機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集與數(shù)據(jù)壓縮方法研究.pdf

1、機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)有線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在一些應(yīng)用中的局限性，擴(kuò)展機(jī)械振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，如實(shí)現(xiàn)對密封環(huán)境或機(jī)械旋轉(zhuǎn)環(huán)境中關(guān)鍵零部件的機(jī)械振動狀態(tài)監(jiān)測。但由于機(jī)械振動監(jiān)測中往往需要較高的采樣頻率，這對機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步采集精度提出了更高的要求。同時，較高采樣頻率將導(dǎo)致采集振動信號數(shù)據(jù)量大，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信道帶寬和存儲能力十分有限，需要在采集節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)高效率的機(jī)械振動數(shù)據(jù)壓縮方法。
　　機(jī)械振動

2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)作為分布式系統(tǒng)，因?yàn)槠湮锢砩系姆稚⑿裕鱾€相互獨(dú)立的采集節(jié)點(diǎn)只能通過維護(hù)本地時鐘來控制采集時序，難以保證同步采集。并且，機(jī)械振動監(jiān)測應(yīng)用與其他低頻采樣應(yīng)用相比，要求的同步采集精度相對更高，僅采用時鐘同步的方法無法滿足其需求，必須從底層的機(jī)械振動信號采樣問題進(jìn)行研究。機(jī)械振動信號采樣頻率高，短時間內(nèi)將產(chǎn)生大量原始數(shù)據(jù)。而機(jī)械振動信號相鄰數(shù)據(jù)間變化較大，難以壓縮，一些基于時域統(tǒng)計(jì)或預(yù)測的數(shù)據(jù)壓縮方法并不適合機(jī)械振動信號

3、的壓縮。同時，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)計(jì)算資源受限，機(jī)械振動數(shù)據(jù)壓縮方法不僅需要考慮數(shù)據(jù)壓縮效率與信號完整性，還需兼顧計(jì)算復(fù)雜度。
　　論文針對機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集空間抖動、時間抖動以及機(jī)械振動信號數(shù)據(jù)壓縮等問題，深入研究了機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集與數(shù)據(jù)壓縮方法，具體研究內(nèi)容如下：
　　1）針對機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)間存在同步采樣觸發(fā)精度不高的問題，提出基于硬件跨層設(shè)計(jì)的同步采集空間抖動控制方法。利用網(wǎng)

4、絡(luò)信標(biāo)中的幀起始定界符（Start of Frame Delimiter，SFD）作為關(guān)鍵同步信息，并對關(guān)鍵同步信息的傳輸進(jìn)行了硬件跨層設(shè)計(jì)，避免同步命令在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中層與層之間和采集節(jié)點(diǎn)模塊與模塊之間傳輸?shù)碾S機(jī)延時。采用先采集再解析命令的機(jī)制，提高了單跳網(wǎng)絡(luò)同步觸發(fā)精度。在此基礎(chǔ)上，研究路由節(jié)點(diǎn)變超幀結(jié)構(gòu)避免信標(biāo)沖突的方法，通過延遲誤差補(bǔ)償方法提高了多跳網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)間的同步觸發(fā)精度。
　　2）針對機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)在

5、連續(xù)采集過程中存在采樣間隔不穩(wěn)定的問題，提出基于晶振頻率偏移動態(tài)補(bǔ)償?shù)耐讲杉瘯r間抖動抑制方法。采用基于雙核心設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)，利用雙核心分工協(xié)作機(jī)制，提高執(zhí)行采集任務(wù)時系統(tǒng)的實(shí)時性，避免了因多任務(wù)搶占導(dǎo)致的采樣間隔抖動問題。同時，利用Sink節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送信標(biāo)中的SFD信號，估計(jì)采集節(jié)點(diǎn)本地晶振頻率偏移，在連續(xù)采集過程中通過晶振頻率偏移動態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒?，達(dá)到抑制時間抖動的目的。
　　3）針對機(jī)械振動信號數(shù)據(jù)壓縮的問題，提

6、出基于子帶能量自適應(yīng)量化的機(jī)械振動數(shù)據(jù)壓縮方法?？紤]到采集節(jié)點(diǎn)有限的內(nèi)存空間，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊離散余弦變換（Discrete Cosine Transform，DCT），利用DCT變換的能量聚集特性對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。研究子帶能量自適應(yīng)量化算法，根據(jù)各個子帶的DCT系數(shù)能量分配量化位數(shù)，降低重構(gòu)信號的失真程度。研究結(jié)合線性預(yù)測、零游程編碼與Range編碼技術(shù)的數(shù)據(jù)壓縮編碼算法，在采集節(jié)點(diǎn)上有效降低了數(shù)據(jù)總量。在子帶能量自適應(yīng)數(shù)據(jù)有損

7、壓縮方法的基礎(chǔ)上，通過預(yù)測差值計(jì)算與編碼，實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動信號數(shù)據(jù)分塊無損壓縮方法。針對某些應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸時間的要求，提出數(shù)據(jù)單塊分割無損壓縮方法，在壓縮處理的過程中同時上傳壓縮數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)壓縮傳輸總時間。
　　4）研發(fā)一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)同步采集等功能模塊，通過實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用對監(jiān)測系統(tǒng)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的同步采集與數(shù)據(jù)壓縮方法的有效性。
　　文章最后對本文的