（机械电子工程专业论文）机械振动无线传感器网络监测模式和网络传输协议研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着机械设备的精密程度、复杂程度及自动化程度越来越高，机械装备状态监测和故障诊断技术越来越受到重视。而机械振动是机械设备运行中的一个重要的特征参数，因此，机械振动监测是机械设备状态监测和故障诊断的重要手段。目前，基于有线连接的机械振动监测系统应用广泛，但是这类系统具有布线复杂、部署成本较高、可维护性和扩展性差等缺点，而且难于实现移动、旋转部件的振动监测。近十年来，无线传感器网络技术就经历了从最初概念的提出到目前各类应用的蓬勃创新，无线传感器网络新颖的思路和高速发展的各项技术为其在机械振动监测领域中应用提供了基础条件。本文研究基于无线传感器网络的机械振动监测应用技术，根据机械振动监测应用的要求，设计实现网络传输协议，对于实现机械振动无线传感器网络监测模式和应用系统有重要的意义。在分析了无线传感器网络在机械振动监测应用中所需要解决关键技术的基础上，以机械振动监测应用所需要解决的振动数据高速采集和高速可靠传输为根本的技术需求，改进数据采集方式、网络的传输模式、拓扑结构控制和可靠重传机制等多项技术，初步形成了机械振动无线传感器网络监测模式。以无线传感器网络的数据传输技术作为切入点，提出了以多数据汇集点为特征的网络拓扑结构来优化多跳网络的传输效率，并研究分析主要的网络通信协议，实现多数据汇集点的拓扑控制思想，提高数据传输速率和网络吞吐量。同时，分析选用了在机械振动应用中无线传感器网络传输需要的辅助机制。初步实现了机械振动无线传感器网络的数据传输协议、时间同步协议和可靠性传输机制，基于现有的传感器和m i c a z 无线传感器节点初步形成了监测系统，并在数据终端上实现了数据管理程序。最后，构建了无线振动监测实验平台，通过实测实验评估了多数据汇集点网络结构的传输性能和监测系统的可用性，结果表明无线网络表现出较好的传输性能，可以满足1 k h z 采样得到的振动数据连续传输要求。文章最后对于本文的工作进行了总结和展望，希望随着工作的进一步深入，可以实现成熟的工程应用系统，并借助无线传感器网络的普适计算特性发展智能机械设备监测理论。关键词：无线传感器网络，机械振动监测，多数据汇集点，拓扑控制，数据采集重庆大学硕士学位论文英文摘要a b s t r a c tw i mt 1 1 ed e v e l o p m e n to fm e c h a l l i c a lt e c l l n o l o g y ，m a c l l i n e r ya n de q u i p l c n tb e c 锄em o r ep r c c i s i o n 锄d 硼舾m a t i c m a c l l i n e 巧锄de q l l i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o 血g孤df i a ：u l td i 砸m o s i st e c h n 0 1 0 9 yh 鹪b e e ng a i l l i i l gi m p o r t a 】e t h e 啊b | 瑚：t i o no fm c c h a i l i c a lp a r t si sac r u c i a lp a 姗e t e rt 0r e n e c tt 1 1 ee q m p m e n tq 耐i o 砌s t a t 吣加1 di t sa l s 0 觚i n l p o r t 觚tf e a ：t u r et 0a i l a l y s i st 1 1 ee q u i p m 咖f 撕l u 】孵觚dm a l f l l i l c t i o n a tp r e s e 她t l l em e c h a _ n i c a lv i b m t i o nm o l l i t o r i n gs y 呶mw h i c hb a 8 c do nt l l ec a b l e黜t e di sr e l a ：t i v e l ym a t u r e 锄d 谢d e l yu s e d b u ti l lv v i r e d 础血gs y s t e