无线传感器网络，在风力发电中，提高数据传输准确性的办法

«——【·前言·】——»

风力发电系统是近年来发展速度较快的新能源之一，随着风力发电系统规模的扩大和复杂性的增加，无线传感器网络（WSN）在实时监测和控制方面发挥着重要作用。

无线传感器网络，在用于监测和收集关键的环境和运行数据时，确保数据传输的准确性对于风力发电系统的性能和可靠性至关重要。

本论文探讨了一些提高数据传输准确性的方法，基于理论知识讨论网络拓扑结构的选择、路由协议的优化以及提升数据传输的可靠性和安全性等方面的方法。

«——【·网络拓扑结构的选择·】——»

网络拓扑结构的选择对于无线传感器网络（WSN）在风力发电系统中数据传输准确性的影响至关重要。

1.星型拓扑结构

星型拓扑结构由一个中心节点（基站）和多个传感器节点组成，所有传感器节点通过无线通信与基站连接。这种结构具有以下特点：

优点：

通信延迟较低： 传感器节点与基站之间的通信路径直接，减少了数据传输的延迟。

高可靠性： 由于所有传感器节点都与基站直接连接，当某个节点故障时，其他节点仍能正常通信。

缺点：

传输距离有限： 由于传感器节点必须与基站保持较近的距离，星型拓扑结构在网络覆盖范围方面有一定限制。

能耗不均衡： 由于所有传感器节点的通信都需要通过基站，中心节点可能承受较大的通信负荷，导致能耗不均衡问题。

2. 网状拓扑结构

网状拓扑结构由多个传感器节点组成，节点之间通过无线通信建立多个连接。这种结构具有以下特点：

优点：

较大的网络覆盖范围： 由于节点之间可以建立多个连接，网状拓扑结构在网络覆盖范围方面较为灵活，适用于大规模风力发电系统。

高可扩展性： 通过添加新的节点，网状拓扑结构可以轻松扩展，适应风力发电系统的扩大和复杂性增加。

缺点：

传输延迟较高： 传感器节点之间的通信路径较长，可能导致数据传输的延迟增加。

能耗较高： 由于节点之间的通信距离较远，节点需要更多的能量来维持通信连接，可能导致能耗增加。

3.选择合适的网络拓扑结构

在选择网络拓扑结构时，需要根据具体的风力发电系统需求和约束条件来权衡各种因素。

对于小规模风力发电系统，星型拓扑结构可能是一种较好的选择，由于节点之间的距离较近，通信延迟较低，并且能够提供较高的可靠性。

大规模风力发电系统，网状拓扑结构可能更适合，因为它具有较大的网络覆盖范围和高可扩展性，能够适应系统的复杂性增加。

在选择网络拓扑结构时，还需要考虑能耗平衡的问题。针对星型拓扑结构，可以通过动态地调整基站的位置，以均衡能耗。对于网状拓扑结构，可以采用节能的通信协议和功率控制策略来降低节点的能耗。

选择适合风力发电系统的网络拓扑结构是提高数据传输准确性的关键。根据系统规模、网络覆盖范围和能耗平衡等因素，可以灵活选择星型拓扑结构或网状拓扑结构，以实现数据传输的高效和可靠。

«——【·路由协议的优化·】——»

路由协议在无线传感器网络（WSN）中起着关键作用，它决定了传感器节点之间的通信路径，直接影响数据传输的准确性。

1.常见路由协议

在WSN中，存在多种路由协议可供选择。以下是一些常见的路由协议：

LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）： LEACH协议采用分簇的方式，将节点划分为簇（cluster），每个簇由一个簇头节点（cluster head）负责，通过簇头节点进行数据传输。

SEP（Stable Election Protocol）： SEP协议基于能量级别的稳定性选择簇头节点，以平衡节点能量消耗，提高网络寿命。

AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector）： AODV协议是一种基于距离向量的路由协议，利用广播和路由请求响应机制，在需要时动态建立和维护路由路径。

