基于IEEE 802.11的无线传感器振动测量系统

文摘

无线传感网络已经成为一个重要的研究领域和各种新应用遥感预计将出现。应用前景之一是结构健康监测的建筑或土木工程结构,它通常需要振动测量。通过无线网络振动测量,时间同步是必不可少的。在本文中,我们介绍一种新开发的无线传感器网络时间同步系统。系统采用IEEE 802.11基于标准TSF-counter和发送测量数据与计数器的值。TSF同步使一致性基于共同的时钟在不同无线节点。我们考虑规模效应对同步精度和评估考虑到信标碰撞的影响。数值模拟的可伸缩性问题也进行了研究。本文还介绍了一种新开发的无线传感系统,介绍了硬件和软件规范。钢筋混凝土建筑的实验评价同步精度。 The developed system was also applied for a vibration measurement of a 22-story steel structured high rise building. The experimental results showed that the system performed more than sufficiently.

1。介绍

无线网络技术的快速发展和嵌入式传感器技术已经被集成到无线传感器网络和各种潜在应用预计将出现。在众多传感网络应用程序,尤其是有前途的一个是结构健康监测,监测结构的建筑和土木工程结构的健康(1]。由于测量对象(如桥梁和建筑通常是巨大的和安装非常长的信号电缆需要安装成本高。此外,长电缆走线信号易受环境噪音的腐败,因此无线数据传输是非常有益的。结构健康监测常常需要测量振动加速度和速度等数据。测量数据分析的模态分析方法得到共振频率、阻尼比和光谱响应(2]。

无线振动测量,时间同步是非常重要的因为模态分析的振动测量需要同时多点传感数据通常通过多次反射传播传送无线设备。由于排队过程和随机介质访问方法,随机数据传输延迟。因此,即使每个传感器节点获取数据并将它们发送完全相同的瞬间,数据的到达时间不匹配。为了避免它,接收到的数据需要调整,以保持一致性在一个共同的时间轴。因为当用于模态分析的数据,时间的差异可能会误解为相移。无线节点之间保持精确的时间一致性、时间同步是必不可少的。

在本文中,我们提出一种无线传感器网络系统的同步方法,利用基于IEEE 802.11的时间同步功能(TSF)。函数是一个机制同步的本地定时计数每一个无线设备,这是最初用于争用控制在无线节点。通过嵌入TSF计数器的值与测量数据,包一个可以解决的时间在接收机端倾斜问题。

在下一节中,我们简要回顾相关工作。部分3描述了影响振动感应延时引起的无线网络和表示时间同步的原因是必要的。部分4描述了一个定时同步信标传输的概率。也介绍了随机分析和仿真研究传感器网络的可伸缩性。节5我们描述一个新开发的无线传感系统和描述它的硬件和软件组件。节6、实验评价的时间同步精度和振动测量数据在高层建筑物。

2。相关的工作

时间同步的网络管理是必不可少的传输时间和避免浪费的碰撞,因此一些技术,如GPS、无线等被用来提供全球同步的网络。以gps同步提供非常精确的同步,然而它并不总是可用室内的地方(3]。在有线网络中,网络时间协议(NTP)已经被开发出来,它一直保持互联网的时钟的滴答声在阶段(4]。

RT-Link [5)使用基于割缝的媒体访问控制(MAC)迎宾,它采用独立的载波电流无线电装置室内时间同步。然而,载波电流是只允许在校园在美国,只要正常的FCC部分15。(6]伯克利MAC (B-MAC)支持载波监听多路访问(CSMA)与低功率倾听每个节点定期醒来后取样间隔和检查通道为短时间内活动。这些方法的主要问题是电池寿命,因为时间同步是其中最重要的因素来确定放射性,这直接影响电池的寿命。有很多研究时间同步,主要目的是为保护网络节点的电池能量。

与此同时,IEEE 802.11 [7)标准设备时间同步功能(TSF)默认情况下。我们建议利用函数同步节点来确定数据采样间隔和测量数据的时间戳。IEEE 802.11是一个事实上的标准的无线局域网,因此很容易获得和工业水平的可靠性。此外,调制采用直接序列频谱扩散(DS-SS)和正交频分复用(OFDM)提供鲁棒性对逐步和噪音。这些优势对RT-Link和伯克利Mote使用无线调制噪声敏感。

一些研究指出了可伸缩性问题在IEEE 802.11 TSF [8)和新协议如SATSF (9]和MATSF [10]提出了实现非常精确的时钟同步;然而他们仍然在研究层面上,而不是在市场上实现了产品。尽管当前802.11 TSF参与可伸缩性问题,这取决于应用程序的规模和精度的要求。我们的目标应用程序使用少于100节点和所需精度在1到10 mili-seconds。此外,由于无线技术的发展,同步误差利率降低,因此提高精度比较结果所示(8]。

