CN101778405A - 结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统 - Google Patents

结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，包括如下步骤：当收到网关发送的时间同步包时，节点根据发送时间戳和接收时间戳调整本地时间，完成时间同步；当节点收到网关广播发送的预同步采集命令，并到达同步采集预设开始时间时，网关将同步采集预设开始时间作为同步采集开始的物理时间，各节点清零本地时间，开始数据采集，将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号，发送数据包至网关；网关根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，将相对时间加上物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息。本方法能实现采集过程中的时间同步和同步采集，保证采样点时间准确，避免丢包，确保结构健康监测过程中全域诊断的可靠性。本发明同时公开了一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集系统。

Description

结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种适用于结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统。
背景技术
众所周知，实时监测土木工程结构的安全状态对于项目工程十分重要，以避免由于重大结构与装备破坏引起的诸多安全事故的发生，并指导重大结构的维护保养，而这种实时监测需要监测和捕获土木工程结构的结构损伤信息。
结构健康监测中结构损伤信息的获取需要使用同步采集技术，其是对服役结构的损伤进行全域诊断或重要区域诊断(简称“场域诊断”)的基础，各节点的结构损伤信息如果没有空间和时间信息是没有任何意义的，因此，同步采集和采样点时间信息对结构健康监测全域诊断至关重要。
传统方案结构状态信息的获取采用的是有线方式，同步采集通过“硬同步”方法实现，即主控芯片给各采集节点提供采样时钟，各采集节点按照统一的系统时钟进行数据采集和传输，后期数据处理以系统时钟作为采样点时间信息。但这种有线方式的传统方案需要大量布线，因此对信号衰减和干扰极大，这种负面影响在广度布线以大面积或多处获取监测信息时表现更为突出。
目前结构损伤信息的获取是由面向结构健康监测的无线传感器网络实现的。同步采集以时间同步作为前提，现有时间同步技术已经广泛应用于无线传感器网络中，例如参考消息时间同步(RBS)、时延测量时间同步(DMTS)、洪泛时间同步协议(FTSP)等，这些同步技术虽然实现了无线传感器节点与无线网关的时钟一致，并且避免了传统方案中布线对信号衰减以及干扰的负面影响，然而，由于结构健康监测过程中数据采集量大，采集频率高，现有时间同步技术无法实现在采集过程中的时间同步和同步采集，因此各传感器节点的时钟在采集过程中会出现纵向和横向偏移，进而导致各节点同步采集时间信息紊乱，采样点时间信息有效性得不到保障。另外，由于采集频率高，因而会存在丢包，严重影响后期对各节点数据的对齐和数据处理等工作，无法保证结构健康监测中全域诊断的可靠性。
因此，有必要提供一种改进的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统，能实现采集过程中的时间同步和同步采集，保证采样点时间准确，避免丢包，确保结构健康监测过程中全域诊断的可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，包括如下步骤：当收到网关发送的时间同步包时，节点获取发送时戳和接收时间戳，根据所述发送时间戳和接收时间戳调整本地时间，完成时间同步；当节点收到网关广播发送的预同步采集命令，并到达所述预同步采集命令的同步采集预设开始时间时，网关将所述同步采集预设开始时间作为同步采集开始的物理时间，各节点清零本地时间，开始数据采集，将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号，并发送数据包至网关；网关根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，将相对时间加上所述物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息。
在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：通过状态转换判断节点在时间同步信道是否收到网关发送的时间同步包；当未收到网关发送的时间同步包时，节点切换到数据收发信道。