DSR（Dynamic Source Routing）： DSR协议利用源节点存储路由信息并随数据包传递，通过路由缓存实现源节点到目标节点的路由选择。

2.路由协议的优化方法

针对风力发电系统，可以通过以下方法对路由协议进行优化，以提高数据传输的准确性：

能耗均衡： 节点能耗均衡是提高数据传输准确性的关键。优化路由协议应考虑节点能耗，避免出现能耗不均衡的情况。例如根据节点能量水平动态调整簇头节点的选择，以平衡能耗负载。

拥塞控制： 在数据传输过程中，可能会出现网络拥塞的情况，导致数据丢失或传输延迟增加。优化路由协议应考虑拥塞控制机制，监测网络拥塞状态并采取相应的措施，如动态调整路由路径或限制数据传输速率，以确保数据传输的准确性。

路由路径选择： 路由协议的核心是选择合适的路由路径。优化路由协议可以通过考虑多个因素，如节点能量、距离、信号强度等，动态选择最佳路由路径。例如，使用启发式算法或机器学习方法来预测节点能量消耗，并选择具有较低能耗的路径进行数据传输。

安全性： 数据传输的安全性对于风力发电系统至关重要。优化路由协议应考虑引入加密算法、认证机制和数据完整性验证等安全措施，以防止数据被篡改或泄露。

3.路由协议的评估和优化

为了评估和优化路由协议，可以采用模拟器或仿真工具进行实验。通过在仿真环境中模拟风力发电系统的网络拓扑和通信场景，可以评估不同路由协议在数据传输准确性方面的性能。

根据评估结果，可以对路由协议进行优化，改进算法设计和参数配置，以实现更高的数据传输准确性。

优化路由协议是提高风力发电系统中数据传输准确性的关键。通过能耗均衡、拥塞控制、路由路径选择和安全性等方面的优化，可以实现更高效、可靠和安全的数据传输。

4.路由协议的适应性与自适应性

优化路由协议应考虑风力发电系统的特点和需求，并具备一定的适应性和自适应性。以下是一些相关的考虑因素：

能源限制： 由于风力发电系统通常处于户外环境，传感器节点的能源供应有限。优化路由协议应考虑节点能源消耗情况，合理安排能量分配和利用。

通过在节点之间进行能量交换或使用能量收集技术（如太阳能或振动能收集），可以延长节点的寿命和网络的稳定性。

动态环境： 风力发电系统中存在动态的环境因素，如风速的变化和风机的旋转。优化路由协议应具备适应这些动态环境的能力。

当风速发生变化时，协议可以根据实时数据进行路由路径的调整，确保数据传输的稳定性和准确性。

网络负载： 风力发电系统中的无线传感器网络可能面临不同的网络负载情况。优化路由协议应具备自适应性，能够根据网络负载的变化进行动态调整。

在网络负载较高时，协议可以自动选择更可靠和高效的路由路径，以保证数据传输的准确性和实时性。

故障恢复： 由于外部环境因素或节点故障的影响，风力发电系统中的传感器节点可能会发生故障。优化路由协议应具备故障检测和恢复机制，能够自动适应节点故障，并重新选择路由路径或动态分配任务来确保数据传输的连续性和准确性。

5.仿真与实验验证

为了评估和验证优化的路由协议，在风力发电系统中可以使用仿真工具和实验平台进行测试和验证。

通过仿真工具，可以模拟不同场景下的网络拓扑和通信行为，并对优化的路由协议进行性能评估。

实验平台可以搭建真实的风力发电系统，利用实际传感器节点进行实验验证。仿真和实验，可以验证优化路由协议在提高数据传输准确性方面的有效性，并为实际应用提供指导和建议。

优化路由协议是提高风力发电系统中数据传输准确性的重要步骤。考虑能源限制、动态环境、网络负载和故障恢复等因素，并具备适应性和自适应性，可以设计出更有效、稳定和可靠的路由协议。

