（机械电子工程专业论文）机械振动监测无线传感器网络节点研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 机械装备特别是大型关键装备的可靠性、可用性、安全性和可维护性关系到 企业的生产效率和人民的生命财产安全，采用无线传感器网络来构建机械振动监 测系统可以弥补传统有线监测系统的不足。无线传感器网络技术应用于机械振动 监测需解决高频振动信号高效拾取、数据高速同步采集、数据实时存储、数据可 靠传输等问题。现有的通用无线传感器网络节点大多硬件性能不高、运算和处理 能力较差，难以满足机械振动的监测需求，本文研究开发了机械振动监测专用无 线传感器网络节点，主要工作如下。 采用低功耗、高性能的双处理器协作的硬件结构，两个处理器核心各司其职 又分工协作，增强了节点的整体性能又能减小软硬件模块间的耦合性，方便硬件 模块的互换与升级；采用高速的s d i o 接口为节点扩展了大容量s d 存储卡，使 节点具有大容量高速度的数据存储系统，能够胜任连续快速的数据采集与实时存 储；采用高性能高带宽的m e m s 加速度传感器和低功耗程控放大器来代替传统压 电加速度传感器和信号调理放大器，避免了采用传统的振动信号拾取方式造成的 功耗大、电路复杂等不足；采用独立的模数转换器使节点具有较高的数据采集精 度。 采用了基于嵌入式实时操作系统的软件开发方式和分层的软件设计方法，减 小了不同软件模块间的耦合性，提高了软件的移植性和可读性。在节点上引入文 件系统管理大容量的存储空间，极大的方便了采集的数据的管理、共享与进一步 处理。 本文主要针对节点的高频率振动信号拾取、数据快速连续精确采集、数据实 时存储等问题进行了研究，结合了课题组其他成员对专用无线通讯协议和高精度 同步采集方法的研究成果，设计了机械振动监测专用无线传感器网络节点，并以 此节点为基础平台进行了相关的软件开发和系统测试。 文章的最后对本文的研究工作进行了总结与展望，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。 关键词：数据采集，大容量存储，文件系统，机械振动监测，无线传感器网络 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a bs t r a c t f o rt h em e c h a n i c a le q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yt h ec r i t i c a la n dl a r g eo n e s ，t h e r e l i a b i l i t y , a v a i l a b i l i t y , s a f e t y a n dm a i n t a i n a b i l i t yr e l a t et ot h e p r o d u c t i v i t yo f e n t e r p r i s e sa n dt h es a f e t yo fw o r k e r s l i v e s t oc o n s t r u c tt h em e c h a n i c a lv i b r a t i o n m o n i t o r i n gs y s t e m 、衍t l lt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) c o u l do v e r c o m et h el a c k o ft h et r a d i t i o n a lw i r e dm o n i t o r i n g s y s t e m s t oa p p l yt h ew s nt e c h n o l o g yi n m e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m s ，m a n yp r o b l e m s ，s u c ha sh i g h f r e q u e n c y v i b r a t i o ns i g n a l e f f e c t i v e l yp i c k i n gu p ，h i g h s p e e ds y n c h r o n o u sd a t aa c q u i s i t i o n , r e a l t i m ed a t a s t o r a g e ，r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n ，e t c ，n e e dt ob er e s o l v e d t h e h a r d w a r ep e r f o r m a n c ea n dc o m p u t i n go rp r o c e s s i n ga b i l i t yo fm o s te x i s t i n gg e n e r i c w s nn o d ei sp o o r , t h e s en o d e sa r ed i f f i c u l tt om e e tt h en e e d sf o rm e c h a n i c a lv i b r a