我们做了基于仿真分析和验证,即使原来的802.11 TSF足够精确的振动测量。

3所示。无线网络上的时间延迟

通过无线网络数据传输需要一定的时间在流逝的时候发射机发送数据,当数据到达接收器。在建筑物的振动测量的应用,传感器通常需要被放置在建筑物的几个点在不同的楼层。一个测量站(主机)放置在特定的位置。在这种情况下,特别是在高层建筑物,每个传感器节点的无线电波不直接到达车站。因此,需要多次反射的网络路径,数据包传输中继的无线传感器节点。

因此,即使所有节点要发送的数据包在完全相同的时间,到达时间可能会有所不同。这一事实结果严重的问题当测量数据用于模态分析,因为时间延迟可能会导致意想不到的假模式。因此我们需要接收的数据的一致性维护共同的时间轴。

为了解决这个问题,我们建议将振动数据的时间戳的时候测量的数据。在主机电脑收到数据后,就可以重新安排在常见的基于时间戳的时间轴。这个过程是有效的前提是所有节点的时钟都匹配。然而,石英晶体振荡器的准确性受到许多因素如温度和电流或电压的变化11]。振荡器的频率稳定度用于电脑主要是(100 ppm)。不精确的100 ppm对应于一个1毫秒(10毫秒)误差在10秒,或一个18度为100 Hz振动相位误差。虽然建筑物的共振频率低(通常小于10 Hz), 1毫秒最快的时钟和时钟最慢的区别不仅仅是微不足道。因此,定期同步的时间同步是必不可少的和准确性的问题担忧。

4所示。同步问题的可伸缩性

4.1。基于IEEE 802.11的TSF机制和竞争的过程

同步的准确性是无线传感器网络最有关的问题。正如在前一节中所描述的,我们使用基于IEEE 802.11的TSF。基于IEEE 802.11的TSF同步时钟以随机的方式,也就是说,同步包含随机因素。因此,只能通过概率分析评估准确性。之前描述的详细分析,我们简要介绍了TSF机制。

假设有几个节点广播范围内,可以相互交流,形成独立的基本服务集(ibs)。每个节点蜱虫自己的TSF计数器(64位)1纳秒。肠易激综合症中的节点认为有权发送信标节点和一个或多个发送信标。在每个信标传输期间,几个插槽准备和每个节点随机分配到一定的位置如图1,没有。1或没有。2表示节点的数量。每个槽可能没有或一个或多个节点。在每个信标传输的开始时期,至少槽中的节点数量发送信标包含TSF计数器值。如果只存在一个节点槽,灯塔包(图发送成功1(一))和其他节点调整TSF计数器只有在收到TSF计数器的值是大于接收到的值。如果接收到的值越小,节点不调整自己的柜台。

另一方面,如果有两个或多个节点在同一位置如图1 (b),他们开始传输一个熏肉包在同一时间,因此,灯塔数据包碰撞和传输结果失败。如果失败了,第二至少槽中的节点数量传输灯塔。在图1 (b)# 1情况下,节点发送一个灯塔不碰撞。这些序列是重复的,只要有空仍然存在。这可能发生,没有成功的灯塔传输信标期间如图1 (d),他们需要等待下一个信标周期(通常100 mili-seconds之后)。

在图1例子中,我们假设5和7槽空间节点;但是我们很容易想象,成功的机会信标传输减少如果节点数量的增加,而槽的数量是有限的。成功率取决于节点和插槽的数量。因为槽分配是随机确定,基于概率理论的分析是必需的。

黄和Lia8]指出问题,显示同步误差分析和仿真结果。概率分析这篇论文提供了巨大的贡献;但是设备的规范已经过时了。例如,模拟固定为1 Mbps的码率,因为它当时的最大速度。

为了匹配当前技术和给未来的802.11的时间同步,我们分析可伸缩性的影响基于IEEE 802.11 a / b / g标准传感器。在以下,我们描述的概率基于理论公式信标传输的成功率。然后我们显示数值分析的结果在不同的比特率的情况下,调节和无线电台的数量。

4.2。成功的信标传输概率

在IEEE 802.11标准,插槽的数量和每个节点将传输灯塔之初的一个槽的最小竞争窗口是媒体。的价值31日在直接序列扩频(DSSS)和15在正交频分复用(OFDM)。

让我们假设灯塔的长度(一些),传输比特率(Mbps)和时间长度的槽(sec)整数槽数的灯塔获得(1),

在哪里也可以通过摘要的功能

一旦信标传输开始,其他节点需要安静的时间长度槽。如果信标传输失败,他们恢复倒计时退下定时器和争夺剩下的插槽。如果发生碰撞次系列和所有可用插槽是消耗,也就是说,对应的条件(2)成为真的,信标传输试验告吹了

