CN103547899A

CN103547899A - 振动监视系统

Info

Publication number: CN103547899A
Application number: CN201280024660.2A
Authority: CN
Inventors: W·肖特; C·隆布里泽; B·韦斯
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-06-05
Also published as: WO2013001385A1; US20140142871A1; EP2726835A1; EP2726835A4; CN103547899B

Abstract

本发明涉及一种用于监视振动以在转换成加速度采样的加速度波形中检测不同振动事件的方法。该方法包括：向高速缓存存储器中存储加速度采样作为加速度帧序列（S110）；在所述加速度帧中的每个加速度帧中检测不同振动事件的存在或者不存在（S160）；在加速度帧中检测到不同振动事件的情况下，从所述高速缓存存储器向长期存储器件转发所述加速度帧（S170）。

Description

振动监视系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量并且数字地处理振动传感器信号的方法和设备。具体而言，本发明涉及一种用于根据DIN4150-3监视对建筑物的振动损坏的低功率无线振动分析传感器系统。

背景技术

德国标准化协会的标准DIN4150-3“Vibration in buildings–Part3:Effects on structures”定义一种用于测量并且评估建筑物上的振动的方法并且为不同建筑物类别（诸如工业、住宅以及旧或者坏的结构状态）推荐如下阈值，在这些阈值以下的振动可以视为无害。

用于这一任务的现有系统通常由数据记录器构成，一个或者多个感测设备（通常为地震检波器）连接到该数据记录器。这一数据记录器可以用于测量直至填满机载存储器，这时终止测量。

一些数据记录器具有用于对于某一时间数量触发记录的集成功能。其它系统可以是无线的，但是经常成批发送它们的记录的数据，从而需要大量带宽并且传送监视器不感兴趣的大量信息，因此需要相当能量并且因此造成短暂系统寿命。

一些振动感测系统被设计用于低功率无线通信并且也执行不同信号处理功能。它们通常使用微控制器用于处理，这些微控制器仅允许有限复杂性的算法或者需要延长的计算时间，因此不允许低功率操作或者连续监视。在US2008/0082296A1中描述一个这样的示例。

具有无线通信和振动传感器的其它设备将现场可编程门阵列（FPGA）运用于滤波，诸如在“Development of a smart wirelesssensing unit using off-the-shelf FPGA hardware and programmingproducts,in Smart Structures and Systems,Vol.3(1),2007”中呈现的设备或者在“Development of wireless smart sensor for structural healthmonitoring,Proceedings SPIE,2005”中呈现的设备。然而这些设备并不生成事件而是描述分布式信号处理算法。此外，它们未包括用于长期监视对建筑物的损坏的特殊功能。

因此需要一种用于处理振动信号的改进方法和设备。

发明内容

根据第一方面，体现本发明为一种用于监视振动以在转换成加速度采样的加速度波形中检测不同振动事件的方法。该方法包括：

-向高速缓存存储器中存储加速度采样作为加速度帧序列；

-在所述加速度帧中的每个加速度帧中检测不同振动事件的存在或者不存在；

-当在加速度帧中检测到不同振动事件的情况下，从所述高速缓存存储器向长期存储器件转发所述加速度帧。

在实施例中，该方法可以包括以下特征中的一个或者多个特征：

-所述加速度帧中的每个加速度帧具有固定长度，并且其中所述加速度帧中的每个加速度帧包括在所述高速缓存存储器中存储的若干帧；

-该方法还包括以下步骤：根据所述高速缓存存储器中存储的所述加速度帧计算速率帧；计算用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数，其中检测步骤包括基于计算的速率参数在根据所述加速度帧计算的所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动的存在或者不存在；

-向所述长期存储器件存储用于所述速率帧中的每个速率帧的所述速率参数的步骤；

-长期存储器件是包括第一地址空间和第二地址空间的存储器，并且其中在检测到不同振动事件的情况下从所述高速缓存存储器向存储器的第一地址空间转发所述加速度帧，并且向存储器的第二地址空间存储每个所述速率帧的所述速率参数；