i n s ，缸淝a r es o m es l l 0 蹴岫g s ，s u c h 弱：t l l eh i g hc o s to fw i r i n ga n dd 印l o 蛐e n t ，p 0 0 rm a j n t a j n a b i l 毋趾ds c a l a b i l 毋a n dd i m c u l tt oa c l l i e v em o v i n gv i b m t i o nm o n i t 0 血玛0 懈m ep a s td 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霆瓣疋在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：导师签名：汤乏牟f签字日期：2 p d 7 5 2 9签字日期：2 。c i s 砷学位论文使用授权书本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博士学位论文全文数据库、下简称“章程”) ，愿意将本人交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c q ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。作者签名：煎导师签名：2 噼5 月砷同备注：审核通过的涉密论文不得签署t 授权书 ，须填写以下内容：该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年月一同。说明：本声明及授权书：蛆装订在提交的学位论文最后一页。重庆大学硕士学位论文1 绪论l绪论1 1 引言随着机械设备的精密程度、复杂程度及自动化程度越来越高，对机械设备的可靠性、可用性、安全性和可维护性等提出了更为严格的要求。因此，为了能够预防机械设备故障，尤其是重大设备灾难性故障，机械设备状态监测和故障诊断技术越来越受到人们的重视。机械振动是机械设备运行中的一个重要的特征参数，因此，机械振动监测是机械设备状态监测和故障诊断的重要手段，越来越多的工矿企业采用机械振动监测系统对设备进行自动化监测，目前较为成熟的机械振动监测系统大多数采用的是有线监测技术，但其价格比较昂贵，同时基于有线技术的机械振动监测设备在应用过程中存在安装不便、供电困难、监测设备不容易维护等诸多弊端，因此，亟需研发一种体积较小、安装方便同时无须复杂的线缆铺设的新的机械振动监测模式。无线传感器网络( w 的l e s ss e n rn 酶0 r l 【s ，w s n s ) 1 卅的诞生及其技术的飞速发展给测试测量工程领域带来了新的活力，众所周知，在小规模、低成本的器件上实现处理、存储、传感和通信的一体化，并将这些器件组成无线网络，为各种新的应用开启了大门。无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息，作为一项新型信息技术日益受到国内外的高度重视，这种网络系统正被成功地应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、交通管理、结构健康监测等领域【7 1 4 1 。根据无线传感器网络自身的技术特点，把无线传感器网络引入到机械振动监测系统中可以避免线缆布设复杂、成本高、可维护性差、系统灵活性差等一些缺点。同时，在监测领域的应用中无线传感器网络所监测的物理量大都是温度、湿度、压力、光强度等一些缓变量【l5 1 ，已经出现的一些无线振动传感器网络，也主要是针对桥梁、高楼等一些大型的建筑结构的低频振动进行监测【i6 j ，而目前由于无线传感器网络自身的技术限制，对于反映机械设备状态最关键的机械振动的监测还难以实现【1 7 抛】。基于上述原因，本文将无线传感器网络引入到机械振动监测中，探索和解决无线传感器网络在机械振动监测中的关键技术问题。1 2 课题来源本文得到国家自然科学基金项目“新型无线传感器网络模式下的机械振动监测新方法的研究”( 批准号：5 0 8 7 5 2 7 2 ) 和霍英东教育基金会1 l 届青年教师基金“基重庆大学硕士学位论文1 绪论于无线传感器网络的机械设备状态智能协同监测研究 ( 批准号：1 1 1 0 5 7 ) 的资助。