劉慶 吳言言 錢黎明

江蘇省重點大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（202112056005Z），項目名稱：機械振動無線傳感器節(jié)點研究;

2021年江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目（21KJB460038），項目名稱：基于壓縮感知的機械振動無線傳感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。

摘? 要：本文分別從無線采集節(jié)點的硬件設(shè)計、壓縮算法設(shè)計和無線傳輸模型設(shè)計三方面介紹了機械振動無線監(jiān)測節(jié)點的發(fā)展現(xiàn)狀，文章最后總結(jié)基于機械振動監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點發(fā)展趨勢和亟需解決的問題。

關(guān)鍵詞：機械;振動;無線監(jiān)測

引言：普遍采用的機械振動有線監(jiān)測系統(tǒng)仍存在較多缺點，諸如布線復(fù)雜、成本高、可維護性差、缺少靈活性等問題。隨著工業(yè)4.0的到來，使得我國在工業(yè)故障診斷領(lǐng)域?qū)Ρ銛y、性能強的前端采集設(shè)備的需求呈井噴式增長。基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測性維護作為人工智能科技高速發(fā)展下的新興產(chǎn)物，能夠利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)算法等一系列人工智能技術(shù)，實現(xiàn)對設(shè)備的預(yù)測性維護，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障點，減少因設(shè)備故障停機帶來的企業(yè)損失，同時還可以有效的降低設(shè)備日常維護成本，提高設(shè)備使用壽命[1]。

一、無線傳感器節(jié)點硬件研究現(xiàn)狀分析

Pushparaj Ramachandran等人利用V-Mon無線傳感器節(jié)點采集滾動軸承的振動信號進行實時振動信號分析，并驗證了其分析結(jié)果與離線分析方法的一致性，節(jié)點采樣頻率為12kHz，傳輸原始數(shù)據(jù)時節(jié)點功率為342mW。Billel等人設(shè)計了一種基于FPGA的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點用于機械振動監(jiān)測和故障診斷，該節(jié)點以XC7A35TFPGA芯片為核心，通過SPI接口與低功耗射頻模塊nRF24L01通訊，采樣頻率可達50kHz，星形網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點間同步采集誤差低至60ns，但是所有模塊工作時功耗較高，達到366.74mW。周羽佳等人設(shè)計了基于Arduino平臺的無線振動傳感系統(tǒng)，用于診斷旋轉(zhuǎn)機械齒輪箱中齒根裂紋故障以及齒面磨損等故障，節(jié)點由16MHz的Arduino單片機和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送的TICC2530兩個控制核心組成，采用三軸加速度傳感器ADXL326和獨立的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115完成數(shù)據(jù)采集，節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集與存儲時功耗為135.4mW。通過上述可知，基于機械振動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計方法雖滿足采集性能要求，但能耗往往較高，也就是說單純從硬件角度降低節(jié)點功耗是比較困難的[2]。

二、數(shù)據(jù)壓縮算法研究現(xiàn)狀分析

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的需求，針對機械設(shè)備振動監(jiān)測的壓縮感知研究正在逐步開展，并取得了一定成果。Xiaofeng Li等人采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)對列車滾動軸承檢測，并采用CS理論對軸承振動信號進行處理。張新鵬等將CS理論應(yīng)用于機械設(shè)備軸承部件的故障診斷監(jiān)測，減少軸承振動信號的數(shù)據(jù)采集量，用以解決傳統(tǒng)采樣方式下采集大量數(shù)據(jù)所帶來的諸多問題。G.Tang等人將稀疏表示與隨機降維映射相結(jié)合，在CS理論框架下對機械故障提取與分類。Yanxue Wang等人采用并行FISTA算法在CS理論框架下對機械設(shè)備的軸承以及齒輪故障進行檢測。嚴(yán)?？档热藢收闲盘柦M成的過完備字典中的字典原子相關(guān)性進行研究，并通過StOMP算法從過完備字典中提取最優(yōu)原子組。Xufeng Chen等人在CS理論框架下采用SpaEIAD算法在以信號自身訓(xùn)練的學(xué)習(xí)字典上對軸承以及齒輪振動信號中的脈沖成分進行有效提取。劉暢等人采用分段重疊的方式構(gòu)造訓(xùn)練樣本并通過MOD算法訓(xùn)練學(xué)習(xí)字典，并在CS理論框架下對振動信號在學(xué)習(xí)字典稀疏表示方式下的重構(gòu)性能進行分析。Zhaohui Du等人在CS理論框架下直接采用信號的壓縮測量值中對信號中的故障特征進行提取，并通過一系列的數(shù)值模擬實驗對其有效性進行驗證[3]。