-通过使用前向欧拉积分计算所述加速度帧的均值并且使用后向欧拉积分对DC偏移补偿的加速度帧积分来根据所述加速度帧计算所述速率帧；

-用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数是：每个所述速率帧在长度为W的窗口内的最大绝对振动速率|v_i|_max，其中W小于或者等于速率帧的长度；所述最大绝对振动速率|v_i|_max在长度为W的所述窗口内的位置

；每个所述速率帧的主频f_i；

-通过以下操作构造长度为W的窗口化速率帧的步骤：对每个速率帧的速率采样移位，使得具有最大绝对振动速率|v_i|_max的速率采样在长度为W的所述窗口的中心；并且丢弃每个速率帧的在长度为W的所述窗口以外的速率采样；

-通过以下操作检测每个所述速率帧的所述主频f_i：使用实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算长度为W的每个所述窗口化速率帧的频率频谱的量值；并且搜寻使所述频率频谱的量值最大的频率索引；

-通过在所述实值W点Bruun快速傅里叶变换的最后级中使用余弦定律来计算频率频谱的量值；

-使用所述实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算频率频谱的量值还包括：将长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的滤波器窗口函数w相乘；存储长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的所述滤波器窗口函数w相乘的结果；并且同时计算Bruun快速傅里叶变换的第一级；

-检测所述主频f_i还包括以下步骤：通过按位移位来预缩放长度为W的每个所述窗口化速率帧的速率采样，使得最大绝对振动速率|v_i|_max由最大有效数字编号代表，其中通过以下操作在所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动事件的存在：比较所述最大绝对振动速率|v_i|_max与预定义阈值v_th(f_i)；并且如果所述最大绝对振动速率|v_i|_max超过所述阈值v_th(f_i)则检测到事件。

根据另一方面，体现本发明为一种用于监视振动以检测不同振动事件的装置，其中该装置被配置用于执行本发明的方法的所有步骤。

附图说明

现在将通过非限制示例并且参照附图描述一种体现本发明的系统和方法，在附图中：

-图1是描绘本发明的一个实施例的流程图；

-图2是详述根据本发明的用于监视振动的装置的部件的图；

-图3是示出高速缓存存储器和长期存储器件的可能组织的图；

-图4是图示用于从加速度信号获得速率信号的积分模块的示意图；

-图5是主频检测模块的示意图；

-图6是检测模块的示意图；

-图7是可能的无线振动传感器网络的示意图，该网络包括一个或者多个根据本发明的用于监视振动的设备。

具体实施方式

本发明描述一种用于监视振动并且检测超过给定的阈值的振动的方法，这些阈值例如是在DIN4150-3中为建筑物结构上的振动的限制而规定的阈值。首先将振动变换成加速度波形，该加速度波形然后从模拟连续数量转换成离散时间数字表示。这些加速度采样形成加速度帧，从这些加速度帧确定多个速率参数。加速度帧存储于高速缓存存储器中。高速缓存存储器是用作暂时存储的存储器。对于每个加速度帧，向长期存储器件保存速率参数，因此创建连续速率参数流。该方法还比较速率参数与例如DIN4150-3定义的可配置阈值函数。在超过阈值函数的情况下，也向长期存储器件转发与事件对应的加速度帧。转发意味着将加速度数据从高速缓存存储器移向长期存储器件。长期存储器件与高速缓存存储器相比能够存储更大量的数据。长期存储器件可以是外部存储器，也就是与高速缓存存储器不同的存储器。有利地，可以在以后请求可能更详细分析时提供加速度帧。有利地，用于监视振动的设备被设计用于低功率操作，从而允许从单个电池在数月内连续振动监视。

