面向机械振动同步采集的无线传感器网络协议栈设计

无线传感器网络作为一种新兴的信息感知和数据采集系统，运用到机械设备的振动监测领域，可以避免有线监测系统工业现场布线复杂，灵活性低、可扩展性和可维护性差等缺点，具有巨大的工程应用价值。然而，要把无线传感器网络技术应用在机械振动监测领域中，除了要实现网络自组织和数据可靠传输这两个基本功能之外，还需要解决多节点振动信号同步采集等难题，这需要针对性地设计无线传感器网络通信协议栈来解决，所以设计一套面向机械振动同步采集的无线传感器网络协议栈至关必要。本文根据机械振动监测应用的特点，以及对多节点同步采集的要求，总结出面向机械振动同步采集的通信协议栈需要具备多跳网络自组织、多节点同步采集和数据可靠传输几个主要功能，并根据这些功能需求设计实现了一套基于信标时序补偿的通信协议栈STBTC_P。STBTC_P协议栈以TIMAC提供的物理层和MAC层功能作为底层基础，在此基础上开发了网络层和应用层，实现了机械振动同步采集应用对协议栈的几个主要功能需求。在进行同步采集之前，自动组建网络，STBTC_P协议栈采用分布式地址分配算法来协调地址分配，避免了不同父节点给子节点分配重复的短地址。成功组网后，在实现同步采集的过程中，STBTC_P协议栈提出了集中关联信标时序分配法，避免了信标冲突的发生，并把IEEE802.15.4协议提供的基于信标的时钟同步机制扩展到全网，实现全网时钟同步，然后，采用信标时序补偿同步法实现多节点采集命令的多跳同步触发，解决了影响同步采集的两个关键问题。采集完成后，STBTC_P协议栈根据父-子链路安排路由把振动数据传输到监控中心，并在IEEE802.15.4协议MAC层传输确认机制基础上，增加应用层分包重传恢复机制降低丢包率，进一步提高了数据传输可靠性。本文采用实验室自研WSN-G2.1节点为开发平台，运行了STBTC_P协议栈，并为系统开发了上位机控制终端。最后，为了验证STBTC_P协议栈的性能，分别针对STBTC_P协议栈在实现同步采集过程中的信标发送时序、时钟同步精度、命令同步触发精度进行了测试，并测试了数据传输过程中的网络吞吐量以及丢包率等性能。实验结果表明STBTC_P协议栈能够满足一般机械振动同步采集应用的要求，具有较好的可应用性。