鋼絲繩狀態(tài)無線監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)能方案研究與設(shè)計
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2．2 TPSN時鐘同步算法的實現(xiàn)
TPSN算法是通過多級的逐步同步，能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的時鐘同步，在多跳網(wǎng)絡(luò)中非常適用。其會在整個網(wǎng)絡(luò)中選擇一個根節(jié)點(diǎn)(設(shè)計中使用協(xié)調(diào)器作為根節(jié)點(diǎn))，由根節(jié)點(diǎn)提供整個網(wǎng)絡(luò)中的時鐘源，它采用的是層次型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其實現(xiàn)過程主要分為兩個階段：層次發(fā)現(xiàn)階段和同步階段。
在層次劃分階段主要進(jìn)行的是對整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行層次劃分，分為0～n個層次，其簡要結(jié)構(gòu)如圖3所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/159441.htm
其中根節(jié)點(diǎn)一般定義為0級，它在時鐘同步階段的作用是廣播分組數(shù)據(jù)包，通過廣播的方法給每個節(jié)點(diǎn)分配一個層次號(不惟一)和ID號(惟一)。根節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)在收到分級的數(shù)據(jù)包后，會把自己的同步級別設(shè)置為1級。然后這個1級節(jié)點(diǎn)會繼續(xù)廣播分級數(shù)據(jù)包，其他的節(jié)點(diǎn)按照這個發(fā)放依次確定自己的級別，一直到網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都設(shè)置了自己的級別，這個過程就完成了層次發(fā)現(xiàn)的階段。
第二階段為同步階段，該階段的主要任務(wù)是層次結(jié)構(gòu)建立以后根節(jié)點(diǎn)通過廣播時間同步分組啟動同步階段。以根節(jié)點(diǎn)和1級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時間同步為例子來介紹同步階段的整個過程。根節(jié)點(diǎn)和1級節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行時間同步是通過兩個節(jié)點(diǎn)之間的雙向信息的交換來實現(xiàn)的。其整個過程如圖4所示。
層次結(jié)構(gòu)建立后，根節(jié)點(diǎn)通過廣播時間同步分組啟動同步階段，其中同步分組中包含有根節(jié)點(diǎn)的等級和發(fā)送信息報的本地時間T1。第1級節(jié)點(diǎn)在收到這個分組以后首先會檢查該信息包中的節(jié)點(diǎn)信息是否和其父節(jié)點(diǎn)即根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)信息一致，如果一致則記錄收到該包時的時間為T2，否則丟掉這個同步包，然后1級節(jié)點(diǎn)在T3時刻發(fā)送應(yīng)答分組給根節(jié)點(diǎn)，分組中含有1級節(jié)點(diǎn)的級別和T1，T2及T3的信息，根節(jié)點(diǎn)在T4時刻收到應(yīng)答幀，因此可以推出以下公式：
式中：△為根節(jié)點(diǎn)和1級節(jié)點(diǎn)之間的時間偏差；d為根節(jié)點(diǎn)和1級節(jié)點(diǎn)之間的傳輸時延，假設(shè)其雙向之間的傳輸時延相同。當(dāng)1級節(jié)點(diǎn)收到根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步信息報SYNC后，其中包含T1和T4，它根據(jù)式(2)就能計算時間偏差△和傳輸時延d，然后將自己的時鐘和根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。
3 同步喚醒算法的研究與設(shè)計
3．1 問題的提出
本項目中利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對擦窗機(jī)鋼絲繩運(yùn)行過程中的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，提高擦窗機(jī)在運(yùn)行中的安全性。但是由于擦窗機(jī)運(yùn)行場景的特殊性及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穿墻能力的有限性，位于大樓不同樓面上的傳感器節(jié)點(diǎn)在擦窗機(jī)不在該樓面施工時，該節(jié)點(diǎn)是不會參與到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過程中的，為了節(jié)省整個網(wǎng)絡(luò)的能量及延長整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期，此時這些節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行是沒有必要的，為了減少網(wǎng)絡(luò)能量消耗應(yīng)使其處于低功耗模式。
3．2 系統(tǒng)功耗模式
本設(shè)計采用CC2530單片機(jī)，其共有五種工作模式，分別為主動模式、空閑模式、PM1、PM2和PM3。主動模式為一般模式，PM3具有最低的功耗。其不同的供電模式對系統(tǒng)的影響如表1所示。
主動模式為全功能模式，空閑模式除了CPU內(nèi)核停止運(yùn)行，其他和主動模式是一樣的。PM1模式適用于相當(dāng)短時間內(nèi)的休眠時間。PM2模式適用于相當(dāng)長時間內(nèi)的休眠事件，特別是用于休眠定時狀態(tài)。在PM1和PM2模式中，系統(tǒng)可以通過重置或者一個外部中斷或者休眠定時喚醒轉(zhuǎn)入主動模式。PM3模式只能通過重置或者一個外部中斷轉(zhuǎn)入主動模式。在本設(shè)計中選擇PM2模式為低功耗模式，雖然PM3模式功耗最小，但是PM3模式必須通過外部中斷或重置才能重新進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)工作，這在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中十分不實際。因為本設(shè)計的節(jié)點(diǎn)很多都處于樓層高處或外表面，無法通過采用外部中斷的方式進(jìn)行喚醒。
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