1、第41卷第1期2011年1月東南大學學報（自然科學版）JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY （Natural Science Edition ）Vol41No1Jan2011doi ：103969/jissn10010505201101006一種無線傳感器網絡分布式連續數據采集系統的同步方法王洋袁慎芳董晨華吳鍵（南京航空航天大學智能材料與結構研究所，南京210016）摘要：提出多信道多基站架構構建無線傳感器網絡連續實時數據采集系統采用異步時鐘對命令進行等間隔多次發送以保證命令的可靠傳輸；通過TDMA 和CSMA /CA機制保障數據的實時可靠收集；基于異步時鐘采集、多退

2、少補機制以及節點功能單一化技術對采樣點的時間間隔抖動進行優化；提出一種靈活輕量型的晶振漂移補償機制消除分布式采集系統中獨立晶振的累積漂移經實驗驗證，本架構可以實現所有采集節點長期和連續地進行同時刻數據采集，并且實時地將采集數據傳輸給監控中心關鍵詞：無線傳感器網絡；晶振漂移；同步信道中圖分類號：TP393文獻標志碼：A 文章編號：10010505（2011）01-0025-06Synchronous method of wireless sensor networkfor distributed continuous data acquisition systemWang YangYuan Sh

3、enfangDong ChenhuaWu Jian（The Aeronautic Key Laboratory of Smart Material and Structure ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：The multiple channels and multiple stations architecture for wireless sensor network con-tinuous real-time data acquisition sys

4、tem was presentedTo ensure reliable transfer of commands ，asynchronous clock was adopted to issue order respectively with equal intervalBased on time divi-sion multiple access and carrier sense multiple access with collision avoidance mechanism ，reliable and real-time data was collectedBased on asyn

5、chronous clock collection ，plus-minus average mech-anism ，as well as single function of the node ，the jitter of sampling intervals was optimizedA flexi-ble and lightweight crystal oscillator drift compensation method was proposed to eliminate the inde-pendent crystal oscillator accumulated drift of

6、the distributed acquisition systemExperiments wereconducted to verify the above mechanismThis architecture can achieve all the nodes that are syn-chronously to sample data ，and real-time to transfer data to the monitoring centerKey words ：wireless sensor network ；crystal oscillator drift ；synchronou

7、s channel 收稿日期：2010-07-16作者簡介：王洋（1985），男，碩士生；袁慎芳（聯系人），女，博士，教授，博士生導師，ysfnuaaeducn基金項目：國家自然科學基金資助項目（60772072，50830201）、國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2007AA03Z117）引文格式：王洋，袁慎芳，董晨華，等一種無線傳感器網絡分布式連續數據采集系統的同步方法J 東南大學學報：自然科學版，2011，41（1）：2530doi ：103969/jissn10010505201101006無線傳感網絡是由大量依據特定通訊協議和可進行相互通信的無線傳感器節點組成的網絡1無

8、線傳感網絡綜合傳感器技術、嵌入式計算機技術、通信技術、電源技術等，可以使人們在任何時間、地點和環境下獲得較為詳細、可靠的信息分布式數據采集系統廣泛應用于船舶、飛機等采集數據多、實時性要求高的場合無線傳感器網絡提供了很好的智能化分布式監測網絡，為實現高效率、低重量、智能化的分布式數據采集系統提供了手段以航空結構強度試驗系統為例，目前，航空結構強度試驗普遍存在應變測量點多、規模大等特點，造成其試驗系統引線復雜、附加重量大此外，試驗系統的智能化、網絡化程度不高，造成試驗效率不高2 采用無線傳感器網絡將減少器件引線數量，從而降低由于增加測試系統導致的結構重量的增加；無線傳感器可方便地安裝于結構形狀復雜