参照图1，在步骤S100，获取加速度采样用于进一步分析。在实践中，加速度传感器将振动变换成可以被采样并且滤波成加速度采样序列的加速度波形。可以将振动变换成与三个正交轴x、y和z对应的独立波形。数据获取单元可以并行预处理振动信号以获得经滤波的加速度信号a_i(k)，其中i指示轴x、y或者z之一。

可以将数据获取步骤S100划分成分别由如图2中所示专用模块执行的五个步骤，该专用模块为：提供模拟加速度波形的加速度传感器200、用于对加速度波形滤波的模拟滤波器210、用于将加速度波形采样成数字加速度采样流的模数转换器（ADC）220、用于对加速度采样滤波的数字滤波器230和用于对经滤波的加速度数据下采样的下采样器2400。

例如数据获取单元可以获取用于每个轴x、y和z的加速度波形而动态范围为±2g并且分辨率为0.5mg。振动信号可以由传感器设备检测，该传感器设备由微机电系统（MEMS）加速度传感器构成。可以用3dB截止频率为128Hz的单独低通210对加速度波形中的每个加速度波形滤波。然后可以以2,048kHz的速率用16位模数转换器（ADC）220对振动波形采样。然后在进一步处理之前温度补偿加速度采样。数字滤波器230可以实施3dB截止频率为128Hz的三阶巴特沃斯滤波器（Butterworth filter），该滤波器在信号由下采样器2400下采样成256Hz信号之前有利地加强模拟滤波器。

将理解可以并行处置来自传感器的不同获取加速度波形x、y和z，即针对每个信道使用单独滤波器。

将低通滤波器划分成模拟和数字部分有利地允许减少本发明的实施例所需要的物理部件数目，因此有助于实施并且节省成本。可以将逻辑转变成可编程和可配置集成电路，诸如现场可编程门阵列（FPGA）240。

回顾图1，在步骤S110，向高速缓存存储器2410中存储从振动信号获取的加速度采样作为加速度帧序列。高速缓存存储器可以集成于FPGA240中。这减少本发明的实施例所需要的物理部件数目。加速度帧可以具有固定长度，也就是说，每个加速度帧可以包括多个加速度采样。此外，加速度帧可以跨越所述高速缓存存储器中存储的若干帧。

然后在步骤S120至S160，处理高速缓存的加速度采样用于检测不同振动事件的存在或者不存在。这可以通过测试信号参数集合是否超过阈值函数来完成。为了这一目标，如图2中所示，将经滤波的和采样的加速度采样分割成重叠加速度帧并且在集成单元2420、峰值检测单元2430和主频检测单元2450中进一步处理。由于用于这些操作的资源需求增加，所以可以用时间复用方式对不同轴的加速度帧执行这些操作，因此仅需单个实施的单元2420、2430和2450。对于每个轴和加速度帧，计算三个速率参数：峰值速率|v_i|_max（也称为最大绝对速率）、它的时间索引

（也称为最大绝对振动在被分析的帧内的位置或者索引）和主频f_i。参数值由事件检测模块2460收集，该模块比较每个集合与阈值函数（例如从DIN4150-3推导的阈值函数）。在任何轴的值超过阈值函数的情况下，认为检测到事件。

在步骤S120，根据从高速缓存存储器取回的加速度帧计算速率帧。可以通过首先使用前向欧拉积分计算加速度帧的平均速率值，然后在第二后向欧拉积分内减去所述平均速率值以获得DC偏移补偿的速率帧来执行速率帧的计算。为包括多个加速度帧采样F的加速度帧计算速率帧。步骤S120可以由图2上所示积分单元2420执行。计算的速率帧v(k)然后可以用于相继步骤S130和S140。

在实践中，对单独轴的加速度数据积分以确定速率参数|v_i|_max、

和f_i。为了分析，积分单元从高速缓存存储器取回加速度帧。例如加速度帧可以包括F=512个加速度采样。如果选择采样周期T使得T=1/256秒，则包括512个加速度采样的加速度帧代表两秒的加速度信号。后续帧可以重叠帧的尺寸的一半，即一秒。