如上所述,信标传输是不确定的,因此我们需要通过随机的方式来分析它。

首先,让我们确认一下信标传输成功的定义。我们定义一个信标传输成功如果至少有一个节点传输信标传输期间成功的灯塔。假设ibs由节点,让是最小的竞争窗口的两倍让至少一个的概率n在信标传输节点成功,然后是由递归公式所示(3):

第一项对应的概率事件,没有信标传输位置0,虽然是一个成功的灯塔传播窗口第二项对应,有一个成功的信标传输插槽0。第三项槽有成功传输的概率是0,但至少有一个信标传输窗口吗的公式所示(4):

在哪里中定义的组合数量(5):

4.3。数值分析信标传输的概率

基于公式所示(3)和(4)可以计算概率和请注意,根据调制类型有不同的价值,这是63年在OFDM DSSS和30。在IEEE std.建立无线网络,802.11和802.11 g使用OFDM和802.11 b使用DSSS。

中定义的(1基于比特率)(bps),灯塔的长度(位)和槽(秒)。这些参数的值和范围如表所示1。

802.11 g的槽时间是20 (sec)当802.11 b节点广播范围内,而纯粹的槽时间802.11 g网络是9 (秒)。灯塔的长度取决于包含信息的大小。例如,长度的服务设置ID 2和34个字节之间的长度支持利率和支持的扩展速率也变量。在仿真中,我们假定灯塔的长度是110字节,这才是真正的灯塔样机系统的大小。

用(4)(3)给出了递归方程使用边界条件计算出给定

数据2,3,4显示计算的结果的概率成功的信标传输速率横轴是比特率和每个情节展示了不同数量的节点。

图2是802.11 b的结果。图320是802.11 g的结果槽时间和图4是802.11 a / g 9的结果吗三个图表所示,利率增加更大的比特率。另一方面,利率随节点数的增长。结果表明,短槽的另一个方面时间恶化信标成功率中观察到的比较数据吗3和5与槽时间短(802.11 g)。这是因为的占用名额增加槽时间短或低比特率、和信标传输的可能性变得更小。

在802.11 a / g 9秒,会降到0.26 100个节点,即最小率结果。考虑这些结果,我们做了数值模拟对同步精度进行评估。

4.4。模拟对同步精度

TSF-based同步,一个节点接收到信标调整其TSF计数器的时间戳收到信标如果时间戳的值比节点的TSF柜台后。(需要注意的是,时钟只有前进,永不落后)。可能发送信标的机会是平等的,因此节点的时钟是最快很少获得机会,调整自己的时钟。因此,TSF的抵消(TSF计数器的顺从最快的节点和最慢的节点)之间变得大ibs中的节点数量的增加。

TSF的抵消也强烈地依赖于节点的配置部分。因此我们划分成两个配置情况。

案例1。范围内的所有节点存在,无线电波可以达到(图5(一个)),也就是说,每个节点可以直接发送信标到其他节点。

例2。所有节点都设置无线电波只能达到两个相邻节点(左、右节点)。图5 (b)说明了节点的分配。端到端通信只能通过多次反射继电器是可能的。

数值模拟建立了两个配置情况。此外,信标传输的概率,分析了在前面的小节中考虑1,而不是2。因为信标传输声称只有相邻节点2,信标传输速度总是近100%。

我们运行模拟假设TSF时钟频率均匀分布在±50 ppm灯塔间隔是假定为100毫秒。每个仿真试验进行对应180秒时间的流逝。在每个试验中,每个节点的TSF时钟速度是随机选择,试验的总数是1000次,这是足够大的数据融合。在仿真中,我们记录的最大偏移量对应的时钟速度最快和最慢的时钟之间的差异在每个间隔灯塔。(注意最慢的时钟并不意味着一个指定节点的时钟)。

图6显示的结果情况1模拟纯11 g(或802.11)与6 Mbps最小传输成功率。图6(一)是当节点的总数是5成功率0.969,图吗6 (b)的成功率0.924和图20节点6 (c)100个节点的情况下成功率0.262,cf。在图4。

如数据所示,时间同步的精度恶化随着节点数的增加。在5节点情况下,99.9%的数据保持不到3687年在20-node交会,428sec在100 -节点的情况。5节点的中值是620-node的情况下是15和75年证券交易委员会在100年的情况。

图7显示的结果情况2。图7(一)5个节点的情况下;图7 (b)20个节点和图吗7 (c)显示100 -节点的情况。5节点的平均价值14岁美国证券交易委员会,92证交会在20-node情况下,和475年sec在100 -节点的情况。在5节点情况下,99.9%的数据保持不到104美国证券交易委员会,303在20-node交会,1388sec在100 -节点的情况。

