；εi為殘差。

在實際情況中，難以使各殘差均取得最小值。因此，只能使

(2)

達到最小，等價于以下目標函數(shù)的優(yōu)化問題

(3)

(4)

(5)

(6)

根據(jù)TI CC2530無線通信芯片數(shù)據(jù)手冊提供的發(fā)射功率整數(shù)值的要求，采用式(7)向上取整的方法得到最優(yōu)發(fā)射功率值，以保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性

(7)

表1 不同通信條件的回歸系數(shù)

Tab.1 Regression coefficients in different communication condition

1m2m1m2m^a3.0382.9422.8162.306^b64.78049.18138.30025.687

2.2 數(shù)據(jù)傳輸可靠性

圖3 最小二乘發(fā)送功率自適應控制數(shù)據(jù)傳輸模式Fig.3 LSATPC data transmission mode

3 實驗與結果分析

為驗證筆者所提出的機械振動無線傳感器網絡最小二乘發(fā)射功率自適應控制方法的有效性，在實驗室自主研發(fā)的無線傳感器網絡節(jié)點WSNG4上進行實際的傳輸能耗測量對比實驗。WSNG4采集節(jié)點采用雙核架構，由ARM Cortex M4內核的STM32F405微控制器和無線通信模塊TI CC2530組成。采集節(jié)點由兩節(jié)3.7V，1 200mAh的可充電鋰電池供電，TI CC2530作為整個節(jié)點發(fā)射功率的控制核心，結合CC2592射頻前端，節(jié)點支持IEPE傳感器，可采用噪聲較低的IEPE傳感器采集機械振動信號，利用獨立模數(shù)轉換器實現(xiàn)機械振動信號的采集，分辨率為16bits，最高采樣頻率可達51.2 kHz。此外，采用容量為128 Mbit的Flash芯片作為外部存儲設備存儲大量原始采集數(shù)據(jù)，通過串行外設接口(serial peripheral interface，簡稱SPI)與核心連接，實物如圖4所示。

圖4 WSNG4節(jié)點實物Fig.4 Prototype of the mechanical vibration wireless sensor network node

為測得節(jié)點傳輸能耗，采用如圖5所示方法。在電源與節(jié)點間串聯(lián)1 Ω電阻，將節(jié)點工作電流變化轉換為電阻兩端壓降，再使用NI動態(tài)信號采集模塊NI 9234以高采樣頻率采集并記錄WSNG4節(jié)點在原始數(shù)據(jù)傳輸過程中電阻兩端的電壓變化情況，節(jié)點工作電流變化可通過電壓除以電阻阻值得出。計算傳輸過程中的節(jié)點能耗，計算公式為

(8)

其中：E為節(jié)點傳輸能耗；I為節(jié)點傳輸過程中的變化電流；U為節(jié)點工作電壓；fs為NI9234采樣頻率；N1,N2分別對應于節(jié)點傳輸起始與傳輸結束時的點數(shù)。

圖5 對比實驗測試平臺Fig.5 The photo of comparative experiment test platform

機械振動無線傳感器網絡節(jié)點間由于部署空間位置不同和通信條件不同，導致節(jié)點發(fā)射功率在運行過程中需要自適應控制，從而直接影響節(jié)點傳輸能耗。將WSNG4節(jié)點與網關節(jié)點組建成單跳星型網絡，實驗1～實驗4中WSNG4節(jié)點采集動力傳動故障診斷綜合實驗臺第2級平行齒輪箱軸承信號，采樣頻率為25.6kHz，采樣長度從10kB逐漸增加到250kB。由于無法提供電磁干擾環(huán)境，通過調節(jié)采集節(jié)點與網關節(jié)點的通信距離和采集節(jié)點的部署位置，采集節(jié)點到網關節(jié)點的實驗方案可設計距離遠近及有無齒輪箱的遮擋，設遮擋的數(shù)量為1時即為齒輪箱遮擋環(huán)境，并且在該測試平臺上無其他有效性的遮擋構件，本實驗通信條件如表2所示。每組實驗中a方案表示發(fā)射功率自適應，b方案表示固定的最大發(fā)射功率，即11dBm。采集完畢后將原始數(shù)據(jù)通過無線網絡傳輸至網關節(jié)點，并通過串口傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，如圖5所示。