图4示出能够执行积分步骤S120的电路的示例。可以在可编程和可配置集成电路（诸如图2的FPGA240）上实施这一示例电路。

为了积分，DC偏移补偿电路首先使用前向欧拉积分v_f(k+1)＝v_f(k)+T·a(t)在帧F内计算均值

其中T是采样周期（例如T=1/256s）。平均速率值用来通过后向欧拉积分

计算无DC偏移的速率信号。

有利地，将前向欧拉积分用于计算DC偏移

而后向欧拉积分用于最终积分减少了总积分误差。

可以将积分器的动态范围扩展成18位，另外，累加器可能由于下溢或者上溢而饱和，这被指示给事件检测器，使得它可以按照DIN45669-1处置它，DIN45669-1描述对于用于根据DIN4150-3执行测量的设备的要求。

接着在图1的步骤S130，计算速率帧v(k)的两个速率参数。速率参数表征感测的振动或者加速度波形中的不同振动事件。第一速率参数是最大绝对振动速率|v_i|_max并且是针对在长度为W的窗口内的每个速率帧而计算的，其中W小于或者等于速率帧的长度。在实践中，针对在步骤S120从加速度帧积分的每个速率帧计算最大绝对振动速率|v_i|_max。仅在速率帧的中间内搜索|v_i|_max；例如，如果两秒的速率帧包括512个采样，则在中心的256个采样（即[128，383]）内计算最大速率。一旦发现最大观测速率|v_i|_max，第二速率参数自动跟随：时间索引是最大绝对振动速率|v_i|_max在长度为W的窗口内的位置。在实践中，

对应于|v_i|_max在速率帧内的采样索引，使得

参数|v_i|_max和可以由图2中的峰值检测单元2430计算。

接着在步骤S140，从速率帧提取以

为中心的长度为W的窗口。这可以通过对每个速率帧的速率值移位使得最大绝对振动速率|v_i|_max在长度为W的所述窗口的中心并且通过丢弃每个速率帧的在长度为W的所述窗口以外的所有速率值来执行。例如可以通过选择速率值

从步骤S130的速率帧提取尺寸为W＝256的窗口。然后向主频检测单元转发窗口化速率帧v'(k)。

居中的窗口可以由图2的窗口居中单元2440执行。

接着步骤S150确定窗口化速率帧v'(k)的主频f_i。主频f_i可以由图2的主频检测单元2450检测。

在图5中表示主频检测单元的示例。该单元用来计算在Bruun之后的改型全实值快速傅里叶变换（FFT）（G.Bruun,z-TransformDFT Filters and FFT’s,IEEE Trans.Acoustics,Speech,and SignalProcessing,Vol.26(1),1978），也称为Bruun FFT。对于具有W=256个采样的信号，可以在S＝log₂(W)＝8级中计算FFT。

标准Bruun FFT使用图5内描绘的蝶形（Butterfly）来定义操作序列以计算窗口化速率帧v'(k)的FFT。在一个迭代内，从存储器获得三个值、由蝶形单元处理、然后存储回到存储器。在已经更新存储器内存储的所有值至少一次之后、因此在N/2次迭代之后完成FFT级。本发明修改如何初始地向存储器中读取输入值以及如何执行Bruun FFT的第一级和最后级。其余级按惯常执行并且因此并未进一步描述。

标准Bruun FFT的实现方式的第一修改包括预缩放长度为W的每个窗口化速率帧的速率值：在读入窗口化速率帧v'(k)时，通过将算术上留下的所有传入值按位移位18-ceil(log₂(|v_i|_max))来对值进行预缩放，其中ceil是将实数上取整至下一整数的函数。这样，最大绝对振动速率由在主频检测单元中针对输入信号而指定的最大有效数字编号代表。这有利地允许保证最大值使用最高有效位并且减少内部计算所需要的位宽。