1 3 无线传感器网络技术概况和研究现状无线传感器网络是近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展而出现的一种新型网络，它由大量的传感器节点组成，各节点通过传感或控制参数实现与环境的交互，是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。因此无线传感器网络在军事、工业、医疗、环境监测、交通管理、抢险救灾等领域有着巨大的应用价值和潜在的应用前景瞄】，1 9 9 9 年，著名的美国商界周刊【2 4 1 就将无线传感器网络列为二十一世纪最有影响的2 1 项技术之一；2 0 0 3 年，m i t 技术评论1 e c h n o l o g yr e v i e 2 5 】在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的十大技术之一：2 0 0 3 年，美国商业周刊又在其“未来技术专版”中发表文章指出，无线传感器网络是全球未来的四大高技术产业之一，将掀起新一轮的产业浪潮。目前，无线传感器网络技术是一个非常活跃的研究领域，其技术方向涉及到协同信号处理、通信模式及协议、网络容量、定位及时间同步、能耗、寿命、任务分配协调控制、自适应性、中间件等诸多方面的研究，国内外纷纷开展无线传感器网络及其应用技术的研究。在美国自然科学基金委员会的推动下，美国的加州大学伯克力分校、加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学、麻省理工学院、康奈尔大学等学校开始了无线传感器网络的基础理论和关键技术的研列2 1 1 。日本、英国、意大利、巴西等国家也纷纷展开了该领域的研究工作。我国在最近两、三年中也设置了许多无线传感器网络的研究项目，开展了相关的研究工作，并取得了初步的成果田。3 5 j 。1 3 1 无线传感器网络的概念传感器是信号拾取、数据采集和数据处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础。m a r kw e r s a 一3 6 】早在上个世纪9 0 年代就对无线传感器技术进行了意义深远的展望，他设想出一种未来人类世界的景象：这个世界中充满了无处不在的感知和计算能力，人们无论走到哪里都可以随时了解周围环境，并根据自身的意愿使环境发生改变。在这种实时感知周围物理世界要求的驱动之下，无线传感器网络的概念应运而生。微机电系统( m e m s ) 技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低功耗的无线电射频( r f ) 技术以及传感器技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的无线传感器成为可能。无线传感器节点通常装备个传感模块用于感知周围世界中的物理量，2重庆大学硕士学位论文1 绪论一个数字处理模块用于处理传感模块采集的信号以及完成网络构建和数据传输功能，还有一个无线点收发模块用于通信和一个电源模块为无线传感器节点的各种操作提供能量。无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集部署在监控区域内而构成的自治测控网络系统，是能根据环境自主完成指定任务的“智能系统。无线传感器网络提供了一种全新的数据采集模式。相对于传统的数据采集系统，其感知范围扩大了很多，在单位区域内节点密集部署使得整个系统具有更好的容错能力，也提高了整个系统测量的准确性。但是，由于无线传感器网络的应用支持非常广泛，目前尚无一套具体的准则将其具体的分类，并且无线传感器网络在面向不同的应用需求时，其可移植性和网络构建也是一项具有挑战性的工作，尚不存在固定的解决方案。在大多数的应用中，无线传感器网络的体系结构如图1 1 所示。大量的传感器节点被部署在监测区域内，这些无线传感器节点通过自组织的方式组成无线网络，传感器所感知的信息通过网络以多跳( m u l t i h o p ) p ”的方式在网络中传播。图1 1 无线传感器网络体系结构f i g 1 11 1 圮a r l c | l i t e l 加r eo f w 矾l e s ss e t l s o rn e t 、0 r l ( s从网络的体系结构上看，无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处。