機械振動無線監測節點現狀分析

劉慶 吳言言 錢黎明

江蘇省重點大學生創新創業項目（202112056005Z），項目名稱：機械振動無線傳感器節點研究;

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

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

關鍵詞：機械;振動;無線監測

引言：普遍采用的機械振動有線監測系統仍存在較多缺點，諸如布線復雜、成本高、可維護性差、缺少靈活性等問題。隨著工業4.0的到來，使得我國在工業故障診斷領域對便攜、性能強的前端采集設備的需求呈井噴式增長。基于無線傳感網絡的預測性維護作為人工智能科技高速發展下的新興產物，能夠利用工業互聯網、大數據算法等一系列人工智能技術，實現對設備的預測性維護，提前發現設備故障點，減少因設備故障停機帶來的企業損失，同時還可以有效的降低設備日常維護成本，提高設備使用壽命[1]。

一、無線傳感器節點硬件研究現狀分析

Pushparaj Ramachandran等人利用V-Mon無線傳感器節點采集滾動軸承的振動信號進行實時振動信號分析，并驗證了其分析結果與離線分析方法的一致性，節點采樣頻率為12kHz，傳輸原始數據時節點功率為342mW。Billel等人設計了一種基于FPGA的無線傳感器網絡節點用于機械振動監測和故障診斷，該節點以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，星形網絡下節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。周羽佳等人設計了基于Arduino平臺的無線振動傳感系統，用于診斷旋轉機械齒輪箱中齒根裂紋故障以及齒面磨損等故障，節點由16MHz的Arduino單片機和負責數據發送的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位模數轉換器ADS1115完成數據采集，節點進行數據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絡節點硬件設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點功耗是比較困難的[2]。

二、數據壓縮算法研究現狀分析

隨著互聯網技術的不斷發展以及物聯網建設的需求，針對機械設備振動監測的壓縮感知研究正在逐步開展，并取得了一定成果。Xiaofeng Li等人采用網絡監測技術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理論應用于機械設備軸承部件的故障診斷監測，減少軸承振動信號的數據采集量，用以解決傳統采樣方式下采集大量數據所帶來的諸多問題。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備的軸承以及齒輪故障進行檢測。嚴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性進行研究，并通過StOMP算法從過完備字典中提取最優原子組。Xufeng Chen等人在CS理論框架下采用SpaEIAD算法在以信號自身訓練的學習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造訓練樣本并通過MOD算法訓練學習字典，并在CS理論框架下對振動信號在學習字典稀疏表示方式下的重構性能進行分析。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狀分析

當從控制和通信的聯合設計角度進行研究時，必須充分考慮控制器性能與通信之間的關系，既要考慮如何設計可靠穩定的無線網絡來保證所設計的控制算法有效地實施，又要考慮如何設計具有魯棒性的控制器，使其更適應網絡時延和數據包丟失等通信問題。

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度方法，控制器參數通過該方法能夠隨著系統跳變節點數而改變，有利于增加系統的穩態性能。在2009年，Fu提出了基于編碼自動調整的WiNCS控制方法，在信道衰減的情況下，能夠增加網絡數據傳輸的容量，同時還對無線網絡控制系統的性能進行了分析，給出了保證控制品質和網絡服務質量的設計策略。在2015年，Feng等人首先提出了控制器和調度協同的設計方法，從控制性能的角度，探討了在有限網絡帶寬的約束條件下，如何獲得最優采樣周期。通過合理的設置采用周期來提高系統的性能，并建立了控制性能和網絡性能之間的約束關系。2016年，劉旭提出了數據傳輸速率自動調整的控制算法，并考慮了WiNCS的系統特性，對網絡阻塞起到一定的作用。2018年，Li等人研宄了具有網絡誘導時滯的網絡控制系統，提出了一種雙側連續時間事件觸發機制與控制器同時設計的協同設計方案。2019年，Kim等人提出了一種網絡與控制協同設計的彈性體系結構，該體系通過自適應地調整網絡和控制參數來應對網絡物理系統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絡的協同方案，考慮約束、耗散約束和L2-L∞約束來解決控制問題，通過引入自適應復合驅動方案提高網絡帶寬[4]。

四、結語

機械振動無線傳感器采集節點的發展趨勢向低能耗、同步性好、智能化的方向發展，但目前基于壓縮感知的機械振動無線傳感系統方面的研究還不成熟。在機械振動信號采集過程中，無線采集節點的功耗和信號傳輸的同步性問題，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.齒輪箱振動無線監測節點發展現狀[J].無線互聯科技，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，南通理工學院。

吳言言（1999-），男（漢族），江蘇連云港人，本科在讀，南通理工學院。

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