实现方式的第二修改将窗口函数w(k)的乘法与向存储器中存储传入的窗口化速率帧v'(k)以及同时计算Bruun FFT的第一级组合。窗口函数w(k)可以实施汉明窗口（Hamming window）。使用如图5中所示Bruun FFT蝶形单元来执行所有计算。第一W/2个传入速率值与窗口函数w(k)的对应值相乘。这可以使用蝶形单元在窗口化速率帧v'(k)上的乘数和在窗口函数表中的对应条目来完成，而将向蝶形单元的被加数输入设置成零。然后向存储器中存储蝶形的正分支的输出作为v''(k)＝w(k)·v'k；例如图5上表示的存储器。

在读入窗口化速率帧v'(k)的第二W/2个速率值时，可以与乘以窗口函数以及对第二W/2个传入速率值的Bruun FTT的第一级同时执行对v''(k)的先前存储的第一W/2个值的Bruun FFT的第一级。可以用关系

f_{1} (k) = v^{''} (k - \frac{W}{2}) - v^{''} (k)

和

f_{1} (k - \frac{W}{2}) = v^{''} (k - \frac{W}{2}) + v^{''} (k)

计算第一BruunFFT级的结果f₁(k)和

使用蝶形单元的乘法以将移位的传入窗口化速率帧v'(k)与对应窗口函数因子w(k)相乘、设置被加数之一等于先前存储的值而另一个等于零，蝶形单元将产生

f_{1} (k) = v^{''} (k - \frac{W}{2}) + w (k) \cdot v^{'} (k)

和

f_{1} (k - \frac{W}{2}) = v^{''} (k - \frac{W}{2}) - w (k) \cdot v^{'} (k)

作为它的输出。

实现方式的第三修改依赖于在原有Bruun FFT的最后级中计算复数FFT的实分量和虚分量。然而为了检测主频，仅需量值。BruunFFT在最后级S中定义乘法

以确定复数结果，其中m和n是如在标准Bruun FFT过程中的先前级的值的索引。然后可以通过如在|f_S(k)|²＝Re(f_S(k))²+Im(f_S(k))²中对平方求和来计算量值。本发明使用蝶形单元和也由其它Bruun FFT级使用的余弦表以使用余弦定律来直接计算量值：

{| f_{S} (k) |}^{2} = f_{S - 1}^{2} (m) + f_{S - 1}^{2} (n) - f_{S - 1} (m) f_{S - 1} (n) \cos (π - \frac{2 π}{N} k)

= f_{S - 1} (m) \cdot (f_{S - 1} (m) + f_{S - 1} (n) \cos (\frac{2 π}{N} k)) + f_{S - 1}^{2} (n)

使用余弦定律允许使用可用蝶形在3个步骤中计算量值，因此无需附加硬件。在第一步骤中，使用对应的余弦表条目和f_S-1(n)作为被乘数、零作为第一被加数以及f₇(m)作为第二被加数来计算作为第二步骤，可以通过将被乘数均设置成f_S-1(n)并且被加数为零来计算

在第三步骤中，第一步骤的输出与f_S-1(m)相乘，将第一被加数设置成零，并且将第二被加数设置成第二步骤的输出。

可以通过将最大频率量值m_f初始地设置成零并且迭代地比较它与第三量值计算步骤的输出来发现m_f。在发现更大量值的情况下，将值m_f设置成这一新的最大值，并且存储它的索引。在已经计算所有|f_S(k)|²之后，索引然后包含作为当前索引i的窗口化速率帧的主频向事件检测单元传递的