«——【·数据传输的可靠性和安全性·】——»

1.数据传输的可靠性增强

为了增强数据传输的可靠性，以下是一些可行的方法：

纠错编码： 纠错编码技术可以通过添加冗余数据来检测和纠正传输中的错误。通过在数据包中引入纠错码，接收方可以检测和修复传输错误，从而提高数据传输的可靠性。常见的纠错编码方法包括海明码和卷积码等。

容错机制： 容错机制可以通过在系统中引入冗余节点或备份传感器节点来提高数据传输的可靠性。当某个节点发生故障或失效时，备份节点可以接管数据传输任务，确保数据的连续性和准确性。

重传机制： 在数据传输过程中，如果出现数据丢失或错误，可以采用重传机制来保证数据的完整性和准确性。当发送方或接收方检测到数据传输错误时，会发起重传请求，确保数据成功传输。

2.数据传输的安全性增强

保障数据传输的安全性对于风力发电系统至关重要。以下是一些可行的方法：

加密算法： 通过使用加密算法对传输的数据进行加密，可以保护数据的机密性和防止未经授权的访问。常见的加密算法包括对称加密算法和非对称加密算法等。

认证机制： 采用认证机制可以确保数据的发送方和接收方的身份验证。通过在数据传输过程中引入数字签名、证书和令牌等机制，可以防止数据被伪造或篡改。

数据完整性验证： 为了保证数据传输过程中的完整性，可以使用数据完整性验证技术。这可以通过在数据包中添加校验和或哈希值等，以确保数据在传输过程中没有被篡改或损坏。

3.安全性与性能平衡

在提高数据传输的安全性时，还需要考虑安全性与性能之间的平衡。过多的安全措施可能会引入额外的计算和通信开销，对系统性能产生负面影响。

因此在设计安全性方案时，需要综合考虑数据传输的准确性和系统性能之间的平衡。选择适当的加密算法和认证机制，并根据实际需求进行权衡和调整，以满足安全性要求的同时最大程度地减少性能损失。

4.数据传输的实时性

对于风力发电系统，一些关键的数据传输需要具备实时性。为了实现数据的及时传输，可以采用优化的通信协议和数据传输机制。

例如引入优先级队列或时间戳机制，确保重要数据的优先传输，以满足实时性要求。

提高数据传输的可靠性和安全性对于风力发电系统的稳定运行至关重要。通过采用纠错编码、容错机制和重传机制等方法增强数据传输的可靠性，引入加密算法、认证机制和数据完整性验证等措施保障数据传输的安全性。

在设计安全性方案时，需要平衡安全性与性能之间的关系，并确保关键数据的实时传输。通过综合考虑这些因素，可以提高风力发电系统中数据传输的准确性、安全性和实时性。

«——【·笔者观点·】——»

本文在理论的基础上，探讨了一些提高数据传输准确性的方法，主要集中在网络拓扑结构的选择、路由协议的优化和数据传输的可靠性与安全性方面。

选择合适的网络拓扑结构，如星型拓扑结构和网状拓扑结构，可以根据系统规模和覆盖范围的需求来提高数据传输的准确性。

为了保障数据传输的安全性，采用加密算法、认证机制和数据完整性验证等安全措施是必要的。这些措施可以防止数据被篡改或泄露，并确保数据传输的机密性和完整性。

未来的研究可以进一步探索和改进数据传输准确性方面的方法，以满足不断发展的风力发电系统的需求。

«——【·参考文献·】——»

[1] 无线传感器网络及应用研究. 孙殿东;朱悦.电子设计工程,2010

[2] GPS技术在风力发电场控制测量中的应用. 毛克;刘江龙;刘永强;赵玉明.电力勘测设计,2009

[3] 无线测温技术在风力发电场工程中的应用. 王乐天.内蒙古科技与经济,2009

[4] 基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计. 刘志东;陈彦明.桂林电子科技大学学报,2008

