一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法图文百.docx

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一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法图文百

第41卷第1期2011年1月

东南大学学报（自然科学版）

JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY（NaturalScienceEdition）

Vol．41No．1Jan．2011

doi：

10．3969/j．issn．1001－0505．2011．01．006

一种无线传感器网络分布式连续数据

采集系统的同步方法

王

洋

袁慎芳

董晨华

吴

键

（南京航空航天大学智能材料与结构研究所，南京210016）

摘要：

提出多信道多基站架构构建无线传感器网络连续实时数据采集系统．采用异步时钟对命

令进行等间隔多次发送以保证命令的可靠传输；通过TDMA和CSMA/CA机制保障数据的实时可靠收集；基于异步时钟采集、多退少补机制以及节点功能单一化技术对采样点的时间间隔抖动进行优化；提出一种灵活轻量型的晶振漂移补偿机制消除分布式采集系统中独立晶振的累积漂移．经实验验证，本架构可以实现所有采集节点长期和连续地进行同时刻数据采集，并且实时地将采集数据传输给监控中心．

关键词：

无线传感器网络；晶振漂移；同步信道

中图分类号：

TP393文献标志码：

A文章编号：

1001－0505（2011）01-

0025-06Synchronousmethodofwirelesssensornetwork

fordistributedcontinuousdataacquisitionsystem

WangYang

YuanShenfang

DongChenhua

WuJian

（TheAeronauticKeyLaboratoryofSmartMaterialandStructure，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China）

Abstract：

Themultiplechannelsandmultiplestationsarchitectureforwirelesssensornetworkcon-tinuousreal-timedataacquisitionsystemwaspresented．Toensurereliabletransferofcommands，

asynchronousclockwasadoptedtoissueorderrespectivelywithequalinterval．Basedontimedivi-sionmultipleaccessandcarriersensemultipleaccesswithcollisionavoidancemechanism，reliableandreal-timedatawascollected．Basedonasynchronousclockcollection，plus-minusaveragemech-anism，aswellassinglefunctionofthenode，thejitterofsamplingintervalswasoptimized．Aflexi-bleandlightweightcrystaloscillatordriftcompensationmethodwasproposedtoeliminatetheinde-pendentcrystaloscillatoraccumulateddriftofthedistributedacquisitionsystem．Experimentswere

conductedtoverifytheabovemechanism．Thisarchitecturecanachieveallthenodesthataresyn-chronouslytosampledata，andreal-timetotransferdatatothemonitoringcenter．

Keywords：

wirelesssensornetwork；crystaloscillatordrift；synchronouschannel收稿日期：

2010-07-16．作者简介：

王洋（1985—），男，硕士生；袁慎芳（联系人），女，博士，教授，博士生导师，ysf@nuaa．edu．cn．基金项目：

国家自然科学基金资助项目（60772072，50830201）、国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2007AA03Z117）．

引文格式：

王洋，袁慎芳，董晨华，等．一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法［J］

．东南大学学报：

自然科学版，2011，41

（1）：

25

30．［doi：

10．3969/j．issn．1001－0505．2011．01．006］

无线传感网络是由大量依据特定通讯协议和可

进行相互通信的无线传感器节点组成的网络［1］

．无线传感网络综合传感器技术、嵌入式计算机技术、通信技术、电源技术等，可以使人们在任何时间、地点和环境下获得较为详细、可靠的信息．

分布式数据采集系统广泛应用于船舶、飞机等

采集数据多、

实时性要求高的场合．无线传感器网络提供了很好的智能化分布式监测网络，为实现高效率、低重量、智能化的分布式数据采集系统提供了手段．以航空结构强度试验系统为例，目前，航空结构强度试验普遍存在应变测量点多、规模大等特点，造成其试验系统引线复杂、附加重量大．此外，