从现在已经针对所有轴i计算速率参数|v_i|_max、

和f_i。

接着在步骤S160确定窗口W’是否包括不同振动事件，也就是说，速率参数是否超过阈值函数。该检测可以由如图2上描绘的事件检测单元2460执行。

现在参照图6，描述事件检测单元的一个可能实施例。事件检测单元比较针对每个轴单独计算的速率参数与例如由DIN4150-3定义的可配置阈值函数v_th(f)。可以定义阈值函数v_th(f)为逐段线性函数并且通过两个频率参数F₁和F₂、三个斜率参数s₀₁、s₁₂和s₂₃以及三个偏移b₀、b₁和b₂来表征：

v_{th} (f) \{\begin{matrix} f \cdot s_{01} - b_{0} if & f < F_{1}, \\ (f - F_{1}) \cdot s_{12} - b_{1} if & F_{1} \leq f < F_{2}, \\ (f - F_{2}) \cdot s_{23} - b_{2} if & F_{2} < f, \end{matrix}

如果对于任何轴满足条件v_th(f_i)-|v_i|_max≤0则触发事件。在这样的情况下，事件检测单元生成附加信号参数e_x＝1、e_y＝1或者e_z＝1。在DIN4150-3之后针对住宅建筑物设置的示例频率参数是[F₁=10Hz；F₂=50Hz；s₀₁=0mm；s₁₂=0.25mm；s₂₃=0.125mm；b₀=5mm/s；b₁=5mm/s；b₂=15mm/s]。

现在参照步骤S170，可以在检测到事件的情况下从高速缓存存储器向长期存储器件转发在步骤S160从其检测到不同振动事件的加速度帧。换而言之，在触发事件的情况下，向长期存储器件写入所有轴的对应的经滤波的加速度采样。

接着在步骤S180，将所有轴的速率参数以及事件和在已经处理加速度帧之后递增的帧索引一起存储于长期存储器件中。

将理解也可以在步骤S180之后执行步骤S170或者可以并行执行步骤S170和S180二者。

因此，在高速缓存存储器内存储在步骤S100获取的加速度数据用于进一步处理并且在检测到振动事件的情况下移向长期存储器件。长期存储器件是用来扩展可用高速缓存并且允许设备自治地操作若干小时而又保存所有相关生成数据的专用存储器。相关数据由检测到的事件的计算的速率参数、窗口索引和经滤波的加速度数据窗口的连续序列构成。

现在参照图3，示出高速缓存存储器和长期存储器件的可能组织。在图3中，高速缓存300接收振动信号的针对每个轴x、y和z的三个加速度数据流。高速缓存存储器被组织成环形缓冲器并且提供用于存储与窗口尺寸W对应的多个相继加速度采样。例如，如果选择采样周期T使得T=1/256秒，则帧可以存储256个相继加速度采样。

向高速缓存中并行写入用于每个轴x、y和z的加速度数据，而后续信号处理单元依次取回它们。高速缓存必须保持加速度采样至少直至事件检测单元已经确定它是否包含不同振动事件。如果已经检测到事件，则高速缓存向长期存储器件转发数据。

可以在FPGA内或者作为单独存储器器件实施长期存储器件。参照图2，可以在FPGA240上实施高速缓存存储器，而在单独存储器器件上实施长期存储器件。

回顾图3，将长期存储器件310划分成两个地址空间；一个地址空间3110用于速率参数而一个地址空间3100用于从其检测事件的加速度帧。有利地，可以根据预计的事件频率选择那些地址空间的比例。在预计许多事件或者更长持续时间的事件的情况下可以选择加速度帧数据空间更大，从而为信号参数存储留下更少空间。因此可以根据待检测的预计事件执行地址空间的管理。

在实践中，长期存储器件310具有比高速缓存存储器300更大的存储能力，这提供两个优点。首先，可以存储并且保持更多事件数据（加速度数据3100和速率参数3100）直至监视器请求它。这对于诸如在地震期间生成事件的更长振动脉冲串是重要的。其次，也可以向这一设备存储计算的速率参数，这允许若干小时存储直至监视器可以取回它们。这保证连续监视，即使监视设备被断开若干小时。

可以在将用于分布式检测振动事件的相同传感器的无线网络内使用的传感器设备内实施根据本发明的方法。每个传感器设备自治地获取加速度数据、对它积分以确定振动的速率、确定速率信号参数并且通过无线网络向远程监视器传达那些参数。在可靠传输中递送速率参数以允许无间断监视。

