機(jī)械振動無線監(jiān)測節(jié)點現(xiàn)狀分析

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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械;振動;無線監(jiān)測

引言：普遍采用的機(jī)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(hù)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(qiáng)的前端采集設(shè)備的需求呈井噴式增長?；跓o線傳感網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測性維護(hù)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(hù)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障點，減少因設(shè)備故障停機(jī)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(hù)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(jìn)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(jī)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(dá)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(dá)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)行處理。張新鵬等將CS理論應(yīng)用于機(jī)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(jī)降維映射相結(jié)合，在CS理論框架下對機(jī)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(jī)械設(shè)備的軸承以及齒輪故障進(jìn)行檢測。嚴(yán)保康等人對故障信號組成的過完備字典中的字典原子相關(guān)性進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行提取，并通過一系列的數(shù)值模擬實驗對其有效性進(jìn)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(jìn)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?，同時還對無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)械振動無線傳感系統(tǒng)方面的研究還不成熟。在機(jī)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(jìn)一步的深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[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。