在本发明的另一实施例中，所述方法还包括：判断节点是否收到网关广播发送的预同步采集命令；当节点未收到网关广播发送的预同步采集命令时，各节点进入休眠状态，并周期性醒来接收时间同步包。
较佳地，所述数据采集的步骤通过中断方式触发进行。
同样较佳地，节点在各自的TDMA发送时隙发送数据包至网关。
较佳地，所述数据包通过数据收发信道在所述节点与所述网关之间收发。
在本发明的再一实施例中，所述方法还包括：网关对每个节点的相对时间作柔性优化时，排列好节点内的数据包先后，对齐节点间的数据包。
在本发明的又一实施例中，所述方法还包括：网关对每个节点的相对时间作柔性优化后，节点切换数据收发信道至时间同步信道。
一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集系统，包括时间同步模块、数据包采集发送单元以及同步采集时间信息确定单元。所述时间同步模块用于当收到网关发送的时间同步包时，获取发送时间戳和接收时间戳，根据所述发送时间戳和接收时间戳调整本地时间，完成时间同步。所述数据包采集发送单元用于当收到网关广播发送的预同步采集命令，并到达所述预同步采集命令的同步采集预设开始时间时，清零本地时间，开始数据采集，将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号，并发送数据包至网关。所述同步采集时间信息确定单元用于将所述同步采集预设开始时间作为同步采集开始的物理时间，根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，将相对时间加上所述物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息。
较佳地，所述时间同步模块通过时间同步信道接收所述时间同步包，所述数据包采集发送单元通过数据收发信道发送所述数据包。
与现有技术相比，本发明结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法及系统根据所述发送时间戳和接收时间戳调整本地时间，完成时间同步，因而时间同步效率高。另外，节点将采集的预发送给网关的数据包中打入相对时间戳和数据包序号，不仅使同步采集精度高，并且可有效解决丢包问题。此外，网关根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，将相对时间加上所述物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息，因此同步采集数据包时间信息准确有效，保障了结构健康监测中全域诊断的可靠性。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法的流程图。
图2为图1所示结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法中同步采集的数据包结构图。
图3为图1所示结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法中相对时间优化的示意图。
图4为本发明结构健康监测的无线传感器网络同步采集系统的框图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
图1为结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法的流程图。如图所示，所述方法包括如下步骤：
步骤S 10，网关向节点周期性发送具有发送时间戳的时间同步包。
在本步骤中，网关发送时间同步包的过程中会产生SFD中断，因此在发送的时间同步包中加入了发送时间戳。
步骤S11，通过状态转换判断节点在时间同步信道是否收到网关发送的时间同步包，如果是，继续步骤S12，如果否，转步骤S14。
步骤S12，节点记录接收时间戳。
在本步骤中，节点接收到时间同步包的SFD部分时产生中断，此时记录下接收时间戳。
步骤S13，节点根据发送时间戳和接收时间戳计算时间偏差，进而调整本地时间，完成时间同步。
步骤S14，节点切换到数据收发信道。
由上可以看出，本实施例进行时间同步时系统开销低，时间同步效率高，时间同步过程约持续1-15毫秒。节点切换到数据收发信道以备下次数据包的发送。
步骤S15，判断节点是否收到网关广播发送的预同步采集命令，所述预同步采集命令包含同步采集预设开始时间，如果否，继续步骤S16，如果是，转步骤S17。
其中，网关和节点均以所述同步采集预设开始时间作为同步采集开始时刻，以保证各节点在同一时刻开始采集数据。
步骤S16，各节点进入休眠状态，并周期性醒来在时间同步信道接收时间同步包，转步骤S11。
在本步骤中，节点进入休眠状态能节约系统功耗，休眠时间同步周期可根据实际应用设定为1到5分钟不等。
步骤S17，当到达所述同步采集预设开始时间时，网关将所述同步采集预设开始时间作为同步采集开始的物理时间。其中，所述物理时间为大单位量时间，