在超过阈值的情况下，存储对应的加速度信号并且可以在晚些时候根据通过网络接收的请求提供对应加速度信号。有利地，网络可以优化低速率周期性信号参数传输并且实施专用方法以从有限节点集合发送加速度信号作为脉冲串。

可以在用于监视振动以检测不同振动事件的装置（诸如图2上描绘的传感器设备）内实施根据本发明的方法。传感器设备可以由MEMS加速度传感器200、用于对振动信号滤波210的模拟电路装置、用于将振动信号变换成数字信号的模数转换器220、用于对采样的振动信号（230，2400，2420，2430，2440，2450）和事件检测2460进行信号处理的FPGA240、用于存储或者高速缓存加速度数据用于处理的高速缓存存储器2410、用于存储事件的速率参数和原始加速度数据的长期存储装置（例如存储器）250、用于无线通信的低功率收发器270以及用于电源的电池（未示出）构成。

用于控制无线网络的微控制器260可以包括可以与串行通信单元2600连接的无线网络控制器2610，该串行通信单元能够与传感器设备的FPGA上的串行通信单元2470交换数据。换而言之，串行通信单元2470和2600二者接入在无线网络控制器2610与FPGA之间的公共通信介质。

无线网络控制器2610可以遵循网络睡眠和活跃时间表，并且在适当时间判决以传达一个或者多个速率信号参数集合。在无线网络控制器2610从FPGA240请求数据时，执行FGPA和微控制器260时钟的同步。这一同步允许将进行测量的时间与微控制器生成的网络全局时钟相关。

在它的活跃阶段期间，微控制器可以在任何时间请求递送长期存储装置内存储的信号参数或者加速度数据，或者重新配置阈值函数。在这样的请求时，FPGA从存储器取回数据并且可以添加它自己的同步信息以使网络控制器能够估计获取时间并且将它与网络全局时间参考相关。网络控制器可以通过无线网络向某个远程监视器转发从FGPA获得的数据。

可以执行同步如下。作为串行外围接口（SPI）通信2470和2600的主控的微控制器向FPGA写入字节，另一FPGA向该FPGA同步回写字节。在发起传送速率参数时，FPGA可以在微控制器开始发送它的SPI字节时访问内部时钟寄存器。这生成与通信接近取得的时间戳。在已经接收这一字节之后，微控制器立即访问它自己的时间寄存器并且存储这一个值。中间时间可以用高准确性来测量并且高程度恒定。

在通信期间，FPGA还可以发送它的当前窗口索引t，该当前窗口索引t总是在一秒内的相同已知FPGA时间值期间递增。将接收的当前帧索引与速率信号参数和该接收的时间戳相关允许与网络全局时间的准确关系。

现在参照图7，描绘包括根据本发明的一个实施例的传感器设备的无线网络。可以将多个无线传感器组合成低功率无线网络从而允许在多个位置的同步测量并且向远程控制站报告连续监视事件以及报告损坏事件的测量信号。

若干存储器节点和中继节点可以形成可能通过多个中继段（hop）与连接到网关的基站（BS）通信的网络。传感器节点是具有振动信号感测能力的节点，并且中继节点是仅有网络支持功能的节点。

基站还可以连接到全球定位系统（GPS）以同步网络时间与全局有效参考时间。基站可以执行网络控制器和消息代理，例如MQTT（MQ遥测传送）代理。

代理可以向远程监视器（例如后端应用）发送关于检测到的事件的信息，该后端应用进一步分析发送的信息。这一后端应用也可以经由代理向单独传感器节点发送信息。后端应用可以例如配置传感器节点内使用的阈值函数v_th(f)。

将理解即使在多个小时的网络故障的情况下，仍然可以向长期存储器中安全存储关于检测到的事件的信息。因此，这一策略即使在存在扩展的无线网络故障的情况下仍然有利地允许可靠连续监视。另外，图7的无线网络可以由有线网络取代。

