基于時(shí)鐘同步的機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集方法研究.pdf

1、機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)有線機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)密封、旋轉(zhuǎn)環(huán)境中關(guān)鍵機(jī)械零部件的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。然而，機(jī)械振動(dòng)信號(hào)頻率較高，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中通常采用較高的采樣頻率，要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)更高精度的同步采集。本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集的基礎(chǔ)時(shí)鐘同步展開(kāi)研究，在提高時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)之上，提高機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集精度。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艈翁鵁o(wú)線傳感器

2、網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步分為兩個(gè)過(guò)程：時(shí)鐘偏移補(bǔ)償和晶振漂移補(bǔ)償。傳統(tǒng)時(shí)鐘偏移補(bǔ)償算法采用基于MAC層時(shí)間戳交換方式，時(shí)間戳交換中存在中斷處理、編解碼和字節(jié)對(duì)齊等延時(shí)，影響時(shí)鐘偏移補(bǔ)償精度。論文采用SFD物理層時(shí)間戳交換，避免了除無(wú)線電傳輸延時(shí)外其他的時(shí)間戳交換延時(shí)，提高了時(shí)鐘偏移補(bǔ)償精度。針對(duì)晶振漂移補(bǔ)償，在得出參考節(jié)點(diǎn)頻率恒定時(shí)普通節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)晶振偏移與參考節(jié)點(diǎn)鐘呈二次多項(xiàng)式關(guān)系后，提出了基于最小二乘曲線擬合的晶振漂移補(bǔ)償時(shí)鐘同步算法(L

3、SCS)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在單跳網(wǎng)絡(luò)中，LSCS平均時(shí)鐘同步精度為3.89μs。
　?、埔驘o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸范圍有限，當(dāng)節(jié)點(diǎn)范圍超出單跳傳輸范圍時(shí)，需采用多跳組網(wǎng)方式。針對(duì)多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步，為減少節(jié)點(diǎn)間通信次數(shù)和避免節(jié)點(diǎn)重復(fù)接收同步包，選用簇樹(shù)組網(wǎng)模式并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行跳數(shù)優(yōu)化。在跳數(shù)優(yōu)化后，簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)通信次數(shù)為Mesh網(wǎng)絡(luò)的一半，節(jié)點(diǎn)平均同步包接收次數(shù)為Mesh網(wǎng)絡(luò)的八分之一。在單跳時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)之上，采用多跳逐級(jí)時(shí)鐘同步的方法實(shí)現(xiàn)多跳網(wǎng)

4、絡(luò)時(shí)鐘同步。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在多跳模式下，LSCS每跳平均時(shí)鐘同步精度為2.75μs。
　?、窃跁r(shí)鐘同步的基礎(chǔ)之上，針對(duì)機(jī)械振動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集中的同步觸發(fā)和采樣間隔控制問(wèn)題，提出了解決方案。采用PAN協(xié)調(diào)器下發(fā)同一的初始采集時(shí)間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步觸發(fā)采集，PAN協(xié)調(diào)器計(jì)算初始采集時(shí)間時(shí)，考慮了網(wǎng)絡(luò)深度帶點(diǎn)的命令轉(zhuǎn)發(fā)延遲和終端節(jié)點(diǎn)命令解析處理延遲。在多跳網(wǎng)絡(luò)模式下，采用基于路由深度的信標(biāo)沖突避免機(jī)制，避免因信標(biāo)沖突導(dǎo)致終端采集節(jié)點(diǎn)無(wú)

5、法接收采集命令。采用動(dòng)態(tài)修正觸發(fā)采集Timer觸發(fā)頻率的方式實(shí)現(xiàn)采樣間隔控制。經(jīng)過(guò)同步精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，分別進(jìn)行了信號(hào)源信號(hào)和機(jī)械振動(dòng)信號(hào)同步采集精度實(shí)驗(yàn)，信號(hào)源信號(hào)單跳同步觸發(fā)精度為4.38μs，雙跳同步觸發(fā)精度為6.52μs；機(jī)械振動(dòng)信號(hào)單跳同步觸發(fā)精度為5.35μs。最后，對(duì)兩節(jié)點(diǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)頻域?qū)Ρ?，時(shí)域波形無(wú)明顯相位差，頻譜分布無(wú)明顯差別。表明本文提出的基于時(shí)鐘同步的同步采集方法能滿足機(jī)械振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)對(duì)無(wú)線傳感器