步骤S18，各节点清零本地时间后，通过中断方式触发开始数据采集。
步骤S19，在数据收发信道将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号。相对时间戳为本次数据包的第一个采集点数据中断产生时捕获的节点本地时间，为小单位量时间。其中，所述数据包如图2所示，下面会详细说明。
步骤S20，节点在各自的TDMA发送时隙通过数据收发信道发送数据包至网关。
在本步骤中，由于网关是周期性发送时间同步包，且采集过程中为保证数据包有条不紊互无干扰地发送，节点必须在各自的TDMA发送时隙发送数据包，因此节点在高频采集过程中并非每次TDMA发送间隙都会作时间同步，只在成功收到网关发来的时间同步包时才作时间同步。
另外，各个节点的TDMA发送周期为100毫秒，以满足结构健康监测对数据延时要求，一个完整的数据包收发过程只需10毫秒，因此各个节点当前数据包发送完毕后即进入时间同步时段。
步骤S21，网关在数据收发信道接收所述节点发送的数据包，根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，排列好节点内的数据包先后，对齐节点间的数据包，再将相对时间加上采集开始时记录的物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息。
在上述同步采集步骤中，所述相对时间戳节省了数据包空间，降低了网络开销，提高了数据传输效率，网关只需将各个节点的每个数据包相对时间加上采集开始时记录的物理时间就可得到数据包的同步采集时间信息。
另外，由于时间同步的操作各节点采集过程中会出现同步前数据包时间戳大于同步后数据包时间戳，且在各节点高频采集和上传数据过程中会出现丢包现象，本步骤将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号可有效解决丢包问题。
再者，在对各节点数据包相对时间戳做柔性优化处理后，可对齐节点间的数据包，并排列好节点内的数据先后，同步采集数据包时间信息准确有效，保障了结构健康监测中全域诊断的可靠性。
步骤S22，节点切换数据收发信道至时间同步信道，转步骤S11。
由上可以看出，所述方法采用了双天线双信道—时间同步信道周期性发送时间同步包，数据收发信道接收各节点发送的数据包以及进行数据处理，这种方式适用于高频采集的情形。
另外，各节点通过状态和信道转换同时进行数据上传和时间同步，并在休眠状态时周期性醒来直接在时间同步信道做时间同步，因此在高频采集情况下，能保证时间同步的可靠性、同步采集的精度以及同步采集时间信息的可靠性，能避免丢包，具有较低的功耗。
图2为本实施例步骤S19中同步采集的数据包结构图。如图所示，所述数据包以IEEE802.15.4协议为标准，包括包头、数据载荷以及包尾。
所述包头包括物理层的前同步码、定界符(SFD)、帧长和MAC层帧头(MHR)构成。
所述数据载荷包括数据包序号n、相对时间戳T和采集数据。
其中，所述数据包序号n为每次发送数据包的序号，自同步采集开始计数，首次待发送的数据包编号为0，依此累计，将每次发送数据包序号在发送前加入到预留的数据包序号位置随数据包一起发送。所述相对时间戳T为同步采集开始后所记录的节点本地时间，在每个数据包中的首个AD转换数据(采样点)中断触发时记录此时的本地时间数值，将所述本地时间数值加入到预留的数据包相对时间戳位置随数据包一起发送。所述采集数据为AD转换所采样的监测数据，按照IEEE802.15.4协议标准，数据包的最大长度128字节，除去协议栈各层的帧头、帧尾和控制信息，有效数据载荷长度为80字节左右，若采用16位AD采样精度，则每个数据包的采集数据部分最多可包含40个采样点。
所述包尾为帧校验序列(FCS)。
如图3为本实施例相对时间柔性优化的示意图。其中，符号“Δ”代表当前数据包的相对时间戳是在该数据包发送前做了时间同步更新的，一旦出现同步前末处数据包时间戳大于同步后首处数据包时间戳，便对节点本次同步和上次同步之间的数据包的相对时间戳作柔性优化。如图，节点1的第n个数据包的相对时间戳和第(n+4)个数据包的相对时间戳是做过时间同步的，假设第(n+4)个数据包的相对时间戳T1(n+4)小于第(n+3)个数据包的相对时间戳T1(n+3)，则开始对第n个数据包和第(n+4)个数据包之间的3组数据包的相对时间戳作柔性优化，采用一元线性回归算法，计算出柔性优化系数为
Figure G2010100289028D00071
对这3组数据包的相对时间戳作柔性优化后补偿值tc、td、te分别为
Figure G2010100289028D00073
Figure G2010100289028D00074
另外，节点2的第3个数据包丢了，网关根据数据包序号和相对时间戳可以确定丢包数据的位置。
