机械振动无线监测节点现状分析

刘庆 吴言言 钱黎明

江苏省重点大学生创新创业项目（202112056005Z），项目名称：机械振动无线传感器节点研究;

2021年江苏省高校自然科学研究面上项目（21KJB460038），项目名称：基于压缩感知的机械振动无线传感系统关键技术研究。

摘  要：本文分别从无线采集节点的硬件设计、压缩算法设计和无线传输模型设计三方面介绍了机械振动无线监测节点的发展现状，文章最后总结基于机械振动监测的无线传感器节点发展趋势和亟需解决的问题。

关键词：机械;振动;无线监测

引言：普遍采用的机械振动有线监测系统仍存在较多缺点，诸如布线复杂、成本高、可维护性差、缺少灵活性等问题。随着工业4.0的到来，使得我国在工业故障诊断领域对便携、性能强的前端采集设备的需求呈井喷式增长。基于无线传感网络的预测性维护作为人工智能科技高速发展下的新兴产物，能够利用工业互联网、大数据算法等一系列人工智能技术，实现对设备的预测性维护，提前发现设备故障点，减少因设备故障停机带来的企业损失，同时还可以有效的降低设备日常维护成本，提高设备使用寿命[1]。

一、无线传感器节点硬件研究现状分析

Pushparaj Ramachandran等人利用V-Mon无线传感器节点采集滚动轴承的振动信号进行实时振动信号分析，并验证了其分析结果与离线分析方法的一致性，节点采样频率为12kHz，传输原始数据时节点功率为342mW。Billel等人设计了一种基于FPGA的无线传感器网络节点用于机械振动监测和故障诊断，该节点以XC7A35TFPGA芯片为核心，通过SPI接口与低功耗射频模块nRF24L01通讯，采样频率可达50kHz，星形网络下节点间同步采集误差低至60ns，但是所有模块工作时功耗较高，达到366.74mW。周羽佳等人设计了基于Arduino平台的无线振动传感系统，用于诊断旋转机械齿轮箱中齿根裂纹故障以及齿面磨损等故障，节点由16MHz的Arduino单片机和负责数据发送的TICC2530两个控制核心组成，采用三轴加速度传感器ADXL326和独立的16位模数转换器ADS1115完成数据采集，节点进行数据采集与存储时功耗为135.4mW。通过上述可知，基于机械振动的无线传感器网络节点硬件设计方法虽满足采集性能要求，但能耗往往较高，也就是说单纯从硬件角度降低节点功耗是比较困难的[2]。

二、数据压缩算法研究现状分析

随着互联网技术的不断发展以及物联网建设的需求，针对机械设备振动监测的压缩感知研究正在逐步开展，并取得了一定成果。Xiaofeng Li等人采用网络监测技术对列车滚动轴承检测，并采用CS理论对轴承振动信号进行处理。张新鹏等将CS理论应用于机械设备轴承部件的故障诊断监测，减少轴承振动信号的数据采集量，用以解决传统采样方式下采集大量数据所带来的诸多问题。G.Tang等人将稀疏表示与随机降维映射相结合，在CS理论框架下对机械故障提取与分类。Yanxue Wang等人采用并行FISTA算法在CS理论框架下对机械设备的轴承以及齿轮故障进行检测。严保康等人对故障信号组成的过完备字典中的字典原子相关性进行研究，并通过StOMP算法从过完备字典中提取最优原子组。Xufeng Chen等人在CS理论框架下采用SpaEIAD算法在以信号自身训练的学习字典上对轴承以及齿轮振动信号中的脉冲成分进行有效提取。刘畅等人采用分段重叠的方式构造训练样本并通过MOD算法训练学习字典，并在CS理论框架下对振动信号在学习字典稀疏表示方式下的重构性能进行分析。Zhaohui Du等人在CS理论框架下直接采用信号的压缩测量值中对信号中的故障特征进行提取，并通过一系列的数值模拟实验对其有效性进行验证[3]。

三、无线传输模型研究现状分析

當从控制和通信的联合设计角度进行研究时，必须充分考虑控制器性能与通信之间的关系，既要考虑如何设计可靠稳定的无线网络来保证所设计的控制算法有效地实施，又要考虑如何设计具有鲁棒性的控制器，使其更适应网络时延和数据包丢失等通信问题。

在2008年，Engang等人提出了一种基于二次型线性反馈控制的多跳变增益调度方法，控制器参数通过该方法能够随着系统跳变节点数而改变，有利于增加系统的稳态性能。在2009年，Fu提出了基于编码自动调整的WiNCS控制方法，在信道衰减的情况下，能够增加网络数据传输的容量，同时还对无线网络控制系统的性能进行了分析，给出了保证控制品质和网络服务质量的设计策略。在2015年，Feng等人首先提出了控制器和调度协同的设计方法，从控制性能的角度，探讨了在有限网络带宽的约束条件下，如何获得最优采样周期。通过合理的设置采用周期来提高系统的性能，并建立了控制性能和网络性能之间的约束关系。2016年，刘旭提出了数据传输速率自动调整的控制算法，并考虑了WiNCS的系统特性，对网络阻塞起到一定的作用。2018年，Li等人研宄了具有网络诱导时滞的网络控制系统，提出了一种双侧连续时间事件触发机制与控制器同时设计的协同设计方案。2019年，Kim等人提出了一种网络与控制协同设计的弹性体系结构，该体系通过自适应地调整网络和控制参数来应对网络物理系统中的无线信道不确定性，从而保证控制性能。2020年，Aslam等人提出基于时滞网络的协同方案，考虑约束、耗散约束和L2-L∞约束来解决控制问题，通过引入自适应复合驱动方案提高网络带宽[4]。

四、结语

机械振动无线传感器采集节点的发展趋势向低能耗、同步性好、智能化的方向发展，但目前基于压缩感知的机械振动无线传感系统方面的研究还不成熟。在机械振动信号采集过程中，无线采集节点的功耗和信号传输的同步性问题，还需进一步的深入研究。

参考文献：

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

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

[3]钱黎明，郭峰，查朦，等.齿轮箱振动无线监测节点发展现状[J].无线互联科技，2021， 18（04）：20-21.

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

作者简介：刘庆（2000-），男（汉族），江苏泰州人，本科在读，南通理工学院。

吴言言（1999-），男（汉族），江苏连云港人，本科在读，南通理工学院。

通讯作者：钱黎明（1989-），女（汉族），江苏南通人，硕士，南通理工学院，讲师，主要研究方向：无线传感网和工业控制。