试验系统的智能化、网络化程度不高，造成试验效

率不高

［2］

．采用无线传感器网络将减少器件引线数量，从而降低由于增加测试系统导致的结构重量

的增加；无线传感器可方便地安装于结构形状复杂、不便于引线的部位；同时，无线传感网络可以显著降低试验系统的成本

［4］

．

本文提出一种无线传感器网络实时连续数据采集系统的同步测试方法，给出了连续数据采集系统中时间同步、命令可靠传输、数据实时可靠收集、网络吞吐量提升等核心问题的解决方案．

1分布式数据采集系统的整体构架

分布式连续数据采集系统中采集通道数目多，

各采集通道需同步采集，采集数据需实时传输给监

控中心．南京航空航天大学研制的无线应变节点

［4］包含4路应变采集通道，以构建N路采集通道．以每个通道每秒M次应变采集的航空结构强度试验系统为例，

此时整个系统需N/4个采集节点．节点的处理器选择MSP430芯片，该节点采用10位AD对数据进行转换，每个通道采集8次，产生数据段为8ˑ4ˑ16bit=512bit，将该数据段与一些必要信息按IEEE802.15.4标准［6］进行封装后产生648bit的数据包，

通过节点的射频模块CC2420发送给基站节点．基站节点负责将网络中收集的数据包通过串口提交给监控中心，

整个系统需要提交的数据量有（N/4）ˑ（M/8ˑ648）bit/s．

本文取N=320以满足航空结构强度试验应变采集通道多的要求，取M=32以满足航空结构强度试验所需的应变采样频率要求，即整个系统需80个采集节点．采集节点产生数据包的间隔为1s/32ˑ8=0.25s．如图1所示，采集节点同步采集导致节点同时产生数据包，采用时分多址接入（TDMA）机制对节点产生的数据进行发送．如图2所示，采用单信道单基站架构构建试验系统，每个节点以各自地址获得一个独立的数据发送时隙0.25s/80=3.125ms．IEEE802.15.4标准支持250kbit/s的数据速率，该时隙很难实现数据包通过无线信道发送给基站节点，再通过基站节点利用串口可靠地传输给监控中心

．

图1

基于节点地址的TDMA

机制

图2

单信道单基站架构示意图

根据上述问题，提出基于IEEE802.15.4标准的多信道多基站架构构建试验系统．如图3所示，采用10个数据信道，每个信道由8个采集节点和一个基站节点构成星型网络，每个基站节点接收该信道中8个采集节点的数据，并将数据实时提交给监控中心，每个数据信道产生的数据达（32/4）ˑ（32/8ˑ648）bit/s=20.736kbit/s，可以采用57600波特率的串口速度．由于不同信道中的数据不产生碰撞，此时每个采集节点的发送时隙为0.25/80=31.25ms，该时隙使数据包传输成功率得到较大提高

．

图3多信道多基站架构示意图

同时，多信道多基站架构需对位于不同数据信道的采集节点进行时间同步．引入同步信道对位于不同信道节点的同步采集提供支持；引入管理节点负责在网络初始时在同步信道发送开始命令，并且在网络工作过程中周期地切换到不同的数据信道发送同步消息，对采集节点的同步采集提供支持．

2

采样时刻的一致性

2.1

初次采集的同时性

若2个采集节点同处在一个发送节点的通信

范围内，且收到了该节点发送的同一消息，即可以

认为两者收到该消息的时刻是相同的［1］

．在网络

开始正常工作前，所有采集节点位于同步信道，采

集节点在接收到命令后并不立即执行命令，而是根

据接收命令的序列号启动时钟，所以需要保证管理节点等间隔地将命令发送到同步信道上．本文利用节点处理器MSP430中定时器B的一个独立的比较通道等间隔地触发中断，并在该中断服务中完成命令的发送，采集节点接收到包含命令包序列的开始采集命令包后，切换到各自数据信道上，完成相应的延时后，同时刻进行初次采集．2.2

采样点时间间隔的一致性

无论节点处理器位于何种工作模式，外部晶振可以连续稳定工作，节点定时器B的时钟源来自外部晶振，周期为32768Hz，时钟分辨率为30.5μs，本文基于定时器B来构建采集触发点，要求采样频率为32Hz，即每（1s/32）/30.5μs=1024个时钟周期采集一次，