但是，他们之间也存在很大的差别：无线传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大( 上千甚至上万) ，节点分布更为密集；由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化：通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。另外，传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都非常有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用，其次才是考虑节点能源：而无3重庆大学硕士学位论文1 绪论线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用，这也是传感器网络与传统网络最主要的区别之一。1 3 2 无线传感器网络的技术特征分析了无线传感器网络的数据采集模式和网络体系之后，可以发现无线传感器网络具有如下技术特征：规模大：传感器网络可能包含多达成千上万个节点。高冗余：为了保证网络的可用性、可靠性和生存能力，传感器网络通常具有较高的节点和网络链路冗余，以及采集的数据冗余。动态拓扑：除了几节点移动带来的网络拓扑变化外，传感器节点的功率控制和剩余电量下降等因素也会导致网络拓扑变化。面向应用性强：无线传感器网络针对不同的应用实例，其存在形式和支持技术往往差别很大。网络自组织：网络的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施。传感器节点通过分布式网络拓扑控制协议实现组网，网络能够自动调整以适应节点的移动、加入和退出、剩余电量和无线传输范围等因素的变化。节点数据融合与压缩：由于无线传感器的能量、传输带宽的限制，传感器网络在数据传输过程，通常要求中间节点能将来自多个传感器的相关数据进行融合和压缩，再传输给处理中心。数据融合与压缩可以减少冗余数据，节省通信所带来的电量损耗，减轻通信压力。传感器节点能力有限：由于低成本、低能耗、体积小等要求，传感器节点在供电、计算、存储、通信等方面的能力受到很大的限制。在无线传感器网络设计的过程中，需要在上述的各个指标之间取得折中。针对在系统运行的不同时期各个指标重要程度的不同，算法和通信协议要有很强的适应能力。1 3 3 无线传感器网络应用技术研究现状无线传感器网络最早的应用就是在军事领域，美国国防部和各军事部门高度重视对无线传感器网络的研究，很早就设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国国防部和卡内基梅隆大学早在上个世纪末就将无线传感器网络应用于军事领域，在军事命令、控制、通讯、计算、侦查和定位系统中发挥着巨大的作用，快速布置、网络自组织和容错能力强等特性使他们非常适合军事用途p 引。因为无线自组织传感器网络是由密集放置的，低成本的传感器节点组成，快速布置、自组织性和容错能力使得不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这使得无线传感器网络在战场上监控敌我兵力、装备物资情况，侦查地方地形和布防，定位攻击目标，评估损失等方面有很好的用途。4重庆大学硕士学位论文1 绪论在无线传感器网络技术转向民用应用时，更是引起工业界和学术界的极大关注，因为无线传感器网络的自组织、微型化和对外部世界的感知能力，决定了其在工业领域大有作为。包括车辆的跟踪、建筑物状态监测、机械的状态监测和故障诊断等领域等。典型的产品如韩国的瓜it e l e c o m ，在基于a 衄e l 和e m b e r 的平台上成功研发出自动抄表系统。2 0 0 2 年1 0 月，美国英特尔公司发布了“基于无线传感器网络的新型计算发展规划，致力于无线传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火、乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。