t i o n m o n i t o r i n g i nt h i sp a p e r , am e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gw s nn o d eh a v eb e e n r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d ，t h em a i nw o r ka r ea sf o l l o w s l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n d h i 曲一p e r f o r m a n c es y n e r g i s t i cd u a l - p r o c e s s o r h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eh a v eb e e na d o p t e d t h i sa r c h i t e c t u r en o to n l ye n h a n c e dt h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en o d e ，b u ta l s or e d u c e dt h ec o u p l i n gb e t w e e nh a r d w a r ea n d s o f t w a r em o d u l e s ，b u ta l s of a c i l i t a t e dt h ee x c h a n g ea n du p g r a d eo fh a r d w a r em o d u l e s ； h i g h s p e e ds d l 0i n t e r f a c eh a sb e e nu s e dt oe x t e n dh i g h - c a p a c i t ys dm e m o r yc a r df o r t h en o d e ，t h e r e f o r e ，ah i g h s p e e dl a r g e - c a p a c i t yd a t as t o r a g es y s t e mw a sa v a i l a b l e c o n s e q u e n t l y , t h en o d eh a so b t a i n e dt h ea b i l i t yo fc o n t i n u o u sh i g h s p e e dd a t a a c q u i s i t i o na n dr e a l - t i m es t o r a g e i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lp i e z o e l e c t r i ca c c e l e r a t i o n s e n s o ra n dt h ec o r r e s p o n d i n ga m p l i f i e r , ah i g h p e r f o r m a n c eh i g h - b a n d w i d t hm e m s a c c e l e r a t i o ns e n s o ra n dl o wp o w e r c o n s u m p t i o np r o g r a m m a b l ea m p l i f i e rw e r ea d o p t e d ， w h i c ha v o i d e dt h ed i s a d v a n t a g eo fl a r g ep o w e rc o n s u m p t i o na n dc i r c u i tc o m p l e x i t y c a u s e db yt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fs i g n a lp i c k i n gu p a ni n d e p e n d e n ta n a l o gt od i g i t a l c o n v e r t e r ( a d c ) h a v eb e e na d o p t e d ，s ot h en o d eh a sg a i n e dah i g h e ra c c u r a c yo fd a t a a c q u i s i t i o n t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do ne m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m sa n da l a y e r e ds o f t w a r ed e s i g ns t y l eh a sb e e na d o p t e d ，w h i c hr e d u c e dt h ec o u p l i n gb e t w e e n d i f f e r e n ts o f t w