[5] 无线传感器网络研究现状与应用. 杜晓明;陈岩.北京工商大学学报(自然科学版),2008

桥梁信息无线传感网的通信纠错技术研究

翟喜和

江西路通科技有限公司

摘 要： 文章介绍了桥梁信息无线传感网概念，分析了无线传感网纠错控制的必要性，介绍了桥梁信息无线传感网的通信纠错技术，以及案例系统所应用的基于群ACK技术的CRC-16通信纠错技术。实验比较显示，相比直接检错丢包，CRC-16通信纠错技术对提高无线传感网通信数据的可靠性有一定效果。

关键词： 桥梁信息;无线传感网;通信纠错;技术研究;

作者简介： 翟喜和（1982—）,男,本科,工程师,从事公路机电通信建设工作。;

0 引言

无线传感网络（WSN）是将一定数量的微型无线感受器部署在检测目标周围，通过无线通信构成一个拓扑可变的信息自组织网络，据此收集各个传感器节点的工程信息，经处理后以无线传送的方式发送给观测者的工程信息拾取和应用技术。将该技术应用于桥梁健康状态监测，有效弥补了有线监测技术的工程造价高、系统维护难等问题。某跨江公路钢箱梁H塔悬索桥，长2 160 m，采用无线传感网络进行桥梁健康信息监测，与有线通信相比，无线通信传输过程中的不确定因素更多，诸如空间遮挡、节点运动、信息碰撞、相邻或相同频段噪声影响等等，均可能造成信号快速衰落或干扰，从而造成接收错误。为克服这一不足，该系统采取了基于群ACK技术的CRC-16通信纠错技术，提高监测数据的完整性和可靠性。该文将重点结合某工程案例，研究分析通信纠错技术，旨在为桥梁信息无线传感通信应用提供技术参考。

1 纠错控制的必要性

泰州大桥结构健康监测系统是一个桥梁状态信息实时监测平台，在接收需要信息后，能及时进行信息处理，例如光谱分析、能谱分析等，准确及时地给出预警。信息分析处理必须保证所提供的信息数据的一致性，但是案例中工程地址环境恶劣，存在诸多不确定因素。此外，无线传感器节点和基站之间的通信距离约为1 300 m，尽管射频放大器配置满足该距离要求，但通信距离越长，传输的不确定影响因素就越多，采用纠错控制系统加强和保证通信的有效性和可靠性非常必要。

2 纠错控制技术简介

编码是纠错控制技术的核心，其基础是计算获取待发送信息的码元序列，在相互独立的码元序列基础上，按照一定的关联性或规律性生成校验码，接收器根据相同的规则进行计算，并将其与所接收的校验码进行比较，如果不同，则传输的信息码元存在错误。此方法一般将若干冗余码元称为监督码，按照一定的规则插入到原信息码序列中，构成全新的码元序列。纠错控制编码往往可以将误码率降低若干个数量级，但是引入监督码元会影响信息通信效率。数据通信中经常使用的纠错控制技术有3种。

2.1 前端纠错（FEC）模式

前端纠错（FEC）模式的通信系统见图1。信源发生二进制信息码，纠错码编码器按照一定的规则对其增加冗余，形成具有更高比特率的信息码。接收端的纠错码解码器通过冗余规则，测量判别所接收信息码的准确性，如发现错误所在位置，从而实现前端纠错功能。

图1 前端纠错（FEC）通信系统 下载原图

FEC模式的优势是无须重复传输。对于接收到的码元序列，接收端可以检测，从而实现实时自动纠错功能。为提高纠错能力，须附加冗余码元，其码元增加量往往占到传输码元量的15%～50%，且纠错编码多比较复杂，所以对编解码系统的要求比较高，功耗当然就比较大。FEC方式一般在低速率、单工通信传输中比较常用[1]。

2.2 自动请求重发（ARQ）模式

自动请求重发意味着发送方发送一个可以检测错误的元码序列，其编码方法主要包括：在数据包末尾添加校验码，接收解码器根据规则和所收到的信息进行解码和校验。如果解码校验等于数据包自带的校验，接收数据正确，则返回确认无错信号；否则会发有错信号，请求重新发送数据。

