GIS缺陷检测用低功耗智能无线振动加速度-声发射融合传感器

针对气体绝缘组合电器(GIS)机械和绝缘缺陷的同时同地感知,本文提出一种低功耗智能无线振动加速度-声发射融合传感器。进行了传感器融合结构设计和仿真验证,使用蓝牙低功耗(BLE)实现传感器与客户端通信。首次将伪随机M序列应用于压电传感器的阻抗响应自校准,单次校准仅需数毫秒和数毫瓦。测试结果表明,传感器100 Hz~2 kHz内平均振动灵敏度为511 mV/g, 20~100 kHz内超声灵敏度稳定在70~90 dB之间,相对不确定度小于2%;工作距离小于8 m时,数据传输速率在1 Mbps以上。在设置金属颗粒缺陷的实际GIS设备上开展机械振动-局部放电联合试验,结果表明传感器可实现设备机械振动和超声波信号的同时同地测量,为电力设备运行状态的分布式检测提供了新型有效的方法和手段。

基于作物水分胁迫声发射技术的无线传感器网络精量灌溉系统的初步研究

为实现准确判断作物水分亏缺程度,为精量灌溉提供科学依据,该文基于作物水分胁迫声发射技术,研发了无线传感器网络节点,并设计了无线传感器网络精量灌溉系统。该系统可以使人们随时随地精确获取作物需水信息,并实现精量灌溉。该系统具有功耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活等优点。初步试验表明了该系统的合理性与实用性。可以应用于温室、农田、苗圃等区域。该研究为无线传感器网络在节水农业中的应用做出了探索。

基于无线传感器网络的岩体声发射信号监测系统

在分析了现有岩体声发射信号监测系统存在局限性的基础上,利用无线传感器网络和压缩感知技术,设计了一种新型岩体声发射信号监测系统,详细叙述了系统结构和软硬件实现方法,并将其应用于高速公路岩体边坡稳定性监测。实际应用结果表明,系统设计方案合理可行,且由于使用了压缩感知技术,在采样频率为200 kHz的情况下,也可实现声发射信号原始测量数据和特征参数的远程、实时、可靠的无线传输。

声发射无线传感器网络技术在GIS类设备击穿定位中的应用研究

介绍了一种基于声发射无线传感器网络技术的GIS类设备缺陷故障击穿定位方法,该方法克服了传统击穿定位方式易受环境干扰、定位误差大及危及人员和设备安全的诸多缺点。该系统在500 kV GIS工频耐压试验和1 000 kV GIS雷电冲击试验中均得以成功应用,是一种新型、安全、便捷及有效的GIS类设备击穿定位方法。

分布式平均共识的无线声传感器网络时钟校准

在无线声传感器网络中,每个节点的时钟系统通常独立,受制造工艺、温度、湿度等因素的影响,各节点间的时钟存在异步问题。时钟校准方法是补偿节点间的采样率偏差的有效手段。然而,大部分已有方法只能以集中式的方式适用于无线声传感器网络中,这不仅需要额外的中心处理单元,也将带来较重的通信负担。针对上述问题,本文提出一种无线声传感器网络时钟校准方法。首先,在线性相位漂移模型中引入解卷绕策略,以消除高频处的相位模糊问题,进而提高每对相邻节点间的时钟同步精度。接着,基于分布式平均共识算法,提出一种分布式时钟校准新方法,使各节点并行地、协作地进行时钟同步。其次,在补偿各节点采样率偏差的基础上,仅利用到达时间信息进行分布式声源定位。最后,根据声源位置,分布式地估计各节点之间的起始采样偏差。与已有方法不同,所提方法仅需相邻节点之间的局部通信、无须中心处理单元、鲁棒性强,更适用于无线声传感器网络。本文实验结果表明了该方法的有效性。

基于无线传感器网络的粮虫声信号采集系统设计

为了解决现有储粮害虫声信号采集系统存在的扩展性差、智能化程度不高、性价比较低、灵活性不强、数据传输能力较弱等问题,该文分析了现有储粮害虫声信号采集系统存在的局限性,在此基础上,利用无线传感器网络和压缩感知技术,设计了一种新型储粮害虫声信号采集系统,给出了系统结构和软硬件实现方法,并将其用于采集储粮罐内赤拟谷盗成虫的爬行声。试验结果表明,系统设计方案合理可行,且由于使用了压缩感知技术,在采样频率为10KHz的情况下,可实现20个采集节点所产生的声信号原始采样数据的远程、实时、可靠无线传输。该研究为无线传感器网络在储粮害虫防治中的应用做出了探索。