a r em o d u l e sa n di m p r o v e dt h e t r a n s f e r a b i l i t ya n dr e a d a b i l i t yo ft h e p r o g r a m i no r d e rt om a n a g et h el a r g e - c a p a c i t ys t o r a g es p a c e ，f i l es y s t e mh a sb e e n i n t r o d u c e di n t ot h en o d e ，w h i c hg r e a t l yf a c i l i t a t e dt h em a n a g e m e n t ，s h a r i n ga n df u r t h e r 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 p r o c e s s i n go ft h ea c q u i r e dd a t a i nt h i sp a p e r , t h eh i g hf r e q u e n c yv i b r a t i o n s i g n a lp i c k i n gu p ，c o n t i n u o u s l l i g h s p e e dh i g h p r e c i s i o n d a t aa c q u i s i t i o n ，r e a l - t i m ed a t as t o r a g ew e r es t u d i e d c o m b i n e dw i t l lt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ns p e c i a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l a n dh i g h p r e c i s i o ns y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o nm e t h o df r o mo t h e rm e m b e r so fo u rg r o u p ， am e c h a n i c a lv i b r a t i o nm o n i t o r i n gw s nn o d eh a sb e e nd e s i g n e d b a s e do nt h i sn o d e p l a t f o r m ，r e l a t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n ds y s t e mt e s t i n gh a sb e e np e r f o r m e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h es u m m a r ya n do u t l o o ko ft h er e s e a r c hh a sb e e ng i v e n f u r t h e rs t u d i e sa l ee x p e c t e dt oa c h i e v em a t u r ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，m a s ss t o r a g e ，f i l es y s t e m ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o n m o n i t o r i n g ，w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s i j i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 本文得到了重庆市自然科学基金杰出青年基金计划资助项目“重大装备传动 系统嵌入式智能测试与早期故障预示方法研究 ( c qc s t c 2 0 1j j j j q 7 0 0 0 1 ) 和国家 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 ) 的资助。 机械装备特别是大型关键装备的可靠性、可用性、安全性和可维护性关系到 企业的生产效率和人民的生命财产安全。为了能够预防机械设备故障，越来越多 的工业企业采用机械振动监测系统对关键设备进行监测，国内外已先后推出过多 种机械振动监测系统，在一定的程度上保证了关键机械设各的安全和稳定运行 1 1 - 6 1 。现有成熟的机械振动监测系统大多数采用有线方式连接传感器、信号调理设 备和数据采集设备，这种数据获取方式存在连线较多、布线复杂、电缆易于损毁、 成本高、可维护性差、缺少灵活性等缺点，对于大量移动和旋转的设备或部件， 有线连接方式难以有效完成监测任务。 采用新兴的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n s ) 监测模式来构 建无线、分布式机械振动监测系统可以弥补传统有线监测系统的不足。