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        基于無線傳感器網(wǎng)絡的機械振動監(jiān)測終端設計

        2020-10-21 07:53:16黃峰亮錢曉捷
        機械設計與制造 2020年10期
        關鍵詞:機械振動傳感加密

        黃峰亮,錢曉捷

        (1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院實踐教學中心,河南 鄭州 451460;2.鄭州大學信息工程學院,河南 鄭州 450001)

        1 引言

        柴油機、發(fā)電機組、空壓機組等機械設備在運行時會產生振動現(xiàn)象[1],通過監(jiān)測機械振動所產生的信號可提前判斷設備的健康狀態(tài)[2],從而避免發(fā)生工業(yè)事故。因此,為保證機械設備的正常運作,通常都會為機械設備配置計算機監(jiān)測系統(tǒng)和報警系統(tǒng),以更直接、準確地得到設備運行狀態(tài)參數(shù)[3],當前已有相關研究。

        文獻[4]提出一種實時在線診斷機械振動狀況的方法,首先采集機械機組運行過程中的振動信號,然后提取信號的特征值及其敏感等級分布,并利用獲取得到的振動信號數(shù)據(jù)構建特征值振動信號數(shù)據(jù)庫,在此基礎上進行機械振動狀態(tài)診斷,但該方法的計算復雜度較高。文獻[5]為分析機械振動狀況,提升振動控制精度,提出基于最小二乘發(fā)射功率的機械振動自適應控制方法,采用無線傳感器監(jiān)測機械振動產生的功率,并通過無線傳感器節(jié)點間通信鏈路質量構建兩者離散關系,最后采用最小二乘法擬合所得結果,并構建自適應數(shù)學模型,通過無線傳感器節(jié)點間的振動信號數(shù)據(jù)傳輸結果,可實現(xiàn)機械振動的實時監(jiān)測,但該方法的加密實時性不好。文獻[6]提出一種基于雙稀疏字典模型機械振動信號壓縮感知方法,通過分析機械振動信號的近似稀疏性,并應用高斯隨機矩陣壓縮測量振動信號,利用測量結果重構原始振動信號,完成機械振動的監(jiān)測,但該方法計算收斂性差。

        針對上述問題,設計一種基于無線傳感網(wǎng)絡的機械振動監(jiān)測終端。采用無線傳感網(wǎng)絡通信技術實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸,提高監(jiān)測振動信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。最后?jīng)實驗可知,所提方法具有有效性。

        2 硬件設計

        2.1 采集節(jié)點

        振動傳感器是一種微型嵌入式系統(tǒng),由多個傳感器節(jié)點構成,用于檢測和采集不同區(qū)域的振動信號數(shù)據(jù),該系統(tǒng)主要由四個模塊組成,分別為:電源、微處理器、感知器以及無線通信模塊。設計傳感器節(jié)點時,除了考慮成本、能耗外,還要考慮節(jié)點通信質量以及耐腐蝕性問題,基于上述因素,構建傳感器節(jié)點的硬件結構,如圖1 所示。

        圖1 傳感器節(jié)點的硬件結構Fig.1 Hardware Structure of Sensor Nodes

        其中電源主要以鋰電池為中心,由電源保護電路、電池監(jiān)測芯片組成的供電模塊,為傳感器提供穩(wěn)定能量。過程中為保證輸入端電阻的對稱,需使電源電路具備靜態(tài)工作功能,因此在設計電源時,在輸入端加入一個直流點位,保證輸入信號與電位的疊加狀態(tài)的穩(wěn)定,其中電源放大電路,如圖2 所示。

        圖2 電源放大電路Fig.2 Power Amplifier Circuit

        微處理器主要作用在于處理信號、存儲振動信號數(shù)據(jù)以及調度節(jié)點任務等,為提升振動信號數(shù)據(jù)調度效率,將采用TI 公司生產的MSP430 處理器,該處理器具有功耗低、計算精度高的優(yōu)點,同時,考慮成本因素,可選用CC2420 芯片兼容ZigBee 協(xié)議,提升振動信號數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性。感知器用于檢測和采集工作環(huán)境振動信號數(shù)據(jù),并通過A/D 轉換將振動信號數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字信號。