采样点的时间间隔对应定时器的计数差值．如果这个差值等于采样周期对应的计数差值（1024），说明采样点的时间间隔具有一致性．

本系统采用的软件平台是基于TinyOS操作

系统实现的IEEE802.15.4标准

［6］

．TinyOS采用事件驱动机制，硬件中断中触发的事件称为异步事

件，

任务中触发的事件称为同步事件，异步事件和同步事件之间通过投递任务来连接．投递任务进入一个先进先出的队列，任务之间不可以相互抢占．任务之间的不可抢占和禁止中断的语句使采集操作不能及时获得处理器的控制权，导致采样点的时间间隔产生抖动．为此，本文引入如下方法对采样点时间间隔抖动进行优化：

1）利用多退少补机制对抖动进行平均．对采样点的时间间隔对应的定时器的计数差值进行记录，如本次的计数差值是1030，那么设置下次的计数差值就是1018，即保证定时器的计数差值平均是1024．

2）定时器中断．如果在此中断服务程序中投递了采集任务，那么通过任务中的同步事件告知上层进行采集，则称为同步时钟采集，此时，任务之间的不可抢占和禁止中断的程序会使采集触发延迟；如果在此中断服务程序中通过异步事件告知上层启动采集，则称为异步时钟采集，此时，只有禁止中断的程序会使采集触发延迟．本文利用MSP430中定时器B的一个独立比较通道构建异步时钟采集，比较通道的中断标志位为该异步时钟所私有，不仅可以减少采样点的时间间隔的抖动，而且可以保证采集稳定触发．

3）本文引入节点功能单一化机制，消除或减少采集节点中禁止中断的程序，进而优化采样点的

时间间隔抖动．首先，引入地址识别机制，CC2420包含硬件地址识别功能，节点初始化时，处理器会将该节点的地址写入到CC2420的寄存器中．如果启动地址识别功能，

CC2420对所接收数据包中的地址段进行硬件识别，如果不是发送给本节点的数据包，

CC2420不会使得节点的处理器外部中断脚触发中断，进而减少节点的微处理器对无用包的处理工作．其次，本文保留用以实现冲突避免载波多路侦听访问（CSMA/CA）机制的退避单元时刻点触发，裁剪其他用以维护IEEE802.15.4标准的时刻触发点，

进一步提高节点功能的单一化．3独立晶振漂移的消除

晶振具有频率漂移特性，对于有多个采集终端

的分布式系统，如果仅仅在系统启动时进行一次同步，数据的同步传输将会随着系统运行时间的增长而失步．考虑漂移：

即使各采集节点采样点的时间间隔对应的定时器计数差值都为1024，但各采集节点采集的触发时刻仍有偏差，

且偏差会产生累积．如2个精度为10ˑ106

的晶振，

1h累积偏差可达20μsˑ60ˑ60=72ms．此外，本文采用TDMA发送机制，当累积漂移使2个节点发送时刻重叠时，数据包发送将产生碰撞，此时采集节点的采集时刻点偏差早已脱离试验系统要求．

鉴于此，必须引入同步机制以消除不同节点之间的晶振漂移．本系统属于连续实时数据采集系统，

采集节点需要完成采集、数据发送和同步3种工作，

所以为了尽可能减少采集节点产生的任务，必须选择一个灵活、轻量型的同步机制．目前，文献［9］提出的同步机制大部分是基于一些较为复杂的同步算法，需要节点之间进行消息的交互，这些机制使得节点的任务量增多，并且算法复杂，使采集时刻触发点产生偏差的概率增多．

延迟测量时间同步（delaymeasurementtimesynchronization，DMTS）机制［10］基于同步消息在传输路径上所有延迟的估计，

实现时间同步．该机制改进了时间标签的获取方法，去除发送端的处理延迟和MAC层的访问延迟，但是，需要对一些延迟进行估计．本文将该机制与连续采集结合，提出晶振漂移阵痛消除（painstoeliminatecrystaldrift，PECD）机制来消除连续采集过程中的晶振漂移累积．由于PECD机制通过2个同步消息之间的关系，且与连续采集的时刻触发点相结合，所以不需要对数据发送过程中的延迟进行估计．