无线传感 器网络具有易于部署、扩展灵活和易于维护等特点，利用无线传感器网络节点可 以将机械振动信号测点联网，使机械装备和监测系统结合成为一个整体，构成智 能装备物联网系统。 无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，它是由大量传感器节点 通过自组网的方式构成的一种新型网络，其节点以小规模、低成本的器件和电路 为基础，实现传感、采集、处理、存储和组网通信等功能的一体化。这种技术正 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4 1 。 在机械设备状态监测领域中，国内外已开始着手研究基于无线传感器网络的 机械振动监测与设备故障诊断系统 1 5 - 1 9 】。美国能源部、通用电气全球研究院、 s e n s i c a s t 公司、r e n s s e l a e r 工学院等在2 0 0 4 年就开始联合开发用于工业马达系统 监测的无线传感器网络，以改善马达功效、消减能源损耗、减少组建马达监测系 统的成本、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 ) 、 c r o s s b o w 公司和i n t e l 公司通过合作，在一条储油船上利用无线传感器节点部署 了振动监测系统，对整条船的引擎泵和马达工作状态进行监测【2 0 - 2 。 已经出现的一些无线振动监测传感器网络，主要是针对桥梁、高楼等一些大 重庆大学硕士学位论文1 绪论 型的建筑结构的低频振动进行监测【2 2 2 4 1 ，对于机械振动监测专用无线传感器网络 及其节点的研究还较少有成果报道。已出现的一些机械振动无线传感器网络应用 中，大多直接采用现有的通用无线传感器节点或对其进行模仿，而这些通用节点 不是专门针对机械振动监测而开发，因而存在着以下亟待解决的问题： 现有的大多数无线传感器网络应用及其节点大多数对同步精度要求不高 甚至不要求多节点同步采集，而机械振动数据采集往往需要多个测点同步进行数 据采集，要求节点具有高精度低功耗的时间同步协议和同步采集方法。 现有节点大多数针对少量数据的采集与传输，而机械振动监测无线传感器 网络往往需要将较大的原始数据块向上级网络传输，传输过程中哪怕丢失一个片 段都可能对分析结果产生较大影响，因此必须解决大量数据在低功耗无线网络中 可靠传输的问题。 现有的无线传感器网络节点大多数没有配备振动信号传感器或配备的传 感器频带较窄( 2 0 0 h z ) ，只能满足桥梁、建筑物等低频结构振动信号的拾取， 不能用于频率相对较高的机械振动信号拾取。 由于监测对象的原因，现有节点大多数硬件性能不高，运算和处理能力较 差，数据采集速率较低、采样精度较差，仅能满足如环境光照、温度、压力等缓 变信号的数据采集要求1 2 5 2 6 1 ，对于采样速率和精度有较高要求的机械振动监测还 难以胜任。 现有的节点绝大多数数据存储空间较小、数据存取速度较慢。快速的高精 度数据采集必然在短时间内产生大量的数据，在连续数据采集过程中，存储空间 较小容易造成存储溢出而丢失数据，存储系统写入速度过慢容易造成数据无法及 时缓存而丢失。 综上所述，本文以机械振动监测专用无线传感器网络节点为研究对象，对现 有节点应用于机械振动监测中存在的高频率振动信号拾取困难、数据采集速率和 精度低、数据存储空间小、节点硬件性能较低等问题进行了研究。结合课题组其 他成员对低功耗无线通讯协议和高精度同步采集方法的研究成果，研发具有自主 知识产权的机械振动监测专用无线传感器节点，为无线传感器网络技术应用于机 械振动监测提供基础的软硬件平台。这对无线传感器网络应用于机械振动监测具 有重要工程意义和一定的学术价值。 1 2 国内外研究现状 近年来随着无线通信技术、微机电技术、半导体技术、片上系统和传感器技 术的发展，无线传感器网络已成为当今信息领域的研究热点，国内外纷纷开展无 线传感器网络基础理论及其应用技术的研究。美国国家自然基金委员会、国防部 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 投入巨资支持相关基础理论的研究，美国加州大学伯克利分校、麻省理工学院、 斯坦福大学等纷纷投入大量的科研力量进行无线传感器网络软硬件系统的开发 2 7 - 3 0 1 ，在工业界，美国的英特尔、谷歌、微软等信息业巨头也纷纷开始了无线传 感器网络方面的研究工作。 我国也十分重视无线传感器网络的研究，2 0 0 6 年初发布的国家中长期科学 与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器 网络研究直接相关，国家2 0 1 0 年远景规划和“十五”计划中也把传感器网络列为重 大研究项目和重点发展产业之一。物联网的概念的提出更是丰富和延伸了无线传 感器网络的研究领域和应用范围，物联网技术的研究被纳入国家2 1 世纪发展纲 要，作为物联网发展核心之一的无线传感器网络产业，必然迎来长足发展。在此 背景下，国内不少科研院所在最近几年中设置了许多与无线传感器网络相关的研 究项目，积极开展了研究工作，并在如通讯协议、网络架构、节点设计、应用系 统等方面取得了不少成果【3 l a 5 。 1 2 1 无线传感器网络节点研究现状 目前已出现的节点从硬件结构和设计方式上可以分为两类，一类是采用分立 元器件的设计方式；另一类是基于集成片上系统的设计方式。 