适用于振动信号监测的无线传感器网络研究

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无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Networks)是由大量的传感器节点构成的自组织分布式网络,它是一种融合了传感器技术、微机电技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的新兴综合技术。无线传感器网络由于其成本低、易于安装、维护和更新便捷等优势,受到人们越来越多的关注,目前对无线传感器网络的研究愈加深入,应用领域也更加广泛。通过无线传感器网络采集振动信号,对机械设备状态进行监测,比传统有线传感器省去了布线的过程,减少了环境对传感器的限制,应用更加方便灵活。目前无线传感器网络针对振动信号的应用,仅限于低频缓变信号的采集,但是机械设备的振动信号绝大多数是大数据量的高频率、高加速度信号。目前应用比较广泛的节点平台,都不能很好的达到要求,因此本文针对高频振动信号的采集传输自行设计了无线传感器网络节点平台。本文从对比分析现行的几个无线通信标准着手,研究了无线传感器网络的体系结构特点及其关键技术。详细研究了适用于振动信号监测的无线传感器网络节点的硬件设计和相关程序开发。本论文根据振动信号的特点’以及尽量选取低功耗芯片的原则,选取了ADXL345、MSP430、CC2420作为各个模块的主芯片,在仔细研读各芯片工作原理以及相关研究的基础上,完成了各模块的电路设计,以及电路板的制作。同时通过C语言编程完成了各模块的初始化、各通信接口的连接以及寄存器的读写操作,实现了节点平台的软件设计,使无线传感器网络实现了数据采集和传输。无线传感器网络节点众多,采集数据存在相关性,这就使得数据信息的冗余量比较大,从而导致传输过程中要耗费大量的能量。本文采用了一种分布式小波数据压缩方法,把传统的小波变换引进到无线传感器网络中,这种数据压缩方法有利于减少信号噪声,提高采集信息的质量。同时研究了基于小波的分布式存储和查询方式,这种方法提高了数据存储效率,并且利用小波系数的自相似特性,可以快速、准确的查询到需要查询的数据,较好的满足了降低节点能耗的要求。本论文完成了适用于振动信号监测的无线传感器网络节点的整体设计,通过实验对振动信号采集的可行性进行了验证。并通过一种数据压缩算法,对该节点的性能进行了优化,实现了有效节能,同时提高了数据传输可靠性。
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