表2 實驗1，2，3，4的通信條件對比

Tab.2 Comparison of communication conditions in experiment 1, 2, 3, 4

/m11 22 3142

在不同采樣長度下，實驗1與實驗2的傳輸能耗值如表3、表4所示，傳輸能耗優(yōu)化值對比關系如圖6所示。實驗3與實驗4的傳輸能耗值如表5、表6所示，傳輸能耗優(yōu)化值對比關系如圖7所示。

表3 實驗1傳輸能耗對比

Tab.3 Comparison of transmission energy consumption in experiment 1

/kB/mJab/mJ/%10.24 92.31 102.4710.169.9251.20 505.82 548.07 42.257.71102.401 033.171 115.70 82.537.40153.601 535.191 667.72132.537.95204.802 022.792 211.42188.638.53256.002 509.372 746.52237.158.63

表4 實驗2傳輸能耗對比

圖6 實驗1，2傳輸能耗優(yōu)化值與采樣長度間關系對比Fig.6 Comparison relationship between transmission energy consumption optimization and sample length in experiment 1, 2

Tab.5 Comparison of transmission energy consumption in experiment 3

/kB/mJab/mJ/%10.24 94.82 103.50 8.688.39 51.20508.57546.18 37.616.89102.401 046.251 118.06 71.816.42153.601 568.191 671.64103.456.19204.802 051.432 220.59169.167.62256.002 542.372 753.38211.017.66

表6 實驗4傳輸能耗對比

Tab.6 Comparison of transmission energy consumption in experiment 4

/kB/mJab/mJ/%10.24 97.31 104.21 6.906.6251.20 520.61 542.95 22.344.11102.401 063.171 120.03 56.865.08153.601 589.521 671.19 81.674.89204.802 097.842 228.08130.245.85256.002 589.372 752.11162.745.91

圖7 實驗3，4傳輸能耗優(yōu)化值與采樣長度間關系對比Fig.7 Comparison relationship between transmission energy consumption optimization and sample length in experiment 3, 4

由表3～表6可知，節(jié)點傳輸能耗均隨著采樣長度的增加而增加，但是每組實驗中a方案比b方案的節(jié)點傳輸能耗增幅更低，并且在每組實驗b方案中，相同采樣長度對應的傳輸能耗基本一致。

由圖6、圖7可知，隨著采樣長度逐漸增加，傳輸能耗優(yōu)化值也不斷增大，并且通信距離越短，節(jié)點傳輸能耗優(yōu)化值越大。此外，在無齒輪箱遮擋通信條件下的傳輸能耗優(yōu)化值比通信條件存在齒輪箱遮擋的傳輸能耗優(yōu)化值更大。以上充分說明由于傳感器節(jié)點部署空間位置不一致，導致與父節(jié)點的通信鏈路質量也不盡相同,在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)那闆r下，節(jié)點可自適應動態(tài)調節(jié)無線發(fā)射功率以降低傳輸能耗，充分闡明了筆者提出的機械振動無線傳感器網絡最小二乘發(fā)射功率自適應控制方法的有效性。

4 結束語

機械設備狀態(tài)監(jiān)測中最常采用的振動信號采集需要5kHz～20kHz甚至更高的采樣頻率，傳輸原始數(shù)據(jù)量大，節(jié)點間的通信鏈路質量受電磁干擾、通信距離及機械構件遮擋等因素影響。為了保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，采用最大發(fā)射功率，導致部分傳感器節(jié)點傳輸能耗浪費。筆者通過對傳感器節(jié)點進行簇內通信獲得發(fā)射功率與LQI離散關系，提出一種機械振動無線傳感器網絡最小二乘發(fā)射功率自適應控制方法。利用最小二乘法對離散關系進行線性擬合，建立最小二乘發(fā)射功率自適應預測數(shù)學模型，結合LQI閾值得出滿足數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)淖顑?yōu)發(fā)射功率，可動態(tài)調節(jié)發(fā)射功率滿足無線傳感器網絡機械振動監(jiān)測應用，以此降低大量振動數(shù)據(jù)傳輸能耗。對比實驗結果表明，依據(jù)該方法在實驗1～實驗4中可分別計算出平均節(jié)約傳輸能耗為8.36%，6.13%，7.20%和5.41%，并且隨著采樣長度的增大，傳輸能耗優(yōu)化值越大，這對于提高能量極度匱乏的機械振動無線傳感器網絡節(jié)點壽命具有重要意義。