9、、不便于引線的部位；同時，無線傳感網絡可以顯著降低試驗系統的成本4本文提出一種無線傳感器網絡實時連續數據采集系統的同步測試方法，給出了連續數據采集系統中時間同步、命令可靠傳輸、數據實時可靠收集、網絡吞吐量提升等核心問題的解決方案1分布式數據采集系統的整體構架分布式連續數據采集系統中采集通道數目多，各采集通道需同步采集，采集數據需實時傳輸給監控中心南京航空航天大學研制的無線應變節點4包含4路應變采集通道，以構建N 路采集通道以每個通道每秒M 次應變采集的航空結構強度試驗系統為例， 此時整個系統需N /4個采集節點節點的處理器選擇MSP430芯片，該節點采用10位AD 對數據進行轉換，每個通道采集

10、8次，產生數據段為8 4 16bit =512bit ，將該數據段與一些必要信息按IEEE802. 15. 4標準6進行封裝后產生648bit 的數據包，通過節點的射頻模塊CC2420發送給基站節點基站節點負責將網絡中收集的數據包通過串口提交給監控中心，整個系統需要提交的數據量有（N /4） （M /8 648）bit /s本文取N =320以滿足航空結構強度試驗應變采集通道多的要求，取M =32以滿足航空結構強度試驗所需的應變采樣頻率要求，即整個系統需80個采集節點采集節點產生數據包的間隔為1s /32 8=0. 25s如圖1所示，采集節點同步采集導致節點同時產生數據包，采用時分多址接入（T

11、DMA ）機制對節點產生的數據進行發送如圖2所示，采用單信道單基站架構構建試驗系統，每個節點以各自地址獲得一個獨立的數據發送時隙0. 25s /80=3. 125msIEEE802. 15. 4標準支持250kbit /s的數據速率，該時隙很難實現數據包通過無線信道發送給基站節點，再通過基站節點利用串口可靠地傳輸給監控中心 圖1基于節點地址的TDMA機制圖2單信道單基站架構示意圖根據上述問題，提出基于IEEE802. 15. 4標準的多信道多基站架構構建試驗系統如圖3所示，采用10個數據信道，每個信道由8個采集節點和一個基站節點構成星型網絡，每個基站節點接收該信道中8個采集節點的數據，并將數據

12、實時提交給監控中心，每個數據信道產生的數據達（32/4） （32/8 648）bit /s=20. 736kbit /s，可以采用57600波特率的串口速度由于不同信道中的數據不產生碰撞，此時每個采集節點的發送時隙為0. 25/80=31. 25ms ，該時隙使數據包傳輸成功率得到較大提高圖3多信道多基站架構示意圖同時，多信道多基站架構需對位于不同數據信道的采集節點進行時間同步引入同步信道對位于不同信道節點的同步采集提供支持；引入管理節點負責在網絡初始時在同步信道發送開始命令，并且在網絡工作過程中周期地切換到不同的數據信道發送同步消息，對采集節點的同步采集提供支持2采樣時刻的一致性2. 1初次

13、采集的同時性若2個采集節點同處在一個發送節點的通信范圍內，且收到了該節點發送的同一消息，即可以認為兩者收到該消息的時刻是相同的1在網絡開始正常工作前，所有采集節點位于同步信道，采集節點在接收到命令后并不立即執行命令，而是根據接收命令的序列號啟動時鐘，所以需要保證管理節點等間隔地將命令發送到同步信道上本文利用節點處理器MSP430中定時器B 的一個獨立的比較通道等間隔地觸發中斷，并在該中斷服務中完成命令的發送，采集節點接收到包含命令包序列的開始采集命令包后，切換到各自數據信道上，完成相應的延時后，同時刻進行初次采集2. 2采樣點時間間隔的一致性無論節點處理器位于何種工作模式，外部晶振可以連續穩定

14、工作，節點定時器B 的時鐘源來自外部晶振，周期為32768Hz ，時鐘分辨率為30. 5s ，本文基于定時器B 來構建采集觸發點，要求采樣頻率為32Hz ，即每（1s /32）/30.5s =1024個時鐘周期采集一次，采樣點的時間間隔對應定時器的計數差值如果這個差值等于采樣周期對應的計數差值（1024），說明采樣點的時間間隔具有一致性本系統采用的軟件平臺是基于TinyOS 操作系統實現的IEEE802. 15. 4標準6TinyOS 采用事件驅動機制，硬件中斷中觸發的事件稱為異步事件，任務中觸發的事件稱為同步事件，異步事件和同步事件之間通過投遞任務來連接投遞任務進入一個先進先出的隊列，任務之