基于无线声阵列传感器网络的实时多目标跟踪平台设计及实验

介绍了一套自主开发和实现的无线声阵列传感器网络多目标跟踪平台。在相关的多目标跟踪技术的基础上,结合无线声阵列传感器网络的特点,对系统平台的工作流程进行了整体设计并实现了相关算法模块,并在该平台下进行了多目标跟踪实验。实验中利用随机部署在实验区域中的多个声阵列传感器实现了对多个目标实时跟踪,同时还根据实验数据的分析建立了多目标下声阵列传感器的量测模型,并展示了平台下多目标跟踪实验的总体效果及各支撑模块的性能分析。实验表明该平台的设计达到预期要求,是无线声阵列传感器网络在多目标跟踪领域的前沿研究和实践。

基于发射功率自适应的稻田无线传感器网络节点设计

针对水稻生长过程环境因素变化较大以及传感器节点的能量大部分被无线射频阶段所消耗,设计了发射功率自适应的无线传感器节点,建立了长时间、稳定、高可靠性的稻田无线传感器网络。试验测试了水稻的株高、叶面积与生长天数的关系以及对无线信道的影响,结果表明水稻株高和叶面积的增加会降低无线信号强度和通信成功率;通过增大发射功率可以提高通信质量克服由于水稻生长因数对无线信道的影响。在软件设计方面,传感器节点采用睡眠、苏醒工作机制来降低功耗。同时为了延长工作时间、提高通信质量,提出了根据水稻生长周期、通信距离、接收信号强度、平均丢包率等因素自动调整节点发射功率的能量自适应功耗调整机制。田间试验结果表明,水稻田节点发射功率越大,有效通信距离越远,且水稻的密度和高度等对通信有重要的影响;节点发射功率在5 dBm以下时,发射功率的改变对节点工作电流影响较小,节点工作电流均小于40 mA;采用该机制对发射功率进行调整,增大节点发射功率可使通信成功率有大幅的提升;降低节点发射功率仍然保持良好的通信效果。水稻分蘖和抽穗2个生长时期的田间试验结果表明,采用发射功率自适应策略,提高了通信质量,平均丢包率在5%以下,通信成功率大于97%,达到了预期设计目的。

基于声学无线传感器网络的目标跟踪系统研究

利用无线传感器网络对具有声音特性的目标进行跟踪的特点,研究了基于时延估计的声源定位方法。选择广义互相关法作为时延估计算法,并改进球形插值法用于声源定位,从而减小了算法复杂度;再利用IRIS节点设计了一个面向目标跟踪的声学无线传感器网络原型系统,并进行相应的实验。实验结果表明,利用所设计的原型系统能实现对移动目标跟踪,而且跟踪精度较高。

无线传感器网络中一种分布式声源定位方法

无线传感器网络中声源的集中式定位方法具有较高的定位精度,但是网络能耗过大,不适合实际应用,因此,提出了一种基于能量的分布式EM定位方法。该方法以声音能量衰减模型为基础,以EM算法为核心,对节点获取的声音能量信息进行分布式计算,估计得出声源的位置和能量。仿真实验表明,该方法在保证定位精度的情况下,能够有效地减小能量消耗,是一种具有应用价值的定位方法。

温室无线传感器网络节点发射功率自适应控制算法

为了提高无线数据传输的可靠性，基于无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）的温室环境数据采集系统，采用试验的方法研究温室中不同环境下WSN节点之间通信的可靠性。在通信距离为5～40 m，存在作物、温室设施等遮挡影响，相对湿度为35%～80%的情况下，对丢包率和接收信号强度指示（received signal strength indication，RSSI）的关系进行研究，通过RSSI对节点间通信可靠性进行评价。在此基础上，提出WSN节点发射功率自适应控制算法。该算法以 RSSI 作为通信质量的评价因子，通过增大节点的发射功率来提高通信可靠性。测试结果表明，该算法能够根据当前通信状况，自适应地设置节点的发射功率，以尽可能小的发射功率将丢包率维持在1%左右。该算法对WSN在温室中的应用具有实用价值。

具有声定位功能的无线传感器网络节点设计

介绍一种具有声定位功能的无线传感器网络节点,可以实时测量目标节点的方位和距离。对目标方位的估计基于四元十字阵列的时延估计法,对目标距离的估计采用TDOA机理的测距原理。实验测试表明,整个系统在空闲状态下的电流不大于20μA,在15 m的范围内,距离误差小于3%,方位角误差则随着采样率或阵元间距的增大而减小。

无线传感器网络中四元无线声阵列节点选择及目标定位算法

低成本、小型化的无线声传感器网络（WASN）的每个节点只配备一个麦克风而非麦克风阵列,针对随机抛撒的WASN区域外声源目标定位问题,依据声压衰减模型和几何定位机制,提出了四节点无线声阵列声源定位算法。在此基础上分析了声音衰减系数和阵列形状对定位精度的影响,进而选择以Y型阵列作为感知模型,当Y型阵列的中轴线与目标声源的夹角为60°~100°时,定位误差小于1 m.依据仿真结果提出节点选择算法并进行了Y型阵列目标定位实验,结果表明,Y型无线声传感器阵列满足对无线传感器网络（WSN）抛撒区域外50 m处目标的预警需求。