三、無線傳輸模型研究現(xiàn)狀分析

當(dāng)從控制和通信的聯(lián)合設(shè)計角度進行研究時，必須充分考慮控制器性能與通信之間的關(guān)系，既要考慮如何設(shè)計可靠穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)來保證所設(shè)計的控制算法有效地實施，又要考慮如何設(shè)計具有魯棒性的控制器，使其更適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)包丟失等通信問題。

在2008年，Engang等人提出了一種基于二次型線性反饋控制的多跳變增益調(diào)度方法，控制器參數(shù)通過該方法能夠隨著系統(tǒng)跳變節(jié)點數(shù)而改變，有利于增加系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。在2009年，F(xiàn)u提出了基于編碼自動調(diào)整的WiNCS控制方法，在信道衰減的情況下，能夠增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜萘浚瑫r還對無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能進行了分析，給出了保證控制品質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的設(shè)計策略。在2015年，F(xiàn)eng等人首先提出了控制器和調(diào)度協(xié)同的設(shè)計方法，從控制性能的角度，探討了在有限網(wǎng)絡(luò)帶寬的約束條件下，如何獲得最優(yōu)采樣周期。通過合理的設(shè)置采用周期來提高系統(tǒng)的性能，并建立了控制性能和網(wǎng)絡(luò)性能之間的約束關(guān)系。2016年，劉旭提出了數(shù)據(jù)傳輸速率自動調(diào)整的控制算法，并考慮了WiNCS的系統(tǒng)特性，對網(wǎng)絡(luò)阻塞起到一定的作用。2018年，Li等人研宄了具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時滯的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出了一種雙側(cè)連續(xù)時間事件觸發(fā)機制與控制器同時設(shè)計的協(xié)同設(shè)計方案。2019年，Kim等人提出了一種網(wǎng)絡(luò)與控制協(xié)同設(shè)計的彈性體系結(jié)構(gòu)，該體系通過自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)和控制參數(shù)來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)中的無線信道不確定性，從而保證控制性能。2020年，Aslam等人提出基于時滯網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同方案，考慮約束、耗散約束和L2-L∞約束來解決控制問題，通過引入自適應(yīng)復(fù)合驅(qū)動方案提高網(wǎng)絡(luò)帶寬[4]。

四、結(jié)語

機械振動無線傳感器采集節(jié)點的發(fā)展趨勢向低能耗、同步性好、智能化的方向發(fā)展，但目前基于壓縮感知的機械振動無線傳感系統(tǒng)方面的研究還不成熟。在機械振動信號采集過程中，無線采集節(jié)點的功耗和信號傳輸?shù)耐叫詥栴}，還需進一步的深入研究。

參考文獻：

[1]http：//baike.baidu.com/view/3773914.htm#2.

[2]http：//www.doc88.com/p-807248296215.html.

[3]錢黎明，郭峰，查朦，等.齒輪箱振動無線監(jiān)測節(jié)點發(fā)展現(xiàn)狀[J].無線互聯(lián)科技，2021， 18（04）：20-21.

[4]http：//baike.baidu.com/view/17046.htm#.

作者簡介：劉慶（2000-），男（漢族），江蘇泰州人，本科在讀，南通理工學(xué)院。

吳言言（1999-），男（漢族），江蘇連云港人，本科在讀，南通理工學(xué)院。

通訊作者：錢黎明（1989-），女（漢族），江蘇南通人，碩士，南通理工學(xué)院，講師，主要研究方向：無線傳感網(wǎng)和工業(yè)控制。