        2.2 網(wǎng)關節(jié)點

        網(wǎng)關節(jié)點不僅要求處理能力強,同時還要求運行速度快。由于機械振動產生的信號和振動信號數(shù)據(jù)量較多,因此存儲空間需要具備足夠的容量。網(wǎng)關節(jié)點結構,如圖3 所示。

        圖3 網(wǎng)關節(jié)點結構圖Fig.3 Gateway Node Structure

        此外,由于部分機械設備要求封閉的工作環(huán)境,容易屏蔽外界無線信號,因此要做到室內室外連通。基于上述內容大致分析了無線傳感網(wǎng)絡下機械振動監(jiān)測終端的硬件設計要求,為保證設計終端的運行穩(wěn)定性,進行軟件設計時需考慮上述硬件特征。

        3 軟件設計

        3.1 異常振動信號收發(fā)轉換控制模型

        將采用無線傳感網(wǎng)絡設計機械振動監(jiān)測終端,但由于無線傳感網(wǎng)絡終端節(jié)點的隨機分布性,導致無線傳感網(wǎng)絡終端容易受到網(wǎng)絡的明文攻擊,導致數(shù)據(jù)泄露,需要進行無線傳感網(wǎng)絡終端加密優(yōu)化設計,提高無線傳感網(wǎng)絡終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴R虼嗽跓o線傳感網(wǎng)絡下構建異常振動信號的收發(fā)轉換控制模型時,需設計收發(fā)轉換控制模型的信號監(jiān)測的密鑰。采用橢圓曲線加密機制(Elliptic Curve Cryptography,ECC)接入異常振動信號[7],以此構建異常振動信號收發(fā)轉換控制模型,假設無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號的調制參數(shù)為:param={G1,G2,e,g,g2,g3,h,H1,H2},采用如下Logistics 混沌映射進行異常振動信號的線性分解,構建無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號的同態(tài)密鑰:

        式中:Pn(i=1,……,n)表示無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)監(jiān)測比特序列的特征分布集。采用組合空間結構映射方法進行無線傳感網(wǎng)絡終端敏感數(shù)據(jù)的傳輸鏈路模型設計,計算無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)的互信息特征量和敏感域特征分布分別為:

        采用同態(tài)公鑰加密方案構建無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)的加密密鑰,結合橢圓曲線同態(tài)加密方案進行無線傳感網(wǎng)絡的公鑰隨機數(shù)設計,在不同分塊長度下,結合Logistics 混沌系統(tǒng)的周期性演化軌跡進行線性重組[8]。

        無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)監(jiān)測的Logistics 混沌映射演化軌跡模型進行異常振動信號收發(fā)轉換控制,進行無線傳感網(wǎng)絡終端接入的加密密鑰設計,采用隨機抽樣方法進行無線傳感網(wǎng)絡中終端接入振動信號數(shù)據(jù)的比特序列重建,構建Turbo 碼進行碼元調制,實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡的異常振動信號收發(fā)轉換控制[9]。

        3.2 機械振動監(jiān)測終端算術編碼設計

        采用多層隨機線性重組技術進行無線通信網(wǎng)絡終端振動信號數(shù)據(jù)的特征重組,實現(xiàn)對無線通信網(wǎng)絡終端振動信號數(shù)據(jù)的線性編碼和向量量化分解,構建表征無線傳感網(wǎng)絡終端敏感數(shù)據(jù)的比特序列流,求得第i 個無線傳感網(wǎng)絡終端接入節(jié)點傳輸?shù)絊ink節(jié)點的隨機碼元為λi,引入SuLQ 框架進行算術編碼,得到無線通信網(wǎng)絡終端接入的轉發(fā)鏈路模型用公式描述為,隨機選擇一個向量u,得到無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)的匹配度為:

        使用排隊論的模型進行無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)的線性編碼,以m 為嵌入維,得到無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)的編碼比特流為:

        在穩(wěn)態(tài)收斂條件下,構建區(qū)間分割的算術編碼算法,計算無線傳感網(wǎng)絡終端的明文塊特征量[10],采用隨機線性編碼技術,求得無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)的時間開銷Tservice,等待時間為Twait,二者的關系為:

        采用平均互信息算法,進行無線傳感網(wǎng)絡終端接入線性編碼,得到編碼密鑰的響應特征量為:

        根據(jù)上述算術編碼設計,采用橢圓曲線加密機制和Logistics混沌映射進行無線傳感網(wǎng)絡終端接入的振動信號周期性編碼設計,根據(jù)編碼方案構建加密密鑰,提高振動信號監(jiān)測的安全性[11]。

        3.3 機械振動監(jiān)測振動信號安全接入

        采用分段Logistics 混沌序列置亂方法進行加密密鑰構造,結合神經(jīng)網(wǎng)絡學習方法進行無線傳感網(wǎng)絡終端振動信號數(shù)據(jù)監(jiān)測的量化編碼設計[12],基于隨機關聯(lián)映射編碼機制構建無線傳感網(wǎng)絡終端接入加密的統(tǒng)計特征量為:

        采用分塊特征匹配方法進行數(shù)組加密,加密的長度為n,互信息函數(shù)為H=-〉pilog2(pi),得到優(yōu)化的加密解密方案為:

        C→S:Certificate{Certc}

        C→S:ClientKeyExchange{Kc}

        C→S:CertificateVerify{{hash(messages)}D-1}

        通過調整密鑰參數(shù)p 來進行加密過程的自適應尋優(yōu),當無線傳感網(wǎng)絡終端安全加密的顯著度水平滿足x0=q0*π,那么得到無線傳感網(wǎng)絡終端安全加密的統(tǒng)計特征量式:

        綜上分析,實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡終端安全加密接入,提高了無線傳感網(wǎng)絡終端監(jiān)測的安全性[13-15]。

        4 基于無線傳感器網(wǎng)絡的機械振動監(jiān)測終端

        引入神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法,實現(xiàn)監(jiān)測終端的運行,結合神經(jīng)網(wǎng)絡學習方法量化無線傳感網(wǎng)絡終端振動信號數(shù)據(jù)的特征細節(jié),實現(xiàn)步驟為:

        (1)令x(t),t=0,1,…,n-1,為無線傳感網(wǎng)絡終端振動信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠柧毿蛄?,設置無線傳感網(wǎng)絡終端的初始時間計數(shù)t=0;

        (2)對無線傳感網(wǎng)絡終端接入的新的訓練量化編碼序列進行分段設計,構造網(wǎng)絡終端接入編碼的向量模式x(t)=(x0(t),x1(t),…,xk-1(t))T;

        (3)計算無線傳感網(wǎng)絡終端接入振動信號數(shù)據(jù)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡隱含層中的輸入向量x(t),并采用自適應加權學習方法進行分組學習[11],得到神經(jīng)網(wǎng)絡的加權值與ωi的關系:

        其中:ωi=(ω0i,ω1i,…,xk-1,(it))T,采用深度學習方法進行終端安全加密的自適應學習,在密文域中進行加密特征提取。

        (5)結合組合空間結構映射方法進行信息加密控制,t=t+1,當滿足收斂條件,結束。

        根據(jù)上述算法設計,實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡下的機械振動監(jiān)測終端設計。

        5 仿真實驗與結果分析

        為了測試所提方法在實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡終端振動信號監(jiān)測中的應用性能,采用Matlab7 進行仿真試驗分析。由于機械設備監(jiān)測環(huán)境受限,設置測試環(huán)境范圍為(50×50)m,并布置50 個傳感節(jié)點,采樣頻率為2kHz。為保證實驗的可行性,本次實驗將參照北京樽祥科技檢測中心的機械振動監(jiān)測過程,其監(jiān)測環(huán)境,如圖4 所示。

