机械振动无线传感器簇状网络路径感知同步触发方法Mechanical Vibration Wireless Sensor Cluster Network Path Perception Synchronous Triggering Method
于莹莹
（辽宁装备制造职业技术学院自动控制工程学院，辽宁 沈阳 110161）
摘要：无线传感器可以实时监测机械振动情况，但如果同步触发问题解决不好，可能会直接影响监测效果，导致机械
设备无法正常使用。为了从根源上解决这个问题，需要重新研究感知同步触发方法。文章以机械振动无线传感器数据采集为基础，提出了STBTC＿P架构与实现，并探讨了簇状网络路径感知同步触发方式，谨供参考。关键词：机械振动；无线传感器；簇状网络路径；感知同步触发方法
DOI：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.019
中图分类号：TN 929.5，TP 212.9 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）03-0063-03
YU Yingying
(School of Automatic Control Engineering, Liaoning Equipment Manufacturing Vocational and Technical College, Shenyang 110161, China)
Abstract: Wireless sensors can monitor mechanical vibration in real-time, but if the synchronization triggering problem is not solved properly, it may directly affect the monitoring effect, leading to the inability of mechanical equipment to function properly. To address this issue at its root, it is necessary to re-examine the perception synchronization triggering method. This article is based on the data collection of mechanical vibration wireless sensors, proposes the STBTC＿P architecture and implementation, and explores the synchronous triggering method of cluster network path perception for reference.
Key words: mechanical vibration; wireless sensors; cluster network path; perception synchronization triggering method
一般来说，同步启动误差应在取样周期内得到控制，这对于重复取样和同步捕获等操作非常重要。然而，在需要几千赫取样频率的机械振动监测中，很难在一个取样周期内完全消除触发误差。因此，本文通过集中分布关系信标来解决多通道网络信标冲突问题，实现整个网络的时钟同步。同时，提出基于信标时间补偿思想的同步触发器设计方法，实现多通道命令的同步启动，从而为提高机械振动同步采集的精度创造有利条件。
1 机械振动无线传感器数据采集1.1数据采集影响因素
噪声主要来自传感器、电源和控制电路，无线传
感器网络节点中的驱动IEPE传感器面临噪声的问题影
响如下：①传感器固有噪声无法避免；②由低压电池
驱动的IEPE传感器需要功率转换，导致功率纹理波增加，直接影响传感器和信号控制电路的性能；③IEPE
加速度传感器通过电源线输出信号，在交流通信控制
电路中引入了约翰逊噪声、散射噪声和1/F噪声，这些噪声对信号精度产生了影响。同时，对现有的无线传感器网络节点进行访问时间的控制是由处理器计时器实现的[1]。
1.2 采集方法
首先，提出一种低噪声功率控制电路的设计方案，旨在隔离数字电路和模拟电路之间的串联干扰。