n a s a 的j p l u e tp r o p u l s i o nl 籼r a l ：o 呦实验室研制的s e 璐o rw | e b s 就是为了将来的火星探测进行技术准备的，已经在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善了。美国微软公司、国家仪器公司等信息工业界巨头也开始了无线传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，投资3 4 0 0 万美元，支持相关基础理论的研究。由于具体的应用背景不同，目前国外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台，典型的节点包括m i c a 系列、s e i l s o r i aw i n s 、t o l e s 、“舢唧s 系列、x 巯o d e 、z ，a b 脚1 e t等。美国c r o s s b o w 公司基于m i c a 节点开发了一系列传感器板，采用的传感器有光敏电阻c l a i r 甑c l 9 4 l 、温敏电阻e r t j l v r l 0 3 j 、加速度传感器a d i a d x l 2 0 2 、磁传感器h o n e ”粑l lh m c l 0 0 2 等。由美国先进国防研究项目局( d a 。砒，a d e f e l l s ea “弧c e dr e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 所资助的在加利福尼亚大学实施的“s m a nd u 盯计划【3 9 l ，建立一个无线传感器开发的软硬件平台，进而开发出一系列低价格、小尺寸、高可靠性的无线传感器网络，这一步推动了无线传感器的应用发展，并且，该项目开发的产品目前已经成为世界许多大学等研究机构使用的实验室设备。在软件系统方面有加州大学伯克利分校开发的无线传感器网络源代码开放的多任务实时操作系统t i n y o s l 4 u 】以及程序设计语言n e s c l 4 。我国目前在无线传感器网络方面的研究工作才刚刚起步。西北工业大学开展了无线传感器网络中的自身定位系统和算法的研究【4 2 】以及自组织、自适应无线传感器网络理论研究【4 3 】，国防科技大学进行了无线微传感器网络在环境监测中的应用研究和设计即】。哈尔滨工业大学在结构健康监测中采用了无线微传感器网络技术，并设计与制作了用于结构监测的无线加速度传感器【4 5 1 。中科院计算机技术研究所自主开发了无线传感器网络产品，清华大学、浙江大学、西安交通大学、中国科学技术大学等单位也开展了一些无线传感器网络的研究工作。1 3 4 无线传感器网络在机械振动监测领域的应用和发展鉴于无线传感器网络的种种优点，其在机械振动监测系统中的应用研究成为业界的关注热点，国外已开始着手研究基于无线传感器网络的设备状态监测系统，而国内在这方面的研究处于起步阶段。2 0 0 4 年8 月，美国能源部、通用电气全球研重庆大学硕士学位论文l 绪论究院、s e 璐i c a s t 公司、r e n s s e l a e r 工学院等计划用三年时间，耗资6 百万美元，联合开发用于工业马达系统监测的无线传感器网络【2 0 】，目的是大幅消减能源损耗和改善马达功效，大幅减少组建马达监测系统的成本，加速先进技术的应用，促进整个工业马达系统节能高效化。2 0 0 4 年9 月，英国石油公司( b p ) 开始接触一种名为“尘埃( m o t e ) 的无线传感器网络技术，这个由c r o s s b o w 公司所生产的2x2 英寸大小的无线传感器节点装置包括一个处理器、块永久非易失的储存器、一个无线通讯模块和一个能与传感器相连的i o 板，在英国石油公司的一条储油船上，b p 公司、c r o s s b o w 公司和h l t e l 公司的工程师经过合作，成功的利用该节点部署了振动监控系统监测了整条船的引擎泵和马达工作状态。2 0 0 5 年3 月，美国i d s y s t e m s 公司联合国家钢铁和造船公司、宾夕法尼亚州立大学等开展了无线设备监测和控制系统( w h l e s se q u i p 涨m tm o i l i t o r i i 玛锄dc 0 n n d ls y s t e m ) 的研究【z ，目的是研发商用无线货运装备监测管理系统，为公司装备监测、控制和分析提供全面的解决方案，提高公司生产力，减少生产运营成本，改善生产安全条件。