15、間不可以相互搶占任務之間的不可搶占和禁止中斷的語句使采集操作不能及時獲得處理器的控制權，導致采樣點的時間間隔產生抖動為此，本文引入如下方法對采樣點時間間隔抖動進行優化：1）利用多退少補機制對抖動進行平均對采樣點的時間間隔對應的定時器的計數差值進行記錄，如本次的計數差值是1030，那么設置下次的計數差值就是1018，即保證定時器的計數差值平均是10242）定時器中斷如果在此中斷服務程序中投遞了采集任務，那么通過任務中的同步事件告知上層進行采集，則稱為同步時鐘采集，此時，任務之間的不可搶占和禁止中斷的程序會使采集觸發延遲；如果在此中斷服務程序中通過異步事件告知上層啟動采集，則稱為異步時鐘采集，此時

16、，只有禁止中斷的程序會使采集觸發延遲本文利用MSP430中定時器B 的一個獨立比較通道構建異步時鐘采集，比較通道的中斷標志位為該異步時鐘所私有，不僅可以減少采樣點的時間間隔的抖動，而且可以保證采集穩定觸發3）本文引入節點功能單一化機制，消除或減少采集節點中禁止中斷的程序，進而優化采樣點的時間間隔抖動首先，引入地址識別機制，CC2420包含硬件地址識別功能，節點初始化時，處理器會將該節點的地址寫入到CC2420的寄存器中如果啟動地址識別功能，CC2420對所接收數據包中的地址段進行硬件識別，如果不是發送給本節點的數據包，CC2420不會使得節點的處理器外部中斷腳觸發中斷，進而減少節點的微處理器對

17、無用包的處理工作其次，本文保留用以實現沖突避免載波多路偵聽訪問（CSMA /CA）機制的退避單元時刻點觸發，裁剪其他用以維護IEEE802. 15. 4標準的時刻觸發點，進一步提高節點功能的單一化3獨立晶振漂移的消除晶振具有頻率漂移特性，對于有多個采集終端的分布式系統，如果僅僅在系統啟動時進行一次同步，數據的同步傳輸將會隨著系統運行時間的增長而失步考慮漂移：即使各采集節點采樣點的時間間隔對應的定時器計數差值都為1024，但各采集節點采集的觸發時刻仍有偏差，且偏差會產生累積如2個精度為10 106的晶振，1h 累積偏差可達20s 60 60=72ms此外，本文采用TDMA 發送機制，當累積漂移使

18、2個節點發送時刻重疊時，數據包發送將產生碰撞，此時采集節點的采集時刻點偏差早已脫離試驗系統要求鑒于此，必須引入同步機制以消除不同節點之間的晶振漂移本系統屬于連續實時數據采集系統，采集節點需要完成采集、數據發送和同步3種工作，所以為了盡可能減少采集節點產生的任務，必須選擇一個靈活、輕量型的同步機制目前，文獻9提出的同步機制大部分是基于一些較為復雜的同步算法，需要節點之間進行消息的交互，這些機制使得節點的任務量增多，并且算法復雜，使采集時刻觸發點產生偏差的概率增多延遲測量時間同步（delay measurement time synchronization ，DMTS ）機制10基于同步消息在傳輸

19、路徑上所有延遲的估計，實現時間同步該機制改進了時間標簽的獲取方法，去除發送端的處理延遲和MAC 層的訪問延遲，但是，需要對一些延遲進行估計本文將該機制與連續采集結合，提出晶振漂移陣痛消除（pains to eliminate crystal drift ，PECD ）機制來消除連續采集過程中的晶振漂移累積由于PECD 機制通過2個同步消息之間的關系，且與連續采集的時刻觸發點相結合，所以不需要對數據發送過程中的延遲進行估計3. 1晶振漂移陣痛消除機制本文以管理節點的計數器差值為參考來消除晶振所導致的不同漂移所有采集節點收到同步消息后，在下次采集觸發（T NST 表示下次采集觸發時計數器值）的服務