图4为结构健康监测的无线传感器网络同步采集系统的框图。如图所示，一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集系统，包括时间同步模块110、数据包采集发送单元120以及同步采集时间信息确定单元130。所述时间同步模块110用于当通过时间同步信道收到网关发送的时间同步包时，获取发送时间戳和接收时间戳，根据所述发送时间戳和接收时间戳调整本地时间，完成时间同步。所述数据包采集发送单元120用于当收到网关广播发送的预同步采集命令，并到达所述预同步采集命令的同步采集预设开始时间时，清零本地时间，开始数据采集，将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号，并通过数据收发信道发送数据包至网关。所述同步采集时间信息确定单元130用于将所述同步采集预设开始时间作为同步采集开始的物理时间，根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，将相对时间加上所述物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (10)

1.一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，包括如下步骤：
当收到网关发送的时间同步包时，节点获取发送时间戳和接收时间戳，根据所述发送时间戳和接收时间戳调整本地时间，完成时间同步；
当节点收到网关广播发送的预同步采集命令，并到达所述预同步采集命令的同步采集预设开始时间时，网关将所述同步采集预设开始时间作为同步采集开始的物理时间，各节点清零本地时间，开始数据采集，将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号，并发送数据包至网关；以及
网关根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，将相对时间加上所述物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息。
2.如权利要求1所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，其特征在于，还包括：
通过状态转换判断节点在时间同步信道是否收到网关发送的时间同步包；
当未收到网关发送的时间同步包时，节点切换到数据收发信道。
3.如权利要求1所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，其特征在于，还包括：
判断节点是否收到网关广播发送的预同步采集命令；
当节点未收到网关广播发送的预同步采集命令时，各节点进入休眠状态，并周期性醒来接收时间同步包。
4.如权利要求1所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，其特征在于，所述数据采集的步骤通过中断方式触发进行。
5.如权利要求1所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，其特征在于，节点在各自的TDMA发送时隙发送数据包至网关。
6.如权利要求1所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，其特征在于，所述数据包通过数据收发信道在所述节点与所述网关之间收发。
7.如权利要求1所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，其特征在于，还包括：
网关对每个节点的相对时间作柔性优化时，排列好节点内的数据包先后，对齐节点间的数据包。
8.如权利要求1所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集方法，其特征在于，还包括：
网关对每个节点的相对时间作柔性优化后，节点切换数据收发信道至时间同步信道。
9.一种结构健康监测的无线传感器网络同步采集系统，包括：
时间同步模块，用于当收到网关发送的时间同步包时，获取发送时间戳和接收时间戳，根据所述发送时间戳和接收时间戳调整本地时间，完成时间同步；
数据包采集发送单元，用于当收到网关广播发送的预同步采集命令，并到达所述预同步采集命令的同步采集预设开始时间时，清零本地时间，开始数据采集，将采集的数据包中打入相对时间戳和数据包序号，并发送数据包至网关；以及
同步采集时间信息确定单元，用于将所述同步采集预设开始时间作为同步采集开始的物理时间，根据相对时间戳和数据包序号对每个节点的相对时间作柔性优化，将相对时间加上所述物理时间作为每个数据包的同步采集时间信息。
10.如权利要求9所述的结构健康监测的无线传感器网络同步采集系统，其特征在于，所述时间同步模块通过时间同步信道接收所述时间同步包，所述数据包采集发送单元通过数据收发信道发送所述数据包。
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