美国t e x a s 的c 删h ep e a l 【核电厂是目前世界上最大的工业无线传感器网络使用企业。由于无线传感器节点的能量限制和尺寸要求，传感器本身的工艺水平和成本成为无线传感器网络技术在机械振动监测领域应用的一个研究热点。研发适合无线传感器节点使用的低功耗、微型测振传感器技术发展较为迅速。例如：a d i 公司最近就推出了新款a d x i ，0 0 1 传感器，凭借着在汽车应用的高可靠性与恶劣环境条件方面积累的专业技术，a d i 公司开发的单芯片、精密振动传感器能够适应工业应用的苛刻环境，而成本仅为同类传感器的1 3 。传感器的动态性能也有了较大提升，许多其它振动传感器的工作带宽在5 k h z 以下，而a d x l 0 0 1 对马达轴承振动与不规则的早期检测最高可以达到2 2 l 【i z 带宽，使系统操作人员可以尽早识别故障设备，避免重大损失。新款i m e m s 振动传感器采用5 蚴5l i l m 陶瓷封装，可以很容易的设计到马达控制电路中或安装在现有工厂设备的测量点上。同时，作为数据采集的一个重要模块，模数转换器( a d c ) 的性能是可以满足机械振动应用需要的，流水线技术的应用使得a d c 芯片的采样频率高达数十m h z ，功耗仅有几毫瓦【4 。7 】。无线传感器节点的无线收发通信设备也在向超宽带通信( u w b ) 郴巧1 1 、扩频无线通信以及射频芯片的低功耗方向发展。但是目前主要的射频芯片的数据传输速率仍然较低。例如：目前在无线传感器节点中普遍使用c c 2 4 2 0 1 5 2 】芯片理论传输速率为2 5 0 k b p s ，而基于u w b 的高速射频传输技术目前还难以应用到无线传感器节点上。同时，在网络传输协议的研究中，由于协议标准针对应用性强，目前的网络协议构建大多以能量效率和可观测性为优化目标，类似于这样的网络传输协议并不适用于机械振动监测应用。与此同时，无线传感器接节点的能量问题也是限制其在机械振动监测中应用6重庆大学硕士学位论文1绪论的关键技术。目前无线传感器节点普遍采用的供电方式是电池供电，常用的各种原电池和二次电池的能量密度都仅仅能够无线传感器网络在低速采集的应用环境中维持几个月，而将燃料电池小型化应用于传感器节点的研究【5 3 】尚处于初步阶段。另一个方面，为了真正延长节点和无线传感器网络的工作寿命，采用有限的能量存储方式是不可取的，因此，从环境中进行能量提前( 勖旧科s c a v e n g i l l g ) 【5 4 ，5 5 1成为目前无线传感器能量供应的一个研究热点。所采用的能力方法也根据应用环境有多种手段，诸如光电池、温度梯度、振动、压力变化等环境激励均可以转换成为电能供给传感器节点。例如：在人的鞋跟中置入压电发电机平均可以功能3 3 0微瓦c m 2 1 5 6 j ，但是这些技术仍然没有在无线传感器节点上应用。量删和s f i v a s t a v a提出了将传感器网络的任务执行模式与能量获取的特性相结合的思想【5 7 1 ，并论述了相关协议和算法成功的将网络寿命延长2 倍。在目前的应用中，无线传感器节点所监测的物理量大都是温度、湿度、压力、光强度等一些缓变量，即便已经出现的一些无线振动传感器网络，也主要是针对桥梁、高楼等一些大型的建筑结构的低频振动进行监测1 4 5 1 ，而无线传感器网络技术应用于机械振动监测的研究国内外尚处于启动阶段，通过对无线传感器网络的应用技术的研究现状分析发现，在多个学科配合发展的努力之下，面向机械振动监测应用研究无线传感器网络的各项基础理论和应用技术，对于机械设备状态监测和故障诊断工程领域的发展具有重大战略意义。1 4 课题研究的目的和意义1 4 1 课题研究的目的本课题研究的目的：分析无线传感器网络技术应用于机械振动监测系统中所存在的技术问题，并提出基于无线传感器网络的机械振动监测模式，在此模式基础之上，提出了以多数据汇集点为特征的无线网络拓扑结构和拓扑控制方法，实现适用于机械振动测试的无线网络传输协议，初步开发出机械振动无线传感器网络监测系统。