其次，设计了一种直流IEPE加速度传感器，该传感器具有电源自压噪声功能，可有效降低传感器输出信号的噪声水平。再次，设计了三级光滑通带低频滤波器，以消除高频信号的干扰，提高通带振动信号的精确测量。最后，采用双核处理器体系结构来减少网络维护和管理之间的通信复杂性。其中，使用高精度独立时
钟作为微处理器频率分离后的A/D采样时钟，以避免A/D采样序列的中断，从而提高采样频率的准确性[2]。
2 簇状网络构建2.1 簇状网络结构
簇状网络是一种无线传感器网络的结构形式，由多个传感器节点组成，其中每个节点可以通过与相邻
节点通信来传输数据。在这种结构中，每个节点都可以充当普通节点或簇头节点。普通节点负责采集和传输数据，而簇头节点负责协调网络通信和数据聚合。簇状网络的结构可以分为两个层次：全局层和局部层。全局层是整个网络的结构，由所有节点组成。局部层是每个簇头节点所控制的局部结构，由该簇头节点和其控制的普通节点组成。
（1）在全局层，节点之间的连接可以是直接的或
间接的。直接连接是指两个节点之间直接相连，可以直接进行通信；间接连接是指两个节点之间没有直接连接，但通过其他节点进行中继传输。
（2）在局部层，簇头节点负责与其控制的普通节
点进行通信。普通节点只能与所属簇头节点直接通信，而不能与其他簇头节点直接通信。
2.2 节点选择方法
节点选择方法是指在簇状网络中选择节点充当普通节点或簇头节点的方法。节点选择方法的目标是使得网络中的节点能够合理地分布，并且能够满足网络中的通信需求和能量消耗。常用的节点选择方法有以
下几种[3]。
（1）随机选择。节点随机选择自己的角色，无须
根据网络状态进行判断。这种方法简单易行，但不能保证节点分布均匀，也不能有效地进行能量管理。
（2）基于能量的选择。节点根据自身能量状况来
选择角色。能量低的节点更有可能成为普通节点，而能量高的节点更有可能成为簇头节点。这种方法可以有效地进行能量管理，但不能保证节点分布均匀。
离来选3择角色。距离近的节点更有可能成为簇头节
（ ）基于距离的选择。节点根据与周围节点的距点，距离远的节点更有可能成为普通节点。这种方法可以保证节点分布均匀，但不能进行能量管理。
（4）基于通信的选择。节点根据与周围节点的通信
质量来选择角色。通信质量好的节点更有可能成为簇头节点，通信质量差的节点更有可能成为普通节点。这种方法可以保证通信质量，并且使得节点分布较为均匀。
2.3 簇头选择方法
簇头选择方法是指在局部层中选择簇头节点的方法。簇头选择方法的目标是使得簇头节点能够有效地进行通信和数据聚合，同时减少能量消耗。常用的簇
头选择方法有以下几种[4]。
（1）随机选择。每个节点以一定的概率选择自己作为簇头节点。这种方法简单易行，但不能保证簇头节点分布均匀。
（2）基于能量的选择。节点根据自身能量状况来
选择是否成为簇头节点。能量高的节点更有可能成为簇头节点。这种方法可以有效地进行能量管理，但不能保证簇头节点分布均匀。
（3）基于通信的选择。节点根据与普通节点的
通信质量来决定是否成为簇头节点。通信质量好的节点更有可能成为簇头节点。这种方法可以保证通信质量，并且使得簇头节点分布较为均匀。
簇状网络的结构包括全局层和局部层，节点选择方法包括随机选择、基于能量的选择、基于距离的选择和基于通信的选择，簇头选择方法包括随机选择、基于能量的选择和基于通信的选择。通过合理选择节点和簇头节点，可以有效地构建簇状网络并满足网络
的通信需求和能量消耗[5]。
3 簇状网络路径感知同步触发及方式
集群网络是无线机械振动传感器网络中常见的网络拓扑结构。在这种网络中，同步错误是收集命令到达集合节点时常见的问题。同步错误主要发生在收集开始时，由于节点位于空间网络的异构结构中，收集命令在不同的时间到达收集节点。此外，环境变化如温度和湿度的波动，以及电磁干扰也可能导致收集过程中的时空颤动。然而，由于收集时间较短且节点所在环境相对稳定，这些影响对收集过程的影响较小。在数据采集过程中，命令在不同时间到达不同的采集节点的主要因素是传输路径时间、数据传输时间和程序命令执行时间的差异[6]。
3.1 构建簇状网络
根据需求和场景，在机械振动监测区域内部署多个无线传感器节点，组成一个簇状网络。每个簇中包含一个簇头节点和多个簇内节点。
3.2同步触发信号发出
簇头节点负责发出触发信号，通知簇内节点进行数据采集。触发信号可以通过无线信号或者其他方式进行传输。
3.3簇内节点数据采集
簇内节点通过接收到的触发信号进行数据采集。根据需要采集的振动信号类型，每个簇内节点可以使用加速度传感器或其他类型的传感器采集振动信号。