比较的结果情况1和2,菊花链配置等情况2在同步精度较低,尽管灯塔成功率不到30%。

在振动测量建筑或土木结构,无线设备分配可能情况下的混合物1和2。如图8,几个无线节点位于同一层,其中一个继电器数据包的节点不同的地板上。中继节点(案例2)位于楼梯区域。因为收音机力量减弱时传递一个钢筋混凝土地板,因此节点在不同的地板可以交流只能通过情况2中继节点。

目标同步精度保持在1毫秒。从仿真结果,同步精度保持即使节点总数不到100个节点。

5。无线测量系统的发展

我们开发了一个无线嵌入式测量系统可适用于振动测量。图9是一个振动测量系统的基本组件的照片由一个传感器节点,中继节点和主机电脑。传感器节点和中继节点有相同的结构。节点设备的大小(毫米)。无线节点的主要部件及其功能简要表所示2。A / D转换器已经16 ch单端输入和6 ch提供通过BNC千斤顶。的A / D采样率取决于测量对象。在建筑测量情况下,最多是100赫兹。它与数字滤波器进行了抽样,即使建筑物的共振频率小于10赫兹。节点的功耗通常是7.5 W。

在此系统中,传感器是不嵌入。因为振动传感使用各种传感器,如加速计或速度传感器根据建筑物的结构,分离的传感器和无线节点更多功能。

一个无线节点的操作系统(OS)是rt -,这是一个扩展的Linux实时操作系统。软件包括操作系统中实现一个闪存和内存也可以存储测量数据。对于无线设备我们使用IEEE 802.11 a / b / g标准无线网络接口卡的外部天线可以连接。

6。实验评价的同步精度

6.1。实验评价的同步精度

为了评估TSF-based同步,我们做了实验在一幢三层钢筋混凝土楼(图10)。众所周知,无线传输可能不会通过钢筋的钢筋混凝土,因为网盾的无线电波。因此,中继节点是不可或缺的。无线节点的配置在图中进行了描述11。我们使用三个无线节点的安排让两跳传输,即端到端通信数据包通过中继节点转发。有线信号线路连接到所有节点的引用目的和矩形波电压提供了生成硬件中断。每一时刻的电压方波的上升,一个中断发生三个无线节点在同一时刻。和TSF计数记录硬件中断处理程序。

我们评估了同步精度通过比较TSF计数器记录三个节点。方波的频率设置为10 Hz, TSF的计数器值是记录每100毫秒。一个测量是持续了15分钟因此TSF记录集的总数是9000。测量结束后,记录集之间的最大偏移量计算。我们完全15次15分钟的测量,因此样本总数135000人。

图12显示了TSF的最大偏移的结果统计,对应的同步精度。如图所示图,中值是27秒。结果是接近情况下的仿真结果2在5节点。仿真分析没有考虑任何处理时间和比特误码率。因此,实验结果时,必须更现实的实际硬件实现。然而,结果显示足够精确的同步和它保持着良好足够的精度对目标1毫秒精度。

6.2。在高层建筑物振动测量

我们还进行了实验测量的方法通过使用开发的无线系统。振动测量被放置在一个钢结构22层建筑。图13显示了分配的传感器节点,中继节点和主机PC在测量室。测速仪(速度传感器)22日地板上连接到测量节点由同轴信号电缆。传感器节点和主机PC之间的距离约为100米,道路包括区域分区的钢门和一些柜台角落。因此,我们分配了两个中继节点自组网。

速度也与传统有线测量记录数据。图14显示发达无线系统的测量数据和图15显示了传统的有线数据记录器的数据。获得的数据是阻尼振动波在强迫振动测试。在比较这两个结果,响应峰值附近的正弦波有点参差不齐的图14虽然顺利在图15。这是因为不同的截止频率的低通滤波器。除了数据曲线图几乎完全匹配。从数据获得的谐振频率为0.425 (Hz)和阻尼比为0.672 (%)。这两个值获得的两种方法(有线/无线)也匹配三个重要人物。

7所示。结论

通过无线网络振动测量,时间同步是必不可少的。在本文中,我们提出了一种新的无线传感器网络时间同步系统采用IEEE 802.11基于标准的TSF计数器。它确保一致性在不同无线节点之间的共同的时钟。精度上的规模效应大小的节点增加时,通过仿真研究和评估结果提出维护1毫秒内偏移量的大小。我们还描述了一种新开发的无线传感系统和显示实验评估,进行钢筋混凝土建筑。系统也应用振动测量的22层钢结构高层建筑。实验结果显示良好的性能对振动测量的目的。

引用

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