[发明专利]无线传感器网络信号同步采集及准实时传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种信号同步采集及测量数据的准实时传输技术，具体地说是在一种适用于大型土木结构振动状态检测的多跳无线传感器网络中，实现无线传感器节点间进行同步采样，并将传感器节点的测量数据以准实时的方式回传至检测中心的传输系统。

背景技术

大型土木结构在人们的生活、工作中有着举足轻重的作用，但是在几十年甚至上百年的使用过程中，大型土木结构经受着恶劣环境的侵蚀，材料的自然老化，会不可避免地形成损伤积累，导致抵抗自然灾害、甚至是正常载荷的能力下降，对人们的生命财产安全和国家的经济建设造成威胁，因此，对大型土木结构进行状态检测就成为其安全使用的有力保障。

目前广泛使用的大型结构状态检测系统，需要将安置在结构上不同测点的传感器输出信号用金属导线传送到信号采集单元，由于传感器常常远离信号采集单元，造成连接电缆长度增加，这一方面增加系统的安装时间，还给系统的稳定性和抗干扰增加了难度，特别是传输信号和电源的电缆费用将达到检测系统总体费用的相当大一部分，使得传统的大型结构状态检测系统可靠性差、投入大、效率低。

近年来随着无线通信，微处理器和MEMS等技术的发展，使无线传感器网络有了巨大的发展，广泛应用于军事，环境，健康，家用和一些商业领域的检测，并且随着技术的成熟，会有更大的利用空间。无线传感器网络有许多优点，首先，采用无线的传输方式，不需要布置电缆，系统的安装和维护变得简单易行。其次，系统容错率提高，不会因为中间的某一个节点故障而影响整个网络的运行。因此，无线传感和无线传输技术为大型土木结构的状态检测提供了新的解决的方案。但大型结构的状态检测具有其固有的一些特点，如测点分布范围大、振动信号的采样频率一般低于200Hz、各测点的振动信号必须同步采样，测量数据必须及时传送回检测中心等。这些特点对基于无线传感器网络的结构状态检测系统的设计提出了具体的要求。无线传感器节点由电池供电，如何延长使用寿命？针对大型结构状态检测测点分布范围大的特点，无线传感器网络如何布置？为了满足测点间振动信号同步采样的要求，无线传感器网络的时钟如何实现同步？及如何调好数据传输、信号采样、时钟同步等多项任务，以避免出现丢失数据、失去同步等问题都需要解决。目前IEEE 802.11协议、Zigbee协议、蓝牙协议是目前无线网络广泛使用的通信协议方式，这些协议都比较复杂，并且在多跳网络拓扑情况下，全局时钟同步、实时业务的处理和公平性等方面存在问题，而且需要专用芯片来实现，不能完全适应大型土木结构状态检测的特殊性的需要。

发明内容

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种基于无线传感器网络的振动信号同步采集和准实时传输的系统。具体地说，提供一种多跳无线传感器网络，并在数据传输的过程中自动完成节点间时钟同步，可实现最高采样频率为200Hz的16位高精度振动信号同步采集和准实时数据传输，以克服现有网络通信协议存在的不足，满足大型土木结构状态检测的特殊性需要。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种无线传感器网络，其特征在于将无线传感器网络中的无线节点分为三类：中心节点、中继节点和无线传感器节点；

所述中心节点与检测中心计算机相连接，用于从无线传感器网络中收集网络拓扑信息和测量数据，发送给计算机进行数据处理，并从计算机中接收控制指令，以无线的方式传送给无线传感器网络中的无线节点；

所述中继节点同中心节点组成一个多跳链式拓扑结构的数据远程传输网络，同时从自己负责的检测单元内收集来自无线传感器节点的数据，将收集到的数据经所述链式拓扑结构传送检测中心计算机中进行处理；

所述无线传感器节点根据接收到的来自中继节点的信息，选择加入某个中继节点控制的检测单元，以便将自己的采集数据发送给该中继节点。

一种利用权利要求1所述无线传感器网络而进行信号同步采集及准实时传输的方法，其特征在于该无线传感器网络具有两种工作模式：振动信号采样开始前的初始化模式和振动信号采样开始后的准实时数据传输模式；

所述无线传感器网络在初始化模式包括如下步骤：

a、识别出链式拓扑结构的跳数和每个中继节点控制的检测单元内无线传感器节点的数目和它们的ID号，

b、为无线传感器节点分配通信时隙，并实现所有无线节点与中心节点的同步；

当无线传感器网络初始化结束后，由检测中心计算机通过中心节点向无线传感器网络发送采样控制指令，包括采样开始时刻、采样频率和采样持续时间；