3.1

晶振漂移阵痛消除机制

本文以管理节点的计数器差值为参考来消除晶振所导致的不同漂移．所有采集节点收到同步消息后，在下次采集触发（TNST表示下次采集触发时计数器值）的服务程序中对下下次采集触发的计数器值进行设置，使得表征2个同步消息到达的这段时间间隔的计数器差值与管理节点一致．本系统属于单跳传输，数据在空气中传播延迟微小，所以本文忽略该段延迟的偏差．

系统收到第1次同步消息时要做首次调整，解决命令采集与真实采集之间的不一致问题．如图4所示，管理节点在命令包发送给射频模块前读出管

理节点的计数器值T01，T01放入命令包中，采集节

点收到命令包时读出采集节点的计数器值T11，

采集节点在第1次触发采集的时刻读出计数器值T21．同理，得到同步消息发送过程中的时间标签T02和T12．从初次采集到第1次收到同步消息这段时间，采集节点对应的计数器差值为

T1=T12－T21

（1）同时，管理节点对应的计数器差值为

T0=T02+NT－T31

（2）

式中，

T31表示采集节点初次采集时刻对应的管理节点计数器值；N表示同步消息大小；T表示射频芯片发送每比特所需要的时间．晶振漂移使得管理节点和采集节点表征的该段时间的计数器差值T0与T1不等

．

图4第1次同步消息到来时的PECD机制

管理节点和采集节点都采用相同类型的外部晶振，

由于晶振的周期偏差微小，因此本文假设采集节点收到命令到开始采集这段时间很短，管理节点和采集节点定时器计数差值相等，即

T21－T11=T31－（T01+MT）

（3）

本文规定命令包大小M和同步消息大小N相同，则管理节点第1次时间间隔对应的计数器差值为

T0=T02+NT－（T21－T11+（T01+NT））=

T02－T01－（T21－T11）

（4）

本文假设：

管理节点也是每隔1024个计数器差值触发一次采集，晶振漂移使得采集节点与管理节点的采集触发点产生了偏差．由分析可知，第1次同步消息到达时累积的偏差为T0－T1，考虑到同步消息到达的不确定性，采用在采集节点下次采集触发的服务程序中设置下下次采集触发所要求的计数器值来一次性消除累积偏差，即下次触发到来时设置下下次触发时刻的计数器值为TNST+1024－T0－T1．

连续采集时，管理节点周期地发送同步消息消除累积漂移．如图5所示，管理节点在同步消息到达射频模块时读出当前计数器值，

管理节点表征的2次同步消息的时间间隔对应的计数器差值为

T0=T02－T01（5）采集节点收到同步消息时读出采集节点的计

数器值，采集节点表征的2次同步消息的时间间隔

对应的计数器差值为

T1=T12－T11=T12－NT－（T11－NT）

（6）

晶振漂移使采集节点与管理节点的采集触发

点产生了偏差，分析可知，T0－T1表征了2个同步消息时间间隔内累积的偏差，即

T0－T1=T02－T01－（T12－T11）

（7）

则采集节点下次采集触发的服务程序中设置下下次采集触发时的计数器值为TNST+1024－T0－T1．该机制消除了累积的偏差，保证采集节点的计数器差值和相应的参考节点计数器差值相同

．

图5基于2个同步消息时间间隔的PECD机制

3.2

晶振漂移阵痛消除机制优点

综上所述，

PECD机制对连续数据采集系统中不同节点的晶振漂移偏差进行消除的优点如下：

①没有引入乘除运算和递归算法，所用的操作只

82东南大学学报（自然科学版）第41卷

是读出计数器值，完成一些加减运算，是一个轻量

型的机制．②同步消息的周期不要求准确，

该机制调整一段时间的累积漂移．采集节点可使用任意2个同步消息来与管理节点的参考时钟保持同步．该同步周期可以视系统对累积漂移的忍受程度而

具体设定，

是一个灵活型的机制．4实验验证

按照上述机制构建实验系统，如图6所示．采

集节点在采集触发时通过指令访问该节点的定时器，读取采集节点计数器值，用2次采集触发时刻之间的计数器差值替代数据包中的数据段．基站节点将各采集节点按照TDMA方式发送来的数据通过串口转发给监控中心，监控中心对数据包进行保存，通过对数据包中相应数据段进行读取可以得到各叶子节点2次采集触发时刻之间的计数器差值