1 4 2 课题研究的意义本课题旨在探索、研究和解决无线传感器网络模式下的机械振动监测中的一些难点和关键问题，从机械振动的无线传感器网络监测模式和基于此模式的无线传感器网络的传输协议进行研究，提炼出以数据为中心的多级分层的机械振动无线传感监测模式，研究一种适用于机械振动数据高速传输的无线传感器网络拓扑结构，实现拓扑控制程序，并基于该拓扑控制方法形成一套可移植性强，易于扩展的无线传感器网络传输协议，在无线网络传输层面解决机械振动监测任务中最主要的数据高速传输问题，这对于实现机械振动无线传感器网络监测系统起着至关7重庆大学硕士学位论文1 绪论重要的作用，因此，研究机械振动无线传感器网络监测模式以及高速传输网络协议是实现无线传感器网络应用于机械设备状态监测系统的一个重要环节，对于发展机械设备状态监测和故障诊断手段和方法有着重要的学术意义和工程现实意义。1 5 本文的主要研究内容和创新之处本文主要研究内容1 ) 无线传感器节点的部署和信号采集模式的研究针对不同的应用类型，无线传感器节点的部署方式有较大的差异，与传统的无线传感器网络应用实例不同，机械振动监测系统对于网络的覆盖范围要求不高，传感器节点一般会按照测试需求进行安装而不会随机部署；同时，机械振动信号的采集要求较高，传感器节点一般会处于较高的负载状态，基本不会处于休眠模式，实时性要求也有所不同，因此，针对机械振动监测应用研究无线传感器网络的部署和信号采集模式是设计无线传感器网络结构的基础。2 ) 无线传感器网络的组网方式研究无线传感器网络的组网方式较为多样，在分析机械振动监测的网络需求基础之上，研究目前应用较为普遍的组网方式，形成本文所提出的多数据汇集点混合组网模式，利用该组网方式形成了面向机械振动监测应用的无线传感器网络结构。3 ) 无线传感器网络的拓扑控制研究基于多数据汇集点网络结构的数据传输协议是完成机械振动数据高速传输的关键环节，由于无线传感器网络的灵活性较强，动态组网和数据传输过程中的动态路由都会造成拓扑结构的变化，因此，本文实现了一种基于多数据汇集点的路由方法保证了网内的拓扑稳定性。4 ) 辅助性协议的实现机械振动监测往往需要对被测对象进行多点同步测试，这就要考虑各个传感器节点所采集的振动数据的时间同步问题，如果没有时间同步机制的保障会导致振动数据在后期分析处理时误差过大或者结果完全错误。同时，为了保证数据在传输过程中不出现丢失，数据传输的可靠性协议也是辅助协议的一个重要环节。本文对于较为成熟的辅助性协议进行了研究，并对网络传输协议进行功能了扩展。本文工作的创新之处提出了多数据汇集点的无线传感器网络拓扑结构。对于小范围的无线网络结构来说，数据包在网内传输的过程中多跳传输的几率较少，要实现其数据的高速传输，数据的汇集节点是一个较大的限制瓶颈，本文提出的多数据汇集点拓扑结构以网络节点区域动态分组的方式，增加数据传输的速率，在网络协议层面上初步解决了机械振动数据的高速传输问题。8重庆大学硕士学位论文2 机械振动无线传感器网络监测模式设计2 机械振动无线传感器网络监测模式设计本章针对机械振动监测任务的具体工程需求，分析了无线传感器网络在节点部署形式、信号采集方式、数据传输方式、网络组建模式和数据处理环境等关键技术要素，基于现有无线传感器网络设计机械振动监测模式，以满足机械振动监测的基本要求。2 1 无线传感器网络在机械振动监测中的关键问题无线传感器网络技术的发展为机械振动监测提供了新的思路，用无线传感器网络监测模式来构建无线、分布式机械振动监测系统，可以较好地解决数据采集范围、精度与监测成本之间的矛盾，实现系统自由扩展，并以较低的成本实现大范围监测，同时，无线传感器网络的无线传输方式可以改进监测过程中的数据采集方式，利用传感器节点自身的处理能力将数据进行前端处理和数据融合，使数据采集与分析同步进行，形成具有初步自我分析诊断能力的状态维护传感器网络模型，不仅提高了数据采集和处理的效率，还有效地降低了采集点与后端分析诊断系统之间的通信流量。但是，由于无线传感器网络的硬件技术和软件技术发展尚不成熟，同时，在应用过程中需要针对应用实例重新设计，针对具体的工程应用实例需要在其各个技术层面做修改和完善。本文在第一章绪论中介绍了无线传感器网络在机械振动监测领域应用的一些研究现状，虽然已经在工程现场中已经存在一些实验性的应用研究，但是实现成本昂贵，依然存在很多技术难题没有解决，本文认为无线传感器网络以下几个方面的技术制约了其在机械振动监测中的应用：需要进行适合机械振动监测的无线传感器网络节点的设计。