本文關(guān)鍵詞：機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，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《重慶大學(xué)》 2015年

機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

黃慶卿  

【摘要】：機械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能有效彌補傳統(tǒng)有線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在一些應(yīng)用中的局限性,擴展機械振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,如實現(xiàn)對密封環(huán)境或機械旋轉(zhuǎn)環(huán)境中關(guān)鍵零部件的機械振動狀態(tài)監(jiān)測。但由于機械振動監(jiān)測中往往需要較高的采樣頻率,這對機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)點的信道帶寬和存儲能力十分有限,需要在采集節(jié)點上實現(xiàn)高效率的機械振動數(shù)據(jù)壓縮方法。機械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)作為分布式系統(tǒng),因為其物理上的分散性,各個相互獨立的采集節(jié)點只能通過維護本地時鐘來控制采集時序,難以保證同步采集。并且,機械振動監(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,必須從底層的機械振動信號采樣問題進行研究。機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)計或預(yù)測的數(shù)據(jù)壓縮方法并不適合機械振動信號的壓縮。同時,由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點計算資源受限,機械振動數(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,還需兼顧計算復(fù)雜度。論文針對機械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步采集空間抖動、時間抖動以及機械振動信號數(shù)據(jù)壓縮等問題,深入研究了機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)針對機械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點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)計的同步采集空間抖動控制方法。利用網(wǎng)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行了硬件跨層設(shè)計,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)點模塊與模塊之間傳輸?shù)碾S機延時。采用先采集再解析命令的機制,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)點變超幀結(jié)構(gòu)避免信標(biāo)沖突的方法,通過延遲誤差補償方法提高了多跳網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點間的同步觸發(fā)精度。2)針對機械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點在連續(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)補償?shù)耐讲杉瘯r間抖動抑制方法。采用基于雙核心設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點,利用雙核心分工協(xié)作機制,提高執(zhí)行采集任務(wù)時系統(tǒng)的實時性,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)點周期發(fā)送信標(biāo)中的SFD信號,估計采集節(jié)點本地晶振頻率偏移,在連續(xù)采集過程中通過晶振頻率偏移動態(tài)補償?shù)姆椒?達到抑制時間抖動的目的。3)針對機械振動信號數(shù)據(jù)壓縮的問題,提出基于子帶能量自適應(yīng)量化的機械振動數(shù)據(jù)壓縮方法�？紤]到采集節(jié)點有限的內(nèi)存空間,對原始數(shù)據(jù)進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)有損壓縮方法的基礎(chǔ)上,通過預(yù)測差值計算與編碼,實現(xiàn)機械振動信號數(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)的機械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng),實現(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,通過實驗與應(yīng)用對監(jiān)測系統(tǒng)性能進行檢驗,驗證了本文提出的同步采集與數(shù)據(jù)壓縮方法的有效性。文章最后對本文的研究工作進行總結(jié),并展望下一步研究的方向。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH113.1;TN929.5;TP212.9
【目錄】：

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5 魏井福;干摩擦對機械振動特性影響分析[D];西安建筑科技大學(xué);2010年

6 謝丹;基于隱式性能指標(biāo)的機械振動優(yōu)化設(shè)計[D];湖北工業(yè)大學(xué);2011年

7 潘秀紅;機械振動對流體對流效應(yīng)的影響研究[D];青島大學(xué);2002年

8 董曉華;局部均值分解在旋轉(zhuǎn)機械振動中的研究與應(yīng)用[D];燕山大學(xué);2012年

9 張磊峰;低載荷機械振動對抗骨質(zhì)疏松的人體實驗研究[D];吉林大學(xué);2014年

10 于學(xué)偉;雙通道機殼振動監(jiān)控儀表的研究及實現(xiàn)[D];中國科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院）;2014年

  本文關(guān)鍵詞：機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，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：219211