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基于跨层设计的机械振动无线传感器网络同步采集方法

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无线传感器网络（wireless sensor networks,WSNs）因具有机动灵活、部署方便等优点，已开始应用于机械振动监测领域。在机械振动监测应用中，各WSNs节点的振动信号同步采集精度高低会直接影响到振动信号分析处理结果的好环，如试验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，这就要求各个采集节点必须能够保证振动信号的同步采集。机械振动监测采样频率高，对节点间同步采集精度要求更高。但是作为分布式系统，由于物理上的分散性，无线传感器网络无法为彼此间相互独立的各个采集节点提供统一的全局时钟，也不能像有线监测系统那样采用多通道同步采样保持器对各个传感器振动信号进行同步采集，只能通过各个节点各自维护的本地时钟来控制采集，很难保证同步采集。 机械振动监测中无线传感器网络节点的同步采集精度不高的主要原因有时钟同步精度低、采样触发空间抖动、同步采集时间抖动、同步误差随多跳累积以及同步精度易受温度等环境因素影响。上述问题是无线传感器网络节点高精度同步采集机械振动信号亟需解决的关键问题。而本论文针对以上关键问题，深入研究了机械振动无线传感器网络同步采集方法，具体研究内容如下： ①针对机械振动无线传感器网络多跳同步触发空间抖动的问题，提出信标传输偏移补偿的多跳跨层同步采集空间抖动控制方法。基于硬件跨层设计的无线传感器网络平台，在多跳信标网络中利用单脉冲的帧起始定界符（Start of Frame Delimiter，SFD）作为关键同步信息，避免传输协议栈层间与节点模块与模块间同步信息传输随机迟滞；采用抢占式集中关联的信标时序分配方法管理信标时序，避免信标时序冲突；通过同步信息跨层捕获的信标传输偏移补偿方法校准关键同步信息传输偏移，实现机械振动无线传感器多跳网络高精度同步触发。 ②针对机械振动无线传感器网络同步采集时间抖动的问题，分析机械振动无线传感器同步采集时间抖动机理，提出同步信息跨层实时跟踪的同步采集时间抖动抑制方法。首先利用晶振频率动态补偿方法校准部分晶振误差，再针对残余误差构建基于同步信息跨层实时跟踪的同步误差反馈控制系统，利用周期性关键同步信息动态反馈和补偿同步误差，实现振动数据采集时间抖动的有效控制。 ③针对机械振动无线传感器网络同步采集误差随网络跳数累积的问题，提出回归分析的机械振动无线传感器网络同步采集多跳累积误差控制方法。提出多路硬件跨层设计节点架构消除嵌入式软件调度迟滞影响，提高同步任务实时性；建立无线链路跨层传输随机迟滞数学模型，采用回归分析方法校准由此导致的同步信息随机抖动及传输时延计算误差，抑制同步误差多跳累积现象。 ④针对环境温度变化导致WSNs节点晶振剧烈漂移，难以保证节点间同步采集精度的问题，提出晶振漂移补偿的机械振动无线传感器网络同步采集方法：首先研究分析晶振温度漂移特性，针对晶振理想温漂特性建立数学模型，并对热迟滞等非理想漂移特性进行分析；提出基于温漂模型的最小二乘晶振漂移校准方法抑制晶振理想漂移特性，通过变周期模糊PID控制算法抑制晶振非理想漂移特性，在剧烈温漂环境下维护同步采集精度。 ⑤对机械振动无线传感器网络进行系统集成，并通过实验对监测系统性能进行检验。 文章最后对本文的研究工作进行总结，并展望下一步研究的方向。

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