现有节点大多数是采用分立元器件的设计方式，这些节点在硬件结构上基本 相同，由传感器、处理器、存储器、射频等分立元器件组装在印制电路板上而构 成。这些器件的选型能在很大程度上影响节点的性能、整体能耗和工作寿命，处 理器决定了节点的控制能力和数据处理能力，存储器的大小和容量决定了节点的 数据处理与存储能力，射频通信模块决定了节点的数据传输速率、无线通讯距离 和大致功耗。现有节点可以按处理器性能划分为三个档次： 简单节点。这类节点的处理单元一般由8 位或1 6 位单片机构成，处理器运 行频率在1 0 m h z 以内，片内集成小于1 0 k 字节的数据存储器、小于1 0 0 k b 的程序存 储器，一般不运行操作系统或运行女i t i n y o s 、i _ t c o s i i 等小型嵌入式操作系统。 这类节点的典型代表有c r o s s b o w 公司的m i c a 系n r 3 6 1 、t e l o s 系歹l j 3 7 1 ，c s r i o 研 究室的c s r i o 节点f 3 3 1 ，中科院计算所的e a s i 系列节点f 3 叼等，这类节点一般处理器 频率较低、数据存储器和程序存储器较小，多用于温度、压力、光照、结构健康 监测等领域，难以胜任机械振动信号的实时采集和大量数据的存储与处理。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 图1 1m i c a z 节点 f i g 1 1m i c a zn o d e 中等性能节点。这类节点处理单元一般由频率为几十到上百1 v h z 的3 2 位 处理器构成，具有几十k b 的数据存储器、几百l ( b 的程序存储器，一般不运行操 作系统或运行小型嵌入式操作系统。 图1 2l o t u s 节点 f i g 1 2l o t u s n o d e 这类节点的典型代表有耶鲁大学的x y z 节点【4 0 1 以及美新( m e m s i c ) 公司 在2 0 11 年推出的l o t u s 节点 4 1 】。x y z 节点采用了o k i 公司的m l 6 7 q 5 0 0 x 处 理器，该处理器基于3 2 位a r m 7 t d m i 内核，运行频率为6 0 m h z ，具有3 2 k b 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 数据存储器；美新( m e m s i c ) 公司在2 0 1 1 年推出的l o t u s 节点则具有一颗 n x p 公司的l p c i 7 5 8 处理器，该处理器基于3 2 位a r mc o r t e xm 3 架构，运行频 率最大可达1 0 0 m h z ，相比上一代的a r m 7 内核的处理器，这种新的架构具有更 高的性能同时却具有更低的功耗。 这类节点处理能力较强、硬件结构较为简单、成本较低、功耗也较小，比较 适合作为机械振动监测节点，但由于x y z 节点的设计目的是作为研究可移动无 线传感器网络的节点平台、l o t u s 节点的设计目的是通用型无线传感器网络节 点，它们均不是针对机械振动监测而设计，不具备测振加速度传感器或相应模块， 数据采集精度不高，所具有的数据存储空间也不够大，难以满足大容量数据存储 要求。 高性能节点。这类节点一般采用频率为几百m h z 的3 2 位处理器，外部扩 展几十m b 的数据存储器和程序存储器，具有很强的运算和处理性能，一般可以 运行l i n u x 等大型嵌入式操作系统。这类节点的典型代表有c r o s s b o w 公司2 0 0 7 年推出的i m o t e 2 视频无线传感器节点【4 2 】和美新( m e m s i c ) 公司2 0 1 2 年即将推 出的i m o t e 3 结构健康监测无线传感器节点。 图1 3i m o t e 2 节点 f i g 1 3i m o t e 2n o d e i m o t e 2 节点采用了英特尔公司于2 0 0 4 年发布的p x a 2 7 0 嵌入式处理器，p x a 2 7 0 是基于a r m 的低功耗x s e a l e 核心处理器，最高频率可达6 2 4 m h z ，美新( m e m s i c ) 公司2 0 1 2 年即将推出的i m o t e 3 结构健康监测无线传感器节点采用了4 0 0 m h z 的 a r m 9 处理器。在节点上使用这样强大的处理器，能够满足很多复杂的数据处理功 能的需求，但是这种节点硬件结构复杂、成本较高、功耗较大，一般只适合于作 为网关节点或汇聚节点使用。另外，随着处理器架构的进步和半导体工艺的进步， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 目前基于a r m 的c o r t e xa 系列处理器在性能和功耗上已大大优于老迈的x s c a l e 和 a r m 9 核心处理器，相信不久就能见诸于无线传感器网络应用。 集成片上系统的节点设计方式采用微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s ，m e m s ) 技术和片上系统( s o c ) 技术在单个器件上集成传感器、处理器、 存储器、通讯模块和自定义逻辑模块等。