基于无线传感器网络的机械振动监测模式

基于无线传感器网络的机械振动监测模式 — — — 汤宝平 贺 超 陈仁祥基来自无线传感器网络的机械振动监测模式
汤宝平 贺 超 陈仁祥 邸永峰
重庆大学机械传动国家重点实验室 ,重庆 ,400030
摘要 : 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的关键技术 ,对无线传感器网络的 数据传输机制 、 网内时间同步机制以及数据传输的可靠性等方面进行了研究 ,形成了测振传感器与无线 传感器节点相结合的监测模式 ,根据该监测模式构建实验平台进行了振动信号实测实验 ,并与有线振动 信号测试分析方式进行了对比分析 ,结果表明 ,基于无线传感器网络的振动监测模式可以满足机械振动 监测应用的基本要求 。 关键词 : 无线传感器网络 ; 机械振动监测 ; 网络传输协议 ; 时间同步 ; 可靠传输机制 中图分类号 : TP393 文章编号 :1004 — 132X ( 2009) 22 — 2737 — 05
Pattern of Wireless Sensor Net works for Mechanical Vibration Monitoring Appl ication Tang Baoping He Chao Chen Renxiang Di Yo ngfeng State Key Laboratory of Mechanical Transmissio n ,Cho ngqing U niversit y ,Cho ngqing ,400030 Abstract : So me key technologies of wireless sensor net works ( WSN ) fo r mechanical vibratio n mo nitoring were discussed. The multi - sink based t ransport p rotocol ,time synchro nizatio n mechanism and reliable t ransmissio n co nt rol p rotocol of WSN were st udied for mechanical vibratio n mo nitoring. A kind of WSN vibratio n mo nitoring pat tern was p resented by co mbinatio n wit h exiting senso r and Micaz motes. A n experimental platfo rm based o n t he p ropo sed pattern was co nst ructed to measure t he mechanical vibratio n. Co mpared wit h t he vibratio n data of t he same co nditio n acquired by t he wired multi - channel signal acquisitio n system based o n U SB2. 0 , t he vibratio n data acquired by WSN based o n t he p ropo sed pattern is correct . The WSN based o n t he p ropo sed pat tern fo r mechanical vibratio n mo nitoring can meet t he basic requirement s of mechanical vibratio n mo nitoring applicatio ns. Key words : wireless sensor net wo rk ; mechanical vibratio n mo nitoring ; t ransport p rotocol ; time synchro nizatio n ;reliable t ransmissio n mechanism
护性差 、 系统灵活性差等一些缺点 。面对这些问 题 ,一个可选择的解决思路就是采用新兴的无线 传感器网络 [ 122 ] 监测模式来构建无线 、 分布式机械 振动监测系统 。但是无线传感器网络技术还不成 熟 ,各种软硬件条件的限制导致应用于振动信号 采集的无线传感器网络系统仅能满足结构中振动 频率较低的测试要求[ 3 ] 。 本文在探讨机械振动监测任务对无线传感器 网络关键技术需求的基础之上 , 研究基于无线传 感器网络的机械振动监测模式 , 以满足机械振动 监测的基本要求 。
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中国机械工程第 20 卷第 22 期 2009 年 11 月下半月
1 机械振动监测中无线传感器网络关键
技术分析