ARQ模式传输的码元序列仅需要有检错码元，冗余码元量大大降低。与FEC模式纠错相比，解码更简单，硬件资源需求俭省，但发送方和接收方都需要配置缓存器来准备数据重传接收，重传也会在一定程度上带来通讯延迟问题。

2.3 混合纠错（HEC）模式

HEC模式是在FEC模式和ARQ模式的基础上，结合两者的优缺点，适应环境的组合模式。当信道环境较好、传输错误较少时，FEC模式可以实现前端纠错；当信道干扰比较大且传输错误较多时，HEC模式改为自动重传请求。发射机发送的是有一定纠错能力和强检错能力的码，因此信道编码的额外监督码元并不多。当接收端检测到数据流时，FEC子系统在发现错误时自动纠错，只有当有很多错误超出纠错能力时，才发回反馈信息请求重传，从而大大减少了重传次数。

3 CRC-16通信纠错技术

案例桥梁健康监测系统的信息发送方和接收方都具备冗余循环校验（CRC）功能，具体见图2所示。每一次编码发送，都要配合一次CRC校验码计算。完成了帧头和负载发送后，芯片会将计算出的校验码附加到传输码元中。接收端每接收一个码元字节，也要配合一次CRC校验码。接收后，通过比较计算所得校验值和接收数据包自带的最后2个校验码，判别所接收数据是否准确。编解码采用CRCITT标准，校验计算多项式如下[2]:

图2 CRC硬件编解码电路 下载原图

CRC-16拥有很强的传输检错性能，能够检测所有的双错、单错和奇数位错误，所有≤16位的传输错误能够全部被检出，17位和18位传输错误的检出率也分别可达99.997%和99.998%。图3显示的是一个16进制的数据包，其中包括帧头与负载。

图3 CRC-16无线通信接收的数据包 下载原图

CRC-16通信技术集成支持IEEE802.15.4协议。其在RF230和CRC2420射频芯片所提供的编解码性能基础上，能够简单剔除所检测到的错误信息，保证接收数据的准确性。另外CRC尽管有很强的检错能力，但是对数据传输中的位移差错不够敏感，存在传输过程丢失字节的现象。此错误多是发送端准备检错码序列之前形成的，所以接收端除需要提供CRC检错外，还需要具备对MAC帧头的标志位正确性的验证能力。

桥梁健康监测系统对数据传输的完整性和准确性要求很高，这要求检测系统必须具备较强的识别和处理错误数据包的能力。

BCH循环码见表1所示，k表示实际可以使用的有效数据比特数，t表示可以纠正的错误比特数，n代表数据包长度。查表可以看出，如果数据包127位，对随机发生的10位错误进行纠正，那么有效数据位则仅有64位，整个数据包几乎一半被冗余纠错码所占据。另外，纠错码还需要进行接收解码，这无疑会增加CPU的负荷。显示前向纠错编码虽然对于信道传输中的双错和单错纠错有效，但是对于硬件资源有限或注重纠正传输过程中多位突发性错误的监测系统则适用性不足[3]。

表1 BCH码简表 下载原图

其次，1EEE802.15.4协议确认支持（ACK）机制。发送一帧数据后，发送方开始等待接收方返回确认信息。在一定时间内如果没有收到确认信息，将重新发送。虽然这样做增强了通信数据的可靠性，但信道利用率较低。同时考虑到当无线传感器节点接收到传输信令时，缓冲区中可能存在多个数据包在等待发送，因此在一个轮询过程中可能会形成有多个数据包同时等待或发送的情况。但ACK模式对克服上述情况具有技术优势。当无线传感器节点接收到基站发送的轮询信令时，会检测缓冲区中是否存在等待发送的数据，如果存在，则依次发送缓冲区中的数据。在每次传输之后，不需要等待来自基站的确认回复。传输完成后发出结束信息，再等待来自基站的确认信息。

