基于时钟同步的机械振动无线传感器网络同步采集方法研究

发布时间：2017-05-22 19:15

  本文关键词：基于时钟同步的机械振动无线传感器网络同步采集方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：机械振动无线传感器网络相对于传统有线机械设备状态监测系统能提高监测系统的灵活性、可维护性和可扩展性,同时还能实现密封、旋转环境中关键机械零部件的振动信号监测。然而,机械振动信号频率较高,机械设备状态监测中通常采用较高的采样频率,要求无线传感器网络能实现更高精度的同步采集。论文针对无线传感器网络同步采集的基础时钟同步展开研究,在提高时钟同步的基础之上,提高机械振动无线传感器网络同步采集精度。论文主要工作如下。单跳无线传感器网络时钟同步分为两个过程:时钟偏移补偿和晶振漂移补偿。传统时钟偏移补偿算法采用基于MAC层时间戳交换方式,时间戳交换中存在中断处理、编解码和字节对齐等延时,影响时钟偏移补偿精度。论文采用SFD物理层时间戳交换,避免了除无线电传输延时外其他的时间戳交换延时,提高了时钟偏移补偿精度。针对晶振漂移补偿,在得出参考节点频率恒定时普通节点相对于参考节点晶振偏移与参考节点钟呈二次多项式关系后,提出了基于最小二乘曲线拟合的晶振漂移补偿时钟同步算法(LSCS)。经过实验验证,在单跳网络中,LSCS平均时钟同步精度为3.89μs。因无线传感器节点传输范围有限,当节点范围超出单跳传输范围时,需采用多跳组网方式。针对多跳网络时钟同步,为减少节点间通信次数和避免节点重复接收同步包,选用簇树组网模式并对网络进行跳数优化。在跳数优化后,簇树网络通信次数为Mesh网络的一半,节点平均同步包接收次数为Mesh网络的八分之一。在单跳时钟同步的基础之上,采用多跳逐级时钟同步的方法实现多跳网络时钟同步。经过实验验证,在多跳模式下,LSCS每跳平均时钟同步精度为2.75μs。在时钟同步的基础之上,针对机械振动无线传感器网络同步采集中的同步触发和采样间隔控制问题,提出了解决方案。采用PAN协调器下发同一的初始采集时间实现网络同步触发采集,PAN协调器计算初始采集时间时,考虑了网络深度带点的命令转发延迟和终端节点命令解析处理延迟。在多跳网络模式下,采用基于路由深度的信标冲突避免机制,避免因信标冲突导致终端采集节点无法接收采集命令。采用动态修正触发采集Timer触发频率的方式实现采样间隔控制。经过同步精度验证实验中,分别进行了信号源信号和机械振动信号同步采集精度实验,信号源信号单跳同步触发精度为4.38μs,双跳同步触发精度为6.52μs;机械振动信号单跳同步触发精度为5.35μs。最后,对两节点机械振动信号采集数据进行了时频域对比,时域波形无明显相位差,频谱分布无明显差别。表明本文提出的基于时钟同步的同步采集方法能满足机械振动信号监测对无线传感器网络提出的同步采集要求。文章最后对本文的研究工作进行总结,并展望下一步研究的方向。
【关键词】：无线传感器网络 晶振漂移补偿 时钟同步 机械振动信号 同步采集
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题背景和研究意义9-11
• 1.3 国内外研究现状11-12
• 1.4 论文主要工作和内容安排12-15
• 2 基于最小二乘法曲线拟合的单跳网络时钟同步方法研究15-37
• 2.1 引言15
• 2.2 面向机械振动监测时钟同步协议总体需求15-20
• 2.2.1 基于MAC层时间戳交换时钟偏移补偿算法存在的关键问题17-19
• 2.2.2 基于线性回归晶振漂移补偿算法存在的关键问题19-20
• 2.3 基于SFD物理层时间戳交换时钟偏移补偿算法20-23
• 2.3.1 无线传感器网络节点本地系统时钟20-21
• 2.3.2 基于SFD时间戳交换时钟偏移补偿算法21-23
• 2.4 基于最小二乘曲线拟合晶振漂移补偿算法23-31
• 2.5 基于最小二乘法晶振漂移动态补偿时钟同步算法31-32
• 2.6 LSCS单跳网络时钟同步精度验证实验32-36
• 2.7 本章小结36-37
• 3 多跳网络时钟同步方法研究37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 无线传感器网络拓扑结构选择37-39
• 3.3 多跳无线传感器网络跳数优化39-41
• 3.4 多跳网络时钟同步方法设计41-45
• 3.4.1 多跳网络逐级时钟同步方法41-44
• 3.4.2 多跳逐级时钟同步方法优点44
• 3.4.3 多跳逐级时钟同步通信次数及同步包重复度分析44-45
• 3.5 多跳网络时钟同步精度验证实验45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 4 基于时钟同步的机械振动信号同步采集方法研究49-67
• 4.1 引言49
• 4.2 基于LSCS机械振动信号同步触发采集49-56
• 4.2.1 单跳网络机械振动信号高精度同步触发采集49-50
• 4.2.2 基于路由深度的信标冲突避免机制50-55
• 4.2.3 多跳网络机械振动信号高精度同步触发采集55-56
• 4.3 基于LSCS机械振动信号采样间隔控制56-58
• 4.4 同步采集精度验证实验58-65
• 4.4.1 信号源信号同步采集精度验证实验58-61
• 4.4.2 机械振动信号同步采集精度验证实验61-65
• 4.5 本章小结65-67
• 5 总结与展望67-69
• 5.1 本文内容总结67-68
• 5.2 后期研究工作及展望68-69
• 致谢69-71
• 参考文献71-77
• 附录77
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文77
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目77

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本文编号：386623