现有的无线振动传感器网络节点中所采用传感器的主要是基于m e m s 振动加速度传感器，拾振频带比较窄，多用于桥梁、建筑物等低频结构振动的监测，不能用于频率相对较高的机械振动的测试。而现有的各种常用的测振传感器由于不能满足无线传感器网络节点低功耗、小体积的要求，也不能直接应用到基于无线传感器网络的机械振动监测中，目前，虽然已经出现动态性能很好的低功耗m s 测振传感器和a d转换芯片，但是并未出现针对无线传感器节点应用的机械振动采集模块。需要解决多个无线传感器网络节点同步采集机械振动信号的问题。机械振动监测中往往需要对多测点振动信号进行同步采集，如模态分析中各个测点的振动数据获取的时间差会导致严重的相位误差。在现有的有线机械振动监测系统中，主要是依靠多通道的同步采集器对各个传感器振动信号进行同步采集。而无线传9重庆大学硕士学位论文2 机械振动无线传感器网络监测模式设计感器网络属于一个分布式系统，在不同的节点中都有着各自的本地时钟，难以实现机械振动信号的同步采集。目前，较为通用的时间同步机制比较复杂，难以适应振动信号数据采集系统的数据流量高和网络负荷大的要求，需要实现一种相对简单的、可以避免较大资源开销的多节点振动数据同步机制。需要解决无线传感器网络中实时处理机械振动信号的问题。对无线传感器网络来说，目前的数据处理能力、存储量、数据传输速率都存在很大的瓶颈，而所采集的振动信号的数据量又相当大，为节省能耗和无线传输的数据量，需要在传感器节点处作振动信号的实时处理甚至是一些简单的信号分析。需要解决大量的机械振动原始数据在无线传感器网络中高速可靠地传输的问题。目前无线传感器节点的数据采集速率虽然可以达到较高的频率，但是由于传感器节点的存储能力非常有限，同时无线网络传输数据的能力较低，以较高的采样频率对振动信号采样时会造成大量数据溢出和在传输过程中丢失，因此，数据传输速率是限制传感器节点高速采样的关键因素，要在无线传感器网络节点中实现低延时、高频率采样，必须提高网络数据传输速率。与此同时，工矿企业监测现场中的各种干扰较大，射频环境的恶劣条件很容易导致数据包的丢失，在多跳无线传输的过程中，链路丢包率往往很高，也会对网络通信产生影响，不利于数据的可靠传输。最后还需要解决无线振动传感器网络的能量收集、供应与管理难题。机械振动监测系统中由于需要进行长期不问断的监测、振动信号的高速采集和大量数据的可靠传输，对能量的需求很大，这对传感器节点的能量供应提出了很高的要求。目前，无线传感器节点一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，需要考虑其它供能方式。上述技术问题，在系统的设计过程中主要可以归结为两方面的设计问题。一方面，是无线传感器网络节点的硬件设计问题，需要设计适合传感器节点使用的微型、低功耗的振动数据采集板，传感器节点也需要高性能的计算能力和存储能力以满足各种节点在处理振动数据时的各种算法开销，同时，传感器节点的通信性能直接影响到网络的传输质量和传输速率；另一方面，无线网络的节点部署形式、数据的采集模式、网络组网方式和传输协议以及数据处理的方法都是通过软件实现的，而无线传感器网络针对机械振动监测这类需要高速高可靠的网络传输要求的应用很少，没有针对性的无线网络传输方案和相关辅助协议的支持。本文在设计基于无线传感器网络的机械振动监测系统中，主要研究无线传感器网络的软件解决方案，通过优化数据的传输模式和网络拓扑结构解决无线传感器网络在机械振动监测应用中的一些技术问题，并选用无线传感器节点硬件平台，基于现有硬件初步实现机械振动监测无线网络平台。1 0重庆大学硕士学位论文2 机械振动无线传感器网络监测模式设计2 2 传感器节点的部署形式和信号采集模式传感器节点的部署的主要矛盾是链路联通质量和覆盖范围之间的矛盾，因此，覆盖问题是无线传感器网络配置首先面临的基本问题，同时根据机械振动监测任务的数据传输要求，保证节点部署的合理性，同时根据机械振动信号采集的多样性需求，设计了测振传感器和无线射频节点的柔性链接方式，提高系统部署的适应能力。2 2 1 无线传感器网络的节点部署和覆盖理论无线传感器网络的节点部署是关系到整个系统能效性和节点连接性的一个关键技术问题，同时网内节点的部署形式直接关系到网络的覆盖性能，覆盖是提供监测和目标跟踪服务质量的一种度量，网络覆