        圖4 現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境Fig.4 Field Monitoring Environment

        通過設計的無線傳感器網(wǎng)絡的機械振動監(jiān)測終端,并對其性能進行實驗,首先對獲取機械振動信號進行預處理,獲得時域波形及幅值譜;其次,對比不同方法下振動信號數(shù)據(jù)獲取的隱寫性能;最后,對比不同方法無線傳感網(wǎng)絡終端監(jiān)測振動信號監(jiān)測能耗度。具體如下所示。

        5.1 數(shù)據(jù)預處理

        根據(jù)仿真環(huán)境和參數(shù)設定,進行機械振動監(jiān)測,將采用分段監(jiān)測方法進行機械振動信號監(jiān)測,得到機械振動狀態(tài)下的時域波形及幅值譜,如圖5 所示。

        圖5 待加密的終端振動信號Fig.5 Terminal Vibration Signal to be Encrypted

        分析圖5 可知,采集到的信號可有效反映出機械振動情況。在圖5(a)中,監(jiān)測波形有規(guī)律,說明所提方法在監(jiān)測過程中具有穩(wěn)定性,分析圖5(b)可知,在低頻振動情況下能夠有效反映機械振動效果。

        5.2 隱寫性能

        測試不同方法進行無線傳感網(wǎng)絡終端監(jiān)測振動信號數(shù)據(jù)獲取過程的隱寫性能,得到對比結果,如表1 所示。

        表1 終端信息管理的隱寫性能對比Tab.1 Steganography Performance Comparison of Terminal Information Management

        分析可見,采用所提算法進行無線傳感網(wǎng)絡終端接入的信號數(shù)據(jù)變化位數(shù)更高,抗攻擊能力較強,提高了無線傳感網(wǎng)絡終端接入的安全性。因此,應用所提方法可有效提升振動信號監(jiān)測的可靠性。

        5.3 監(jiān)測能耗

        為了驗證所提方法的無線傳感網(wǎng)絡終端監(jiān)測振動信號監(jiān)測能耗度,對比文獻[4]方法、文獻[5]方法,實驗結果,如圖6 所示。

        圖6 不同方法監(jiān)測能耗度對比圖Fig.6 Comparison of Energy Consumption Monitoring by Different Methods

        文獻[4]方法監(jiān)測能耗為25%左右,文獻[5]方法監(jiān)測能耗為50%左右,而所提方法監(jiān)測能耗為5%左右,低于傳統(tǒng)方法,具有較為明顯的優(yōu)勢,如圖6 所示。

        6 結語

        機械振動過程中存在著很多不穩(wěn)定因素,很容易發(fā)生故障,故障的發(fā)生會影響整個系統(tǒng)的運作,所以對機械振動的實時監(jiān)測,有利于及時發(fā)現(xiàn)振動故障,避免影響整個系統(tǒng)的運作。為了更好地監(jiān)測機械振動,提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的機械振動監(jiān)測終端設計。首先利用傳感器節(jié)點及網(wǎng)關節(jié)點設計了檢測終端的硬件,在硬件基礎上,利用Logistics 混沌映射演化構建了異常振動信號的收發(fā)轉換控制模型,通過對振動信號的周期性編碼加密解密,安全接入機械振動監(jiān)測振動信號,最后量化終端振動信號數(shù)據(jù)的編碼,完成檢測終端設。仿真結果驗證了所提方法的有效性,具有較好的故障實時監(jiān)測效果。機械振動監(jiān)測系統(tǒng)設計是現(xiàn)代機械工程領域研究的前沿方向,無線傳感網(wǎng)絡的引入能提升機械設備振動監(jiān)測系統(tǒng)的性能,為現(xiàn)代機械工程領域的研究提供了新的思路和手段。

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