．

图6实验系统图

图7表示采用异步时钟采集，利用固定值触发

采集所获得的采样点时间间隔对应的计数器差值．本文截取了一段包含1000个点的计数器差值序列，在该段序列中最低点为1034，最高点为1192．利用固定值触发采集将引入延迟，并且这些采集延迟得不到补偿，累积延迟将使得采集节点对应采集时刻出现累积偏差

．

图7固定计数器差值触发采集

为此，本文设置新触发时刻点以补偿采集时刻点的偏差．如图8所示，利用多退少补机制及异步时钟采集技术使得采样点的时间间隔的计数器差

值保证平均为1024，

但是在该段序列中采集延迟既有很小也有较大的情况．分析可知，没有采用节点功能单一化机制时，采集节点会接收其他节点的数据包，当数据包到达MAC层后才会被丢弃．采集节点对其他采集节点发送的数据包的响应过程

被禁止中断的程序封装，

当采集触发时遇到禁止中断的程序，采集触发即被延迟

．

图8节点没有使用功能单一化机制

鉴于此，本文引入节点功能单一化机制后得到图9．由图可见，由于各采集节点不接收网络中其

他采集节点的数据包，

使得禁止中断的程序大量减少，得到的采样点时间间隔的计数器差值与理想差值（1024）有正负3的偏差，即183μs，与采样周期

之间的偏差为6/1024=0.586%．但是，

通过实验发现系统运行一段时间后碰撞现象大量产生，丢包严重．即使各节点采样点的时间间隔对应的定时器计数差值都是1024，各节点采集的触发时刻仍然有偏差，且偏差累积

．

图9

引入节点漂移消除机制的情况

采集节点收到同步消息时，得到管理节点表征的两同步消息间隔的计数器值T0，同时得到采集节点表征的计数器值T1，将计数器差值T0－T1放

入包中传输给基站节点得图10，采集到4ˑ104点时，累积偏差最高达791ˑ30.5μs=24.1255ms，由于每秒32个数据点，即每秒该节点与参考节点有19.3μs的偏差．

9

2第1期王洋，等：

一种无线传感器网络分布式连续数据采集系统的同步方法

30东南大学学报（自然科学版）第41卷差控制在183μs范围内；单数据信道吞吐量可以稳定达到20.736kbit/s．本文还有些关键问题有待解决：

①各数据信道的数据是通过串口传输给监控中心的，串口数量和串口速度都是该系统的瓶颈；②目前系统的覆盖范围不足，需要研究如何将这些机制引入到两跳或多跳的监测网络中．图10漂移累积图参考文献（References）［1］于宏毅，李鸥，张效义．无线传感网络理论、技术与实M］．北京：

国防工业出版社，2008．现［［2］KimS，PakzadS，CullerD，etal．Healthmonitoringofcivilinfrastructuresusingwirelesssensornetworks［C］//Proceedingsofthe6thInternationalConferenceonInformationProcessinginSensorNetworks．Cambridge，MA，USA，2007：

254263．［3］SpencerBF，YunChungBang．Wirelesssensoradvancesandapplicationsforcivilinfrastructuremonitoring，NSEL023［R］．Urbana，IL，USA：

DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineeringofUniversityofIllinoisatUrbanaChampaign，2010．［4］YuanSF，LaiXS，ZhaoX，etal．Distributedstructuralhealthmonitoringsystembasedonsmartwirelesssensorandmultiagenttechnology［J］．SmartMaterStruct，2006，15

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18．［5］WuJ，YuanSF，ZhouGY，etal．DesignandevaluationofawirelesssensornetworkbasedaircraftstrengthJ］．Sensors，2009，9（6）：

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