20、程序中對下下次采集觸發的計數器值進行設置，使得表征2個同步消息到達的這段時間間隔的計數器差值與管理節點一致本系統屬于單跳傳輸，數據在空氣中傳播延遲微小，所以本文忽略該段延遲的偏差系統收到第1次同步消息時要做首次調整，解決命令采集與真實采集之間的不一致問題如圖4所示，管理節點在命令包發送給射頻模塊前讀出管理節點的計數器值T 01，T 01放入命令包中，采集節點收到命令包時讀出采集節點的計數器值T 11，采集節點在第1次觸發采集的時刻讀出計數器值T 21同理，得到同步消息發送過程中的時間標簽T 02和T 12從初次采集到第1次收到同步消息這段時間，采集節點對應的計數器差值為T 1=T 12T 21

21、（1）同時，管理節點對應的計數器差值為T 0=T 02+NT T 31（2）式中，T 31表示采集節點初次采集時刻對應的管理節點計數器值；N 表示同步消息大小；T 表示射頻芯片發送每比特所需要的時間晶振漂移使得管理節點和采集節點表征的該段時間的計數器差值T 0與T 1不等 圖4第1次同步消息到來時的PECD 機制管理節點和采集節點都采用相同類型的外部晶振，由于晶振的周期偏差微小，因此本文假設采集節點收到命令到開始采集這段時間很短，管理節點和采集節點定時器計數差值相等，即T 21T 11=T 31（T 01+MT ）（3）本文規定命令包大小M 和同步消息大小N 相同，則管理節點第1次時間間隔對應

22、的計數器差值為T 0=T 02+NT （T 21T 11+（T 01+NT ）=T 02T 01（T 21T 11）（4）本文假設：管理節點也是每隔1024個計數器差值觸發一次采集，晶振漂移使得采集節點與管理節點的采集觸發點產生了偏差由分析可知，第1次同步消息到達時累積的偏差為T 0T 1，考慮到同步消息到達的不確定性，采用在采集節點下次采集觸發的服務程序中設置下下次采集觸發所要求的計數器值來一次性消除累積偏差，即下次觸發到來時設置下下次觸發時刻的計數器值為T NST +1024T 0T 1連續采集時，管理節點周期地發送同步消息消除累積漂移如圖5所示，管理節點在同步消息到達射頻模塊時讀出當前計

23、數器值，管理節點表征的2次同步消息的時間間隔對應的計數器差值為T 0=T 02T 01（5）采集節點收到同步消息時讀出采集節點的計數器值，采集節點表征的2次同步消息的時間間隔對應的計數器差值為T 1=T 12T 11=T 12NT （T 11NT ）（6）晶振漂移使采集節點與管理節點的采集觸發點產生了偏差，分析可知，T 0T 1表征了2個同步消息時間間隔內累積的偏差，即T 0T 1=T 02T 01（T 12T 11）（7）則采集節點下次采集觸發的服務程序中設置下下次采集觸發時的計數器值為T NST +1024T 0T 1該機制消除了累積的偏差，保證采集節點的計數器差值和相應的參考節點計數器差

24、值相同 圖5基于2個同步消息時間間隔的PECD 機制3. 2晶振漂移陣痛消除機制優點綜上所述，PECD 機制對連續數據采集系統中不同節點的晶振漂移偏差進行消除的優點如下：沒有引入乘除運算和遞歸算法，所用的操作只82東南大學學報（自然科學版）第41卷是讀出計數器值，完成一些加減運算，是一個輕量型的機制同步消息的周期不要求準確，該機制調整一段時間的累積漂移采集節點可使用任意2個同步消息來與管理節點的參考時鐘保持同步該同步周期可以視系統對累積漂移的忍受程度而具體設定，是一個靈活型的機制4實驗驗證按照上述機制構建實驗系統，如圖6所示采集節點在采集觸發時通過指令訪問該節點的定時器，讀取采集節點計數器值，