ACK数据中包含基站在这次轮询中接收的所有数据包及其计数，根据该信息，无线传感器节点检查是否有已经发送但没有被正确接收的数据包。如果存在，将重新发送，并且发送完成后仍然会有一个结束信息。ACK要求无线传感器节点在发送数据后，将发送的数据在缓冲区中存储一段时间，以便为再次发送做准备。缓冲区释放设计是在收到新轮询信号后，将上一轮询所发送的缓存数据包清空。

基于群ACK模式所改进的通信控制协议跟简单轮询通信协议的区别在于，前者由定时器中断触发器控制基站轮询信息的发送周期，虽然后者也有超时等待定时器，当定时器触发中断时，也会向下一个节点轮询，但更多的时候，是基站根据所收到的结束信息而启动轮询下一个节点。

4 实验比较

通信控制就是对信道干扰、能耗、时效、纠错等因素进行优化调控，实现更优化通信状态的控制实施过程。随着信道质量的降低和通信干扰的增加，通信过程中出错的概率相应增加，纠错控制的难度也会对应增加。要维持相应的正确率，系统的能量消耗必然相应增加。其间通信的往复率也会对应增加，系统通信的实时性就会有所降低。

与简单的错误检测和丢包处理相比，群ACK机制寻求尽量恢复因为通信干扰、信道衰落等原因导致的错误包，以增加通信的准确性和可靠性。案例检测系统是个实时在线的桥梁健康状态检测系统，传感器实时采集的数据是及时预警的基础。群ACK机制只是追求在有限的时间内尽力获得数据，而不追求极限纠错控制，由于及时获取当前数据比正确获得过去某个时段或时点数据的意义更大，所以群ACK机制更注重时效性与容错性之间的折中设计。

在实验中，我们利用1个无线感受器节点和1个基站，模拟案例大桥状态实时监测中的数据传输纠错控制问题。以最小的发射功率发送传感器节点数据，同信道的另1个感受器节点连续发送干扰信号。传感器节点加入不同的衰减器，其他条件保持不变。基于群ACK轮询通信机制、简单的错误检测和丢包处理模式，比较各种状态下基站接收数据的完整性。试验结果具体见图4所示。

图4 两种模式的丢包率曲线比较 下载原图

丢包率曲线比较显示，在相同的信道环境、发射功率、干扰状态以及相同衰减器下，群ACK的轮询传输机制与简单的检错和丢包处理相比，提高了传感器数据的丢包率。当衰减比较小时，两者的丢包率都较低，特别是使用群ACK机制，丢包率几乎可以保持为零。随着衰减的增加，两种设备的丢包率相应增加，但是相比直接检错丢包，群ACK的性能还是存在明显提升。当衰减较大时，群ACK的改善功效减弱。

通过检查由传感器节点接收的数据的完整性，基站计算由节点发送的数据包中未被正确接收的比例。这里的丢包率是传感器数据包的丢包率，而不是节点发送的所有数据包，所以不包括结束信息。此丢包率也可能是因为节点长时间没有收到轮询信号，缓存中的数据被盖覆导致的，因此丢包率也与节点灵敏度和基站发射功率相关。

5 结语

该文主要研究了桥梁工程无线通信中的纠错控制技术，阐述了纠错控制的必要性，介绍了3种采用的纠错控制技术以及案例所应用的基于群ACK轮询技术的CRC-16通信纠错技术。通过错误检测及丢包处理功效比较，结果显示该技术可以有效提高无线数据通信的可靠性。

参考文献

[1] 徐其飞.无线传感器网络差错控制技术研究[D].南京：南京理工大学,2008.

[2] 聂秋玉.无线传感器网络中差错控制和拓扑控制技术研究[D].合肥：合肥工业大学,2006.

[3] 吉林,丁华平,沈庆宏.基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测[J].南京大学学报(自然科学版),2011(1):19-24.

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