用这样的器件辅以较少的外设即可构成 功能完整的节点，这种设计方式是减少节点的体积、成本和功耗的有效手段。这 种节点的典型代表有u c b e r k e l e y 的s m a r td u s t 4 5 1 、d u s tn e t w o r k s 公司的片上节 点( m o t eo nc h i p ) d n 2 5 1 0 e 4 6 1 。s m a r td u s t 采用了m e m s 技术，在l 2 m m 的尺寸里 集成了传感器、处理器、太阳能电池、厚膜电池、光通信装置等。d n 2 5 1 0 面向工 业无线h a r t 应用，采用了低功耗片上系统技术，在1 2 m m x l 2 m m 的单芯片上集成 t 2 4 g h z 射频、网络通讯控制、电源管理组件等功能模块，成功地达到了减小体 积、降低功耗的目的，仅需两颗a a 电池即可工作数年。 图1 4 片上节点d n 2 5 1 0 f i g 1 4m o t eo nc h i pd n 2 5 1 0 目前此类节点的前期开发验证一般在f p g a 开发平台上进行，在f p g a 验证完 成后，若配上先进的工艺来转化为a s i c 芯片批量生产，则可以大幅度的减少设计 原型的功耗、体积和成本。由于能够自行设计逻辑模块，f p g a 平台的开发灵活性 较高，但开发较为复杂，此类开发平台的典型代表有p i c o r a d i 0 1 4 7 】，c s e m 的 w i s e n e t l 4 引，芬兰坦佩雷技术大学的m u l t i r a d i ow s np l a t f o r m 4 9 等。由于受微纳 技术和器件的发展限制，此类节点目前还只是停留在实验室验证阶段，鲜见成熟 的产品面世。 1 2 2 机械振动无线传感器节点研究现状 目前国内外对于机械振动无线传感器网络的研究多集中于振动发电【5 0 1 、测振 传感器【5 、通讯协议和时间同步f 5 2 】等基础理论和组件的研究，对于节点的研究还 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 较少见到相关报道，市面上也难以找到针对机械振动监测的无线传感器节点产品。 已出现的一些机械振动无线传感器网络应用案例中，大多是直接采用现有的通用 节点或是对其进行模仿或改进的产品。 j a g a n n a t hv m d 等人研究的轴承监测无线传感器节点w i b e a _ m 5 3 1 采用了 t m o t e 节点加a d x l l 0 5m e m s 加速度传感器来进行改造。t m o t e 节点采用的是 8 m h z 的m s p 4 3 0 单片机，a d x l l 0 5 加速度传感器的带宽为1 2 k h z ，能满足大多 数机械振动信号拾取，但此节点采集精度和存储深度仍然难以满足要求较高的机 械振动监测。a l v a r oa r a u j o 等人研究的高性能结构健康监测节点【5 4 l 采用了一颗 p i c 3 2 高性能单片机控制2 4 位高精度模数转换器进行数据采集，采用运行l i n u x 操作系统的a r m 9 处理器作为主控单元，采用支持i e e e8 0 2 1 5 协议的无线模块 实现高精度同步采集，采用w i f i 无线通讯模块来传输大量数据。此节点最高采 样率达19 2 k h z ，不但能满足像桥梁、建筑等大型结构的低频振动监测，还能够满 足机械结构的高频率振动监测，但是其结构过于复杂，功耗巨大，一组2 4 v7 a h 的大容量电池也仅能够使它持续工作1 5 h 。 国内西北工业大学的张国强等人研究的飞机状态监测节点【5 5 采用了a d x l 3 2 l m e m s 加速度传感器，最大带宽2 5 k h z ，采用了c c 2 4 31 无线射频芯片和z i g b e e 通 讯协议，通过s p i 总线挂接s d 存储卡来缓存数据。此节点可以满足某些振动频率较 低的机械设备的监测，但由于其传感器带宽不高，而且采用s p i 接口方式读写s d 卡 的速度较慢，因此难以实现较高频率的振动信号实时采集和缓存。北京化工大学 的袁洪芳等人研究的机泵振动监测节点【5 6 l 采用了f p g a 控制采样、d s p 进行数字滤 波、a v r 单片机控铝u z i g b e e 射频芯片来传输数据，该节点存在结构复杂、器件较多， 功耗较大、成本高昂等缺点。 1 - 2 3 无线传感器网络及其节点的技术特征 无线传感器网络是一种面向应用的网络，它集成了监测、控制以及无线通讯 功能，与传统无线通讯网络和数据获取方式相比，它具有一些独有的特征，这些 特征使无线传感器网络存在很多亟待解决的新问题，也给具体应用带来很多新的 难题和挑战。无线传感器网络及其节点具有以下典型技术特征陟5 9 】： 电源能量受限 无线传感器网络中由于节点数量较大，一般要求单个节点成本低廉，另外由 于受体积所限，节点一般只能由一定容量的电池供电。节点一般部署在无需人为 长期看管的自然环境或者工业现场，由于环境限制，难以为节点更换电池或补充 电力，一旦节点携带的电池能量耗尽，在得到新的能量补充之前，节点会失去工 作能力。所以电源能量受限是整个传感器网络设计中最关键的约束之一，直接决 定了网络的工作寿命，节点的硬件、通讯协议及应用程序设计要处处考虑到降低 重庆大学硕士学位论文1 绪论 功耗。 