3.4 数据传输
簇内节点将采集到的数据通过无线传感器网络传
输给簇头节点。传输方式可以采用无线通信技术，例如Wi-fi或蓝牙。
3.5数据处理和分析
簇头节点接收到所有簇内节点传输的数据后，进行数据的处理和分析。可以通过算法和模型对数据进行处理和分析，提取出有用的特征和信息。
3.6 结果传输
簇头节点将处理和分析的结果传输给中央节点进行进一步的处理和展示。可以通过无线传感器网络将结果传输给中央节点或者通过其他方式进行数据传输。
4 机械振动无线传感器簇状网络同步触发优化策略
在机械振动无线传感器簇状网络路径感知同步触发方法中，还可以采用以下策略来优化数据采集和传输的性能。
4.1动态调整簇内节点数量
动态调整簇内节点数量是根据监测区域的实际需求和大小，灵活地设置每个簇内节点的数量。通过动态调整簇内节点数量，可以在需要更密集数据采集的区域增加节点数量，以提高覆盖范围和数据密度；而在较为稀疏或低需求的区域，则可以减少节点数量以节省资源。这样可以根据实际需求优化网络的数据采集能力，提高数据的准确性和有效性。
4.2优化触发信号传输
为了优化触发信号传输，可以采取以下措施。首先，使用高效的通信协议和调度算法，减小传输延迟和抖动，确保触发信号能够及时准确地传输。其次，加强网络信号的抗干扰能力，通过使用更高频率的信号、增强信号的传播范围等方式，提高信号传输的可靠性和稳定性。最后，可以采用冗余机制，在传输过程中增加冗余数据，提高容错能力，保证触发信号的完整性和准确性。通过这些优化措施，可以改善触发信号传输的性能，提高数据采集的同步性和可靠性。
4.3高效的数据压缩和编码
为了实现高效的数据压缩和编码，可以采用以下策略。首先，选择适当的数据压缩算法，如无损压缩或有损压缩，根据数据的特点和需求进行选择。其次，优化数据传输格式和协议，采用紧凑的数据格式，减小数据传输的负载和带宽占用。最后，可以利用压缩编码技术，将数据进行进一步压缩，以减小传输延迟和占用空间。通过这些措施，可以提高数据传输的效率，减少传输成本，加快数据的传输速度，并提高
系统的响应性能。
4.4数据质量控制和去噪处理
为了实现数据质量控制和去噪处理，可以采用以下方法。首先，通过使用合适的滤波器，如低通滤波器或带通滤波器，去除振动信号中的高频噪声和干扰。其次，根据振动信号的特征和频谱分析，应用去噪算法，如小波去噪或自适应滤波，去除频谱上的异常值和噪声成分。最后，可以根据先验知识或振动信号的模型，进一步校正和修正数据，提高数据的准确性和可靠性。通过这些方法，可以有效改善振动数据的质量，减少噪声和干扰的影响，提高数据采集的准确度和可靠度。
4.5高效的数据聚合和处理
为实现高效的数据聚合和处理，可利用并行处理技术，将数据分成多个子任务，在多个处理器上同时进行处理，以提高处理速度。这可以通过并行算法和分布式计算框架来实现。选择高效的数据处理算法和数据结构，如快速排序、哈希表等，以减少计算和存储的开销，提高处理效率。此外，可以利用预处理、缓存和索引等技术，对数据进行优化和加速。通过这些方法，可以提高数据处理的效率和性能，实现高效的数据聚合和处理。
5 结束语
总而言之，为了满足机械振动信号同步采集应用程序中，机械振动采集单元命令同步启动的要求，可开发无线传感器网络机械振动采集命令多频同步启动协议，应尝试直接使用芯片上的硬件定时器来提供补偿时间，引入实时操作系统，改进和完善基本协议，提高命令同步启动的准确性，并进一步研究同步检测方法，以提高同步记录的准确性。■
参考文献
[1]付豪，汤宝平，黄艺，等．机械振动无线传感器簇状网络路径感知同步
触发方法[J]．振动与冲击，2022(6):147-152.
[2]高尚，裴荣，江剑，等．机械工程专业“无线传感器网络”实验式引导
教学新方法[J]．科教导刊，2021(33):57-59.
[3]谭平，卢从安，毛江峰，等．低功耗接触网定位器无线传感器网络节点
设计[J]．浙江科技学院学报，2022(1):79-85.
[4]景鑫．基于Zigbee无线传感网络振动加速度的监测与应用[j]．自动化技
术与应用，2021(5):83-86.
[5]赵春华，张毅娜，胡恒星．基于6LOWPAN的无线振动监测传感器网络
的研究与应用[J]．机械工程师，2019(2):16-20.
[6]胡建川，汤宝平，黄艺，等．基于卡尔曼滤波的机械振动WSNS时间抖
动累积误差抑制方法[J]．中国测试，2022(1):32-39.