机械振动监测中 , 无线传感器网络的设计要 求相对其他的工程应用有所不同 , 机械振动测试 中被测对象要求的测量点数通常在几十个节点左 右 ,这与常规的无线传感器网络中以大量节点为 基础的大规模组网概念有所不同 , 网络的覆盖范 围相对于环境监测等传统应用要小得多 。但是在 设计上仍然面临很多挑战 : 由于传感器节点的能 量限制问题 ,故目前还难以实现长时间监测 ,尤其 在对高频振动数据的获取和传输时 , 能量的制约 表现得更为突出 ; 机械振动测试中所要求的采样 频率通常在 1～ 10k Hz 范围内 , 高频采样将产生 大量的振动数据 ,要将数据可靠 、 低延迟地传输到 基站还非常困难 ; 同时 ,振动数据是否有较高的时 间同步精度也是信号处理的关键 。综上所述 , 无 线传感器网络在对机械振动进行监测时需要解决 以下几个关键技术 : 振动信号的高速采样 、 各节点 振动数据的时间同步 、 大量振动数据的高速高可 靠传输 。 1. 1 高速采集 在机械振动信号获取中需要高速采集数据和 处理发送大量的数据 ,这对硬件性能 、 数据传输等 方面都有很高的要求 。通常机械结构的振动响应 信号复杂 、 振动频率较高 ,这就要求传感器节点以 较高的采样频率对振动信号进行采样 。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 , 故以较高的 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 。 1. 2 时间同步 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 ,则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 , 如在机械结构模态 分析中 ,各个测点的数据采集时间差会导致严重 的相位误差 。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 , 因此我们需要实现 一种相对简单的 、 可以避免较大资源开销的多节
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点振动数据同步机制 。 1. 3 高速可靠传输 无线传感器网络所采用的物理传输手段较 多 ,但是技术应用最成熟的还是无线电射频收发 技术 ,这种传输方式受环境的影响比较大 ,射频环 境的复杂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 通 常 会 达 到 30 %[ 4 ] ,而数据段的丢失会对后续分析处理造成 较大的影响 ,故数据可靠传输协议显得尤为重要 。 同时 ,影响无线传感器网络数据的传输速率的因 素也比较多 , 如硬件平台的性能 、 MAC 层冲突 、 路由机制 、 数据可靠机制等都会影响数据在网络 中的传输速率 。因此 , 面向机械振动监测的无线 传感器网络系统在设计过程中应该充分考虑各种 因素 ,平衡相互影响 ,提高网络传输性能 。 通过对上述关键技术分析 , 可以发现无线传 感器网络节点对振动信号的高速采样需要依赖较 高的无线网络传输速率 。可以通过提升无线传感 器节点的硬件性能来提高无线传输速率 , 但以现 有的集成度使其硬件性能有较大的提升是难以实 现的 。若以无线传感器网络结构的优化设计为基 础 ,形成针对机械振动监测应用的网络传输方案 , 可以有效地提高无线网络的数据传输的速率和可 靠性 ,将可以在现有硬件条件下提高振动信号的 采样频率 ,使通用的无线传感器网络平台满足机 械振动监测应用的基本要求 。
齿轮传动技术及复杂曲面的制造及检测 。张明德 , 男 , 1975 年
2002 ,30 (10) :38240. ( 编辑 袁兴玲)
作者简介 : 张卫青 , 男 ,1983 年生 。重庆理工大学汽车零部件制 造及检测技术教育部重点实验室研究人员 。主要研究方向为锥
生 。重庆理工大学汽车学院讲师 。郭晓东 , 男 ,1961 年生 。重庆 理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室教授 。 卢明文 ,男 ,1981 年 生 。重庆 理 工大 学 汽 车 学 院 硕 士 研 究 生 。 胡光曦 ,男 ,1960 年生 。天津第一机床总厂高级工程师 。
基于无线传感器网络的机械振动监测模式 — — — 汤宝平 贺 超 陈仁祥
集可靠性 。 2. 2 无线网络传输模式的设计 无线传感器网络传输方案设计是机械振动监 测网络的一个重要的环节 , 无线传感器网络传输 设计方案尚无较为统一的标准 , 针对不同应用场 合网络设计灵活性较大 。根据机械振动测试的要 求来优化设计无线传感器网络拓扑结构是无线网 络传输模式的设计重点 , 在新型拓扑结构基础上 构建网络传输协议栈和相关辅助机制的主要任务 是 : 以多数据汇集点拓扑结构为基础的组网和数 据传输机制 、 数据包时间同步技术和数据传输可 靠性机制 。 2. 2. 1 网络传输机制 在无线传感器网络协议中 , 路由协议是实现 机械振动监测无线网络通信的核心组件 , 监测系 统所需要的组网节点数量较少 , 同时覆盖面积较 小 ,多数应用中无线传输距离较短 ( 数十米以内) , 但是数据吞吐量大 , 要求数据可靠性高 。根据这 些特点 ,在网络模型设计中借鉴了结构健康监测 系统 N E TS HM [ 5 ] 中的无线传感器网络的拓扑 结构 。 在 N E TS HM 中采用的拓扑结构分为两层 , 上层节点使用高性能的网关型节点 , 下层采用