应用于无线传感器网络的射频发射机电路

设计了符合工业无线传感器网络WIA-PA标准的发射机电路。采用中频转换电路控制模拟中频信号的偏置及幅度以满足混频器的输入范围。采用正交双平衡混频器结构进行上变频,通过在固定电容上串联可调电容,拓宽了混频器的选频范围。后级接可编程功率预放大器,产生差分的功率输出信号,以满足不同传输距离的要求。发射机电路在0.13μmCMOS工艺下进行流片。通过与WIA-PA基带芯片联合调试,测试结果表明,设计的直接上变频发射机芯片的误差矢量幅度(EVM)小于13.5%,镜像抑制达到34dBc,很好地满足了无线传感器网络节点的应用需求。

利用无线传感器网络实现运动声源的定位与跟踪

随着无线通信和大规模集成电路的发展，无线传感器网络受到人们越来越多的关注。在无线传感器网络中，如何融合各个节点采集的音频数据实现运动声源的精确定位和跟踪，是目前的一个研究热点。对于目标的定位，通常利用三种类型的物理量来计算：接收信号的强度（ReceivedSignalStrength，RSS）、到达时延／时延差（TOA/TDOA）]、到达方向／到达角（DOA／AOA）。RSS和TOA／TDOA方法实现简单，但定位精度低．并且无法实现多个目标的定位。DOA／AOA通过波束形成算法能够实现对多个目标的同时定位。KungYao等人提出了采用近似最大似然方法估计声源的方位角，并联合多个节点的方位角估计值，通过交叉定位方法实现声源的位置估计。

无线传感器网络的声通信试验系统

在无线传感器网络所处环境中,由于强电磁或短距无线通信频率共存的原因,传感器节点间的短距无线通信常常会受到干扰甚至中断,针对这个问题,研究了一种短距声通信方式,将信号调制于声信号上,通过空气中声信号的传播来完成节点之间的数据通信。首先介绍了本设计的传感器网络节点的硬件结构,以无线射频通信作为主通信方式,声通信作为协通信方式;接着针对物理层上的声通信进行了设计,并介绍了声通信的实现过程及与声通信相关的ARM程序和FPGA控制逻辑部分程序的工作流程。最后的测试实验表明设计的传感器节点间的短距声通信方法是可行的。

无线传感器网络的短距声通信方法研究

在无线传感器网络(WSNs)所处环境中,由于强电磁或短距无线通信频率共存的原因,传感器节点间的短距无线通信常常会受到干扰甚至中断。针对这个问题,研究了一种短距声通信方式,将信号调制于声信号上,通过空气中声信号的传播来完成节点之间的数据通信。设计了用于验证声通信方法的实验系统结构;介绍了微分相移键控(DPSK)调制与解调原理及相关Matlab程序流程、输出与接收放大电路设计。进行了声通信实验,在室内环境时,声通信的最佳距离为2 m,室外环境时,声通信的最佳距离为5 m,最佳波特率均为294 bps。实验数据表明:本系统所设计的声通信方法是可行的。

基于PSK声通信的无线传感器网络节点设计

可用于无线传感器网络的声信号通信方式,不占用无线电通信频率带宽,无射频干扰,在诸如环境监测、军事侦测等领域有广泛的应用前景。研究了一种基于相移键控(PSK)调制声通信的无线传感器网络节点系统。节点系统采用ARM+FPGA的结构,核心控制器为具有低功耗休眠模式的STM32型ARM芯片,FPGA用于进行数据缓存和部分数据处理,采用PZT型扬声器实现声信号的收发。测试表明:节点系统可以在10m范围内进行数据通信,数据码率300bps,误码率小于10-3,系统最大功耗小于0.1 W,最低休眠功耗小于10μW。

神经网络配合声发射传感器在钻岩和磨矿中的应用

该项研究是对声发射传感器联机探测岩石性质进行评价。首先探讨了声发射与岩石破碎机理的关系，然后介绍了把声发射传感器联接到锚杆孔钻机上，用反向传播神经网络“识别”岩石破碎特性和岩石种类。辨认岩石的准确度为９９％。试验表明，神经网络的计算和校准能力能够使声发射传感器发挥更佳的探测作用。

基于声发射技术管道泄漏检测无线智能传感器的设计

设计了基于声发射技术的管道泄漏检测无线智能传感器。它将智能化功能结合到传感器中—进行了敏感元件的选型、硬件电路和传感器外形结构的设计,并编写了传感器接口应用程序。将该智能传感器用于管道泄漏检测实验,结果表明:该传感器可很好地应用于管道泄漏信号检测,集成度高。