25、用2次采集觸發時刻之間的計數器差值替代數據包中的數據段基站節點將各采集節點按照TDMA 方式發送來的數據通過串口轉發給監控中心，監控中心對數據包進行保存，通過對數據包中相應數據段進行讀取可以得到各葉子節點2次采集觸發時刻之間的計數器差值 圖6實驗系統圖圖7表示采用異步時鐘采集，利用固定值觸發采集所獲得的采樣點時間間隔對應的計數器差值本文截取了一段包含1000個點的計數器差值序列，在該段序列中最低點為1034，最高點為1192利用固定值觸發采集將引入延遲，并且這些采集延遲得不到補償，累積延遲將使得采集節點對應采集時刻出現累積偏差 圖7固定計數器差值觸發采集為此，本文設置新觸發時刻點以補償采集時刻

26、點的偏差如圖8所示，利用多退少補機制及異步時鐘采集技術使得采樣點的時間間隔的計數器差值保證平均為1024，但是在該段序列中采集延遲既有很小也有較大的情況分析可知，沒有采用節點功能單一化機制時，采集節點會接收其他節點的數據包，當數據包到達MAC 層后才會被丟棄采集節點對其他采集節點發送的數據包的響應過程被禁止中斷的程序封裝，當采集觸發時遇到禁止中斷的程序，采集觸發即被延遲 圖8節點沒有使用功能單一化機制鑒于此，本文引入節點功能單一化機制后得到圖9由圖可見，由于各采集節點不接收網絡中其他采集節點的數據包，使得禁止中斷的程序大量減少，得到的采樣點時間間隔的計數器差值與理想差值（1024）有正負3的偏

27、差，即183s ，與采樣周期之間的偏差為6/1024=0. 586%但是，通過實驗發現系統運行一段時間后碰撞現象大量產生，丟包嚴重即使各節點采樣點的時間間隔對應的定時器計數差值都是1024，各節點采集的觸發時刻仍然有偏差，且偏差累積 圖9引入節點漂移消除機制的情況采集節點收到同步消息時，得到管理節點表征的兩同步消息間隔的計數器值T 0，同時得到采集節點表征的計數器值T 1，將計數器差值T 0T 1放入包中傳輸給基站節點得圖10，采集到4 104點時，累積偏差最高達791 30. 5s =24. 1255ms ，由于每秒32個數據點，即每秒該節點與參考節點有19. 3s 的偏差92第1期王洋，等

28、：一種無線傳感器網絡分布式連續數據采集系統的同步方法30 東南大學學報（ 自然科學版） 第 41 卷 差控制在 183 s 范圍內； 單數據信道吞吐量可以 穩定達到 20. 736 kbit / s 本文還有些關鍵問題有待解決： 各數據信 道的數據是通過串口傳輸給監控中心的 ， 串口數量 和串口速度都是該系統的瓶頸； 目前系統的覆 蓋范圍不足， 需要研究如何將這些機制引入到兩跳 或多跳的監測網絡中 圖 10 漂移累積圖 參考文獻 （ References） 1 于宏毅， 李鷗， 張效義 無線傳感網絡理論、 技術與實 M 北京： 國防工業出版社， 2008 現 2 Kim S ，Pakzad S

29、 ，Culler D ，et al Health monitoring of civil infrastructures using w ireless sensor netw orks C/ / Proceedings of the 6 th International Conference on Information Processing in Sensor Networks Cambridge，M A ， USA ， 2007 ： 254 263 3 Spencer B F，Yun ChungBang Wireless sensor advances and applications

30、for civil infrastructure monitoring ，NSEL023R Urbana，IL ，USA ： Department of Civil and Environmental Engineering of University of Illinois at UrbanaChampaign， 2010 4 Yuan S F， Lai X S ， Zhao X ， et al Distributed structural health monitoring system based on smart w ireless sensor and multiagent tech

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