基于時鐘同步的機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集方法研究.pdf

1、機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對于傳統(tǒng)有線機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能提高監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，同時還能實現(xiàn)密封、旋轉(zhuǎn)環(huán)境中關(guān)鍵機(jī)械零部件的振動信號監(jiān)測。然而，機(jī)械振動信號頻率較高，機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中通常采用較高的采樣頻率，要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)更高精度的同步采集。本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集的基礎(chǔ)時鐘同步展開研究，在提高時鐘同步的基礎(chǔ)之上，提高機(jī)械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集精度。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴單跳無線傳感器

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

3、SCS)。經(jīng)過實驗驗證，在單跳網(wǎng)絡(luò)中，LSCS平均時鐘同步精度為3.89μs。
　?、埔驘o線傳感器節(jié)點傳輸范圍有限，當(dāng)節(jié)點范圍超出單跳傳輸范圍時，需采用多跳組網(wǎng)方式。針對多跳網(wǎng)絡(luò)時鐘同步，為減少節(jié)點間通信次數(shù)和避免節(jié)點重復(fù)接收同步包，選用簇樹組網(wǎng)模式并對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行跳數(shù)優(yōu)化。在跳數(shù)優(yōu)化后，簇樹網(wǎng)絡(luò)通信次數(shù)為Mesh網(wǎng)絡(luò)的一半，節(jié)點平均同步包接收次數(shù)為Mesh網(wǎng)絡(luò)的八分之一。在單跳時鐘同步的基礎(chǔ)之上，采用多跳逐級時鐘同步的方法實現(xiàn)多跳網(wǎng)

4、絡(luò)時鐘同步。經(jīng)過實驗驗證，在多跳模式下，LSCS每跳平均時鐘同步精度為2.75μs。
　　⑶在時鐘同步的基礎(chǔ)之上，針對機(jī)械振動無線傳感器網(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)同一的初始采集時間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步觸發(fā)采集，PAN協(xié)調(diào)器計算初始采集時間時，考慮了網(wǎng)絡(luò)深度帶點的命令轉(zhuǎn)發(fā)延遲和終端節(jié)點命令解析處理延遲。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)點無

5、法接收采集命令。采用動態(tài)修正觸發(fā)采集Timer觸發(fā)頻率的方式實現(xiàn)采樣間隔控制。經(jīng)過同步精度驗證實驗中，分別進(jìn)行了信號源信號和機(jī)械振動信號同步采集精度實驗，信號源信號單跳同步觸發(fā)精度為4.38μs，雙跳同步觸發(fā)精度為6.52μs；機(jī)械振動信號單跳同步觸發(fā)精度為5.35μs。最后，對兩節(jié)點機(jī)械振動信號采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了時頻域?qū)Ρ?，時域波形無明顯相位差，頻譜分布無明顯差別。表明本文提出的基于時鐘同步的同步采集方法能滿足機(jī)械振動信號監(jiān)測對無線傳感器