通信能力和网络带宽较窄 无线传感器网络节点的低功耗特性和目前低功耗无线通信技术水平，决定了 节点的无线通讯数据传输速率不可能很高。低功耗无线通讯一般发射功率不可能 太大，这就决定了单个节点的通讯覆盖范围较小，很多时候不同位置的节点必须 依靠多跳中转才能互相交换信息。这种中转也进一步降低了网络的数据吞吐率。 相对于处理器运算，无线通讯消耗的能量占据了节点的能耗的主要部分，所以软 件设计上也必须尽量减少节点通讯次数，这些因素造成无线通讯网络带宽较窄。 节点硬件资源和性能受限 由于受功耗、体积和成本限制，节点一般采用频率不高的单片式微处理器， 因此节点运算能力较弱，程序存储空间和运行空间较小，所以在软件设计时要处 处考虑到优化代码、提高效率，尽量利用有限的资源完成传感器数据采集，存储、 处理和传输等功能。另外，在设计时也要尽量选用具有更先进半导体工艺制程的 芯片，以获得更高的性能功耗比。 节点自组网和动态拓扑 传感器网络的应用中，节点的数目一般较多，不可能人工逐个节点配置网络 参数，而且节点的分布和安装位置往往也是预先不可知、节点在工作和睡眠状态 之间切换以及由于各种原因发生故障而失效等随时会造成节点加入或者退出网 络，这些特点都需要节点具有较强的自组织能力，能够自动检测与配置网络，网 络拓扑能够根据不同的情况而动态地变化，各节点能够自适应地调整工作状态， 正确地完成网络的监测任务。这对网络协议的各种算法( 如路由算法和m a c 协议 等) 的有效性提出了挑战。 以数据为中心 传感器网络是高密度网络，某一区域内很多节点可能都会探测到同一个物理 现象，他们发送的数据会存在冗余信息，为了使传输的数据量最小，从而节省能 量，需要网关节点或数据汇聚节点将来自多条路径的数据进行节点上处理与融合， 消除冗余信息。对于针对数据采集和监测的无线传感器网络来说，大量数据的流 向都是由终端采集节点经网关节点到汇聚节点再到用户终端，越是靠近数据流向 项层的节点其负荷和通讯压力也越大。在节点硬件设计和网络通讯协议设计时要 充分考虑这一特点，对处于数据流向顶层的节点在性能和电池能量上给予倾斜。 一应用相关性 客观物理世界的信息量多种多样，不同的监测对象的监测信号具有不同特征， 因此无线传感器网络应用系统是一个高度定制的系统，需要根据具体被测参量的 特点，选择不同的硬件平台、软件系统和网络协议，这是传感器网络设计不同于 重庆大学硕士学位论文1绪论 传统网络的显著特征。如环境温度、光照，气压和结构健康监测等无线传感器网 络所监测的信号变化较为缓慢，采集的数据信息量少，处理简单，因此可以采用 性能和功耗较低的节点平台以延长电池寿命、降低成本。而机械振动无线传感器 网络采集的振动信号一般频带范围较宽、数据量较大、处理和分析也较为复杂， 这需要节点具有更强的运算处理能力和数据存储能力而又要兼顾电池寿命和节点 成本，这使得高数据处理速率的节点设计面临着严峻的挑战。 1 2 4 机械振动无线传感器网络架构及其特征 与常规的无线传感器网络中大量节点大规模自组网不同，机械振动监测现场 的覆盖面积一般比较小，这样的近距离组网有利于降低节点的发射功耗，但是在 节点单跳范围内可连通的节点较多，这增加了数据在无线信道中发生冲突和碰撞 的几率。机械振动监测对象测点数通常为几个到几十个，所以节点的网络规模和 网络结构的复杂度相对于环境监测等传统应用要小的多，但节点所获得的振动数 据量较大，网络的数据吞吐量要求较高，因此尽量降低节点到数据终端的多跳通 讯次数以及采用多个汇聚节点是增加网络吞吐量的有效措施。 国 国 审 i i j 甲荔事- 一。 毒蠡一垒固一一i 兰二鲨 匮j 誊篡霎j 终端节点j 图1 5 多汇集点的多级分层网络拓扑结构 f i g 1 5h i e r a r c h i c a lm u l t i - l e v e ln e t w o r kt o p o l o g yw i t hm u l t i s i n kn o d e 具有多个汇聚节点的多级分层机械振动监测系统网络结构如图1 5 所示，节 点按其在无线通讯网络中的位置和角色的不同可以进一步细分为终端节点、网关 节点和汇聚节点。终端节点处于网络末端，主要任务是数据采集；网关节点除数 据采集任务外还负责管理其子簇、对簇内节点的数据进行转发或处理；汇聚节点 通过有线的方式连接p c ，无需考虑供电问题，主要负责将其子簇内节点的数据汇 聚并传输到p c 机。通过增加汇聚节点的数量，可以减小每个汇聚节点的数据通 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 讯压力，增加数据终端的数据接收速率。终端节点和网关节点的硬件架构及主要 功能基本一致，节点在自组网过程中根据一定的网络扩展算法进行分簇扩展而形 成多级分层网络。汇聚节点的硬件结构和软件功能均不同于终端节点，它需要具 备与p c 机的数据通讯接口以及相应控制软件，以实现将无线网络中的数据报发 送给p c 机监控软件、将监控软件的命令包向无线网络中发布，本文不对汇聚节 点进行专门研究，而是直接采用课题组已有的汇聚节点及配套监控软件成果。 与现有的环境监测、结构健康监测无线传感器网络应用有所区别，机械振动 监测无线传感器网络对节点有如下几点特殊需求： 节点要具有高频率振动信号的拾取能力。