摘要：為了減少鋼絲繩無線監測系統的能量消耗，延長整個無線傳感器網絡的生命周期，提出了一種新的節能設計方案。利用TPSN時鐘同步算法，實現網絡內節點的時鐘同步，然后使空閑節點進入低功耗模式。利用RSSI測定終端節點運行的距離，當其距離父節點較遠時，為保證通信質量，使其與離它最近的路由節點建立連接，繼續執行數據的采集及發送過程。設計的監測系統有效地控制了能量的消耗，為整個網絡的持續穩定運行創造了條件。
關鍵詞：無線傳感器網絡；TPSN時鐘同步算法；RSSI；鋼絲繩

0 引言
隨著城市建設的發展，高空建筑機械的狀態監測和維修一直困擾著人們，我國建筑機械近幾年在設計、制造及監測上沒有太大的改善，但是建筑機械化的運行條件在不斷的變化，我國目前仍然主要沿用傳統的“定期保養，事后維修”制度，故障檢測與修復的設備和手段也比較落后，導致整機可靠性差、安全隱患多。因此，為保證建筑機械的安全可靠運行，對其進行狀態監測顯得尤為重要和緊迫。然而到目前為止，對建筑機械的監測大多都是通過實驗人員定期到環境復雜的大型機械上進行檢測，測試人員的工作危險繁瑣而且所得到的數據只是所選取的時間點的狀況，并不能完全說明整臺機械設備長期以來的工作狀態。所以，一種長期穩定實時在線監測建筑機械狀態的監控系統對于企業來說，是極其重要的。同時可以使其具有“黑匣子”功能，根據其記錄的數據內容，對發生意外事故進行責任認定。
無線傳感器網絡是當前的研究熱點，它能夠通過各類集成化的微型傳感器協同完成各種環境或檢測對象的信息實時監測、感知和采集，并將這些信息在無線多跳網絡中傳送給用戶。其在數字家庭領域、工業監控領域、智能交通領域、醫療領域等都得到了顯著的應用及推廣。但是無線傳感器網絡的節點大多是通過電池供電，其電源能量極其有限，網絡中節點由于能量的原因經常失效或報廢。電源能量約束是阻礙無線傳感器網絡應用的嚴重問題。所以通常需要研究網絡工作過程中節省能源和在完成應用要求的前提下盡量延長整個網絡系統的生命周期。論文對傳感器檢測原理及組成和時鐘同步算法進行了簡單的介紹，對TPSN時鐘同步算法和利用RSSI進行距離的測定進行了深入的研究。
通過在實際應用中一段時間內不使用的節點進入PM2低功耗模式，然后利用定時器喚醒的方式使這些節點重新進入主動模式來達到減少網絡能耗從而實現節約能量延長生命周期的目的。

1 傳感器檢測原理及組成
鋼絲繩的導磁性能良好，這是由于其是由碳素鋼制成的，本設計采用的對鋼絲繩狀態的檢測利用電磁檢測原理，如圖1所示，勵磁回路由銜鐵、永久磁鐵、空氣隙和鋼絲繩組成。永久磁鐵為勵磁回路提供充足的磁場能量，使鋼絲繩磁化。當鋼絲繩存在損傷時，在附近的空氣中會產生漏磁場，通過檢測霍爾元件的電壓變化，就可以間接得到LF和LMA信號，霍爾元件的輸出電勢VH=KHBI，其中KH是霍爾元件的靈敏度系數，I為通過霍爾元件的電流，B為沿霍爾元件表面法向的漏磁感應強度。可以看出霍爾元件的輸出電壓正比于磁通密度。鋼絲繩檢測傳感器實物圖如圖2所示。

2 時鐘同步算法
對于本設計，除了對鋼絲繩狀態進行檢測的傳感器不可缺少外，為了使網絡節點能在規定時間喚醒或進入低功耗模式，所以實現網絡中節點的時間基準同步也顯得尤為重要。時鐘同步是其主要手段，而系統基準時間同步是一切應用的基礎，應用范圍十分廣泛。
2．1 時鐘同步算法概述及不同算法間的比較
無線傳感器網絡中，由于網絡中沒有標準的時間統一系統或者共同的時間基準，所以需要建立一個統一的時間服務系統或者時間服務器，以實現網絡中的時間統一，這一點對整個網絡系統的實時性非常重要，自J．Eison和K．Romer首次提出傳感器網絡中的時間同步機制后，在各個大學和科研機構中得到了廣泛的研究，通過各國學者的不斷研究，提出了多種時間同步機制。主要分為三類：基于接收者和接收者(Receiver-Receiver)的時間同步機制，常用的是RBS算法；另一種是基于發送者和接收者的雙向時間機制，常用的是TPSN算法、LTS算法、Tiny-sync和Mini-syne同步算法；最后一種是基于發送者和接收者的單向時間同步機制，存在的算法為DMTS算法、FTSP算法等。每種算法都有其優點同時也有各自的缺點，因此在選擇時鐘同步算法的時候要根據具體的情況，權衡采取哪種算法。RBS時鐘同步算法的時間復雜度就是其一個明顯的缺點，這樣導致其在同步過程中造成的能量消耗將很大，對能量有限的無線傳感器網絡來說明顯不大適用。DMTS時鐘算法中需要傳輸的信息少，其中接收節點只需要收到同步消息這樣單相同步的方式就能實現同步，能量消耗少，但是這種方式的同步精度要求很低，雖然降低了能量消耗但同時也降低了時鐘同步的精度，所以在精度要求很高的場合不適用。TPSN時鐘同步算法是雙向同步機制，通過雙向交換同步信息能使同步效果的精度更高，滿足無線傳感器網絡時鐘同步精度的要求。本設計中采用TPSN時鐘同步算法。