钢丝绳状态无线监控系统节能方案研究与设计

摘要：为了减少钢丝绳无线监测系统的能量消耗，延长整个无线传感器网络的生命周期，提出了一种新的节能设计方案。利用TPSN时钟同步算法，实现网络内节点的时钟同步，然后使空闲节点进入低功耗模式。利用RSSI测定终端节点运行的距离，当其距离父节点较远时，为保证通信质量，使其与离它最近的路由节点建立连接，继续执行数据的采集及发送过程。设计的监测系统有效地控制了能量的消耗，为整个网络的持续稳定运行创造了条件。
关键词：无线传感器网络；TPSN时钟同步算法；RSSI；钢丝绳

0 引言
随着城市建设的发展，高空建筑机械的状态监测和维修一直困扰着人们，我国建筑机械近几年在设计、制造及监测上没有太大的改善，但是建筑机械化的运行条件在不断的变化，我国目前仍然主要沿用传统的“定期保养，事后维修”制度，故障检测与修复的设备和手段也比较落后，导致整机可靠性差、安全隐患多。因此，为保证建筑机械的安全可靠运行，对其进行状态监测显得尤为重要和紧迫。然而到目前为止，对建筑机械的监测大多都是通过实验人员定期到环境复杂的大型机械上进行检测，测试人员的工作危险繁琐而且所得到的数据只是所选取的时间点的状况，并不能完全说明整台机械设备长期以来的工作状态。所以，一种长期稳定实时在线监测建筑机械状态的监控系统对于企业来说，是极其重要的。同时可以使其具有“黑匣子”功能，根据其记录的数据内容，对发生意外事故进行责任认定。
无线传感器网络是当前的研究热点，它能够通过各类集成化的微型传感器协同完成各种环境或检测对象的信息实时监测、感知和采集，并将这些信息在无线多跳网络中传送给用户。其在数字家庭领域、工业监控领域、智能交通领域、医疗领域等都得到了显著的应用及推广。但是无线传感器网络的节点大多是通过电池供电，其电源能量极其有限，网络中节点由于能量的原因经常失效或报废。电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问题。所以通常需要研究网络工作过程中节省能源和在完成应用要求的前提下尽量延长整个网络系统的生命周期。论文对传感器检测原理及组成和时钟同步算法进行了简单的介绍，对TPSN时钟同步算法和利用RSSI进行距离的测定进行了深入的研究。
通过在实际应用中一段时间内不使用的节点进入PM2低功耗模式，然后利用定时器唤醒的方式使这些节点重新进入主动模式来达到减少网络能耗从而实现节约能量延长生命周期的目的。

1 传感器检测原理及组成
钢丝绳的导磁性能良好，这是由于其是由碳素钢制成的，本设计采用的对钢丝绳状态的检测利用电磁检测原理，如图1所示，励磁回路由衔铁、永久磁铁、空气隙和钢丝绳组成。永久磁铁为励磁回路提供充足的磁场能量，使钢丝绳磁化。当钢丝绳存在损伤时，在附近的空气中会产生漏磁场，通过检测霍尔元件的电压变化，就可以间接得到LF和LMA信号，霍尔元件的输出电势VH=KHBI，其中KH是霍尔元件的灵敏度系数，I为通过霍尔元件的电流，B为沿霍尔元件表面法向的漏磁感应强度。可以看出霍尔元件的输出电压正比于磁通密度。钢丝绳检测传感器实物图如图2所示。

2 时钟同步算法
对于本设计，除了对钢丝绳状态进行检测的传感器不可缺少外，为了使网络节点能在规定时间唤醒或进入低功耗模式，所以实现网络中节点的时间基准同步也显得尤为重要。时钟同步是其主要手段，而系统基准时间同步是一切应用的基础，应用范围十分广泛。
2．1 时钟同步算法概述及不同算法间的比较
无线传感器网络中，由于网络中没有标准的时间统一系统或者共同的时间基准，所以需要建立一个统一的时间服务系统或者时间服务器，以实现网络中的时间统一，这一点对整个网络系统的实时性非常重要，自J．Eison和K．Romer首次提出传感器网络中的时间同步机制后，在各个大学和科研机构中得到了广泛的研究，通过各国学者的不断研究，提出了多种时间同步机制。主要分为三类：基于接收者和接收者(Receiver-Receiver)的时间同步机制，常用的是RBS算法；另一种是基于发送者和接收者的双向时间机制，常用的是TPSN算法、LTS算法、Tiny-sync和Mini-syne同步算法；最后一种是基于发送者和接收者的单向时间同步机制，存在的算法为DMTS算法、FTSP算法等。每种算法都有其优点同时也有各自的缺点，因此在选择时钟同步算法的时候要根据具体的情况，权衡采取哪种算法。RBS时钟同步算法的时间复杂度就是其一个明显的缺点，这样导致其在同步过程中造成的能量消耗将很大，对能量有限的无线传感器网络来说明显不大适用。DMTS时钟算法中需要传输的信息少，其中接收节点只需要收到同步消息这样单相同步的方式就能实现同步，能量消耗少，但是这种方式的同步精度要求很低，虽然降低了能量消耗但同时也降低了时钟同步的精度，所以在精度要求很高的场合不适用。TPSN时钟同步算法是双向同步机制，通过双向交换同步信息能使同步效果的精度更高，满足无线传感器网络时钟同步精度的要求。本设计中采用TPSN时钟同步算法。