现有的各种常用的测振传感器需 要单独配备复杂的信号调理与放大设备，不能满足无线传感器网络节点低功耗、 小体积的设计要求。而现有的无线振动传感器节点主要是针对桥梁、建筑物等低 频结构振动的监测，所配备的m e m s 振动加速度传感器频带较窄( _ 2 0 0 h z ) ，不 能用于频率相对较高的机械振动信号拾取。 节点要具有较高的数据采集速率和采样精度。机械振动信号的频率成分与 机械结构和激励信号均有关系，其频率范围一般在1 0 h z - 2 0 k h z ，所以机械振动 信号采集器需要具有较高的采样速率才能确保获取无混叠的、有分析价值的振动 信号。另外，机械振动信号采集器要具有较高的采集精度，以提高后续分析和处 理精度。 要具有较高的同步采集精度。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。无线传感器网络属于一个分布式系统，各个节点均靠无线网络接收监控 中心的命令，必须设计合理的有效的时间同步网络通讯协议，以保证多个节点具 有较高的同步采集精度。 要求节点运算和处理能力较强。采样率越高，节点需要实时处理的数据流 就越大，只有拥有具有较强的处理能力才能保证数据的实时采集和后续处理，现 有节点处理器大多数性能较差，仅能胜任低频缓变信号的数据采集要求。 节点需要具有大容量的数据缓存空间。快速的高精度的数据采集必然在短 时间内产生大量的数据，这对节点的数据缓存空间大小和存取速度提出了较高要 求，而现有节点绝大多数只具有极小的数据存储空间。 可靠的低功耗无线通讯。机械振动监测网络以数据为中心，大量数据的流 向都是由终端采集节点到汇聚节点再到用户终端，所以节点的无线通讯协议必须 在实现低功耗的同时保证大量数据块的可靠传输。 保持低功耗。无线传感器节点的主要能量来源是其携带的电池，良好的低 功耗设计能有效延长节点的工作寿命，机械振动监测无线传感器节点比一般节点 1 0 重庆大学硕士学位论文 1绪论 具有更复杂的结构和更强的性能，所以其低功耗设计也成为一个难点。 1 3 论文的主要工作和内容安排 1 3 1 论文的主要工作 本文首先提出了研究机械振动专用传感器网络节点的背景和意义，分析了国 内外节点研究现状，总结和分析了节点的技术特征和机械振动监测节点的特殊需 求，针对无线传感器网络机械振动监测应用面临的振动信号高效拾取、同步高速 采集、快速存储、可靠传输等相关技术要点进行了研究，设计了机械振动监测专 用无线传感器节点硬件平台，并以此节点平台为基础进行了相关的软件开发和系 统测试。本文的主要内容包括： 分析了无线传感器网络的技术特征和现有节点的优缺点。本文首先分析了 无线传感器网络共有的技术特征，然后分析了机械振动无线传感器网络及其节点 特有的技术需求，分析了主流无线传感器节点的基本结构和硬件资源，总结了它 们的优点与不足，为针对机械振动监测应用的专用无线传感器节点设计提供参考 与借鉴。 提出了机械振动监测专用无线传感器节点方案。综合前文的分析提出了一 种针对机械振动监测应用的专用节点架构，根据所提出的架构，完成了节点的传 感、采集、存储、通讯等模块单元的硬件电路设计并进行了样机的制作。 在节点样机硬件平台上完成了相应软件设计。基于肛c i o s i i 嵌入式实时 操作系统完成了数据采集、数据存储等底层驱动程序以及文件系统中间层移植等 上层控制软件，集成了课题组其他成员开发的低功耗无线通讯协议、同步采集方 法、汇聚节点及配套的监控软件等成果，使节点与相应的软件系统构成一个完整 的机械振动监测系统。 完成了节点的基本测试工作。首先将节点的m e m s 加速度传感器与传统 的压电加速度传感器进行了对比测试，然后对节点的电压采集精度、同步采集精 度和机械振动信号采集能力进行y 钡, t j 试，最后测试了节点在各种模式下的功耗。 1 3 2 内容安排 本文的各章节内容安排如下： 第一章介绍了无线传感器网络的基本概念和主要应用领域、技术特征和应用 于机械振动监测需解决的技术难点。分析了无线传感器网络节点研究现状，指出 了本课题的研究目的和意义。 第二章给出了机械振动监测专用无线传感器网络节点的总体设计方案，在方 案的基础上，以低功耗为原则，完成了各模块单元的硬件选型，电路原理图设计 和节点样机制作。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 第三章给出了节点软件总体设计方案，完成了节点的程控放大、数据采集、 s d 卡高速读写等底层驱动程序，完成了文件系统移植，与无线通讯模块的数据 命令接口等程序开发工作。 第四章给出了节点的测试方法和测试实验数据。测试了节点的电压采集精度 和同步采集精度，对比测试了本文采用的m e m s 加速度传感器的性能，振动信号 采集性能，最后还给出了节点的功耗测试数据。 第五章是结论和展望，对本文工作进行了总结，并对后续研究工作给出了一 些建议。 重庆大学硕士学位论文 2双处理器架构的节点硬件设计 2 双处理器架构的节点硬件设计 根据机械振动监测无线传感器节点的技术特点和具体工程需求，提出了双处 理器架构的节点的总体设计方案并对其进行了分析，节点主要由传感、采集、存 储、无线通讯、电源和处理器五个模块单元构成，本章将详细叙述各个模块单元 的器件选型和电路设计方案。节点硬件设计上尽量选用低功耗器件与低功耗电路 方案，处处体现低功耗这一主题。 2 1 总体方案设计 本文设计的机械振动专用传感器网络节点总体方案和硬件架构如图2 1 所示， 该节