所属技术领域的技术人员知道，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式（包括固件、驻留软件、微代码等），或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明的各个方面还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。

可以采用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子（非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

下面将参照根据本发明实施例的方法、装置（系统）和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些计算机程序指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。

也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读介质中，这些指令使得计算机、其它可编程数据处理装置、或其他设备以特定方式工作，从而，存储在计算机可读介质中的指令就产生出包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的指令的制造品（article of manufacture）。

也可以把计算机程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的过程。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims

1.一种用于监视振动以在转换成加速度采样的加速度波形中检测不同振动事件的方法，所述方法包括：

向高速缓存存储器中存储所述加速度采样作为加速度帧序列（S110）；

在所述加速度帧中的每个加速度帧中检测不同振动事件的存在或者不存在（S160）；

当在加速度帧中检测到不同振动事件的情况下，从所述高速缓存存储器向长期存储器件转发所述加速度帧（S170）。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述加速度帧中的每个加速度帧具有固定长度，并且其中所述加速度帧中的每个加速度帧包括在所述高速缓存存储器中存储的若干帧。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：

根据所述高速缓存存储器中存储的所述加速度帧计算速率帧（S120）；

计算用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数（S130）；

其中所述检测步骤包括基于计算的所述速率参数在根据所述加速度帧计算的所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动的存在或者不存在（S160）。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：向所述长期存储器件存储用于所述速率帧中的每个速率帧的所述速率参数（S180）。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述长期存储器件是包括第一地址空间和第二地址空间的存储器，并且其中在检测到不同振动事件的情况下从所述高速缓存存储器向所述存储器的所述第一地址空间转发所述加速度帧，并且向所述存储器的所述第二地址空间存储每个所述速率帧的所述速率参数。

6.根据权利要求3至5之一所述的方法，其中通过以下操作根据所述加速度帧计算所述速率帧：

-使用前向欧拉积分来计算所述加速度帧的均值；并且

-使用后向欧拉积分对DC偏移补偿的加速度帧积分。

7.根据权利要求3至6之一所述的方法，其中用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数是：

-每个所述速率帧在长度为W的窗口内的最大绝对振动速率|v_i|_max，其中W小于或者等于速率帧的长度；

-所述最大绝对振动速率|v_i|_max在长度为W的所述窗口内的位置

-每个所述速率帧的主频f_i。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法还包括通过以下操作构造长度为W的窗口化速率帧的步骤：

-对每个速率帧的所述速率采样移位，使得具有最大绝对振动速率|v_i|_max的所述速率采样在长度为W的所述窗口的中心；并且

-丢弃每个速率帧的在长度为W的所述窗口以外的所述速率采样。

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过以下操作检测（S150）每个所述速率帧的所述主频f_i：

使用实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算长度为W的每个所述窗口化速率帧的频率频谱的量值；并且

搜寻使所述频率频谱的量值最大的频率索引。

10.根据权利要求9所述的方法，其中通过在所述实值W点Bruun快速傅里叶变换的最后级中使用余弦定律来计算所述频率频谱的量值。

11.根据权利要求9或者10所述的方法，其中使用所述实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算所述频率频谱的量值还包括：

-将长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的滤波器窗口函数w相乘；

-存储长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的所述滤波器窗口函数w相乘的结果；并且

-同时计算所述Bruun快速傅里叶变换的第一级。

12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其中检测所述主频f_i还包括以下步骤：通过按位移位来预缩放长度为W的每个所述窗口化速率帧的所述速率采样，使得所述最大绝对振动速率|v_i|_max由最大有效数字编号代表。

13.根据权利要求7至12之一所述的方法，其中通过以下操作在所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动事件的存在：

-比较所述最大绝对振动速率|v_i|_max与预定义阈值v_th(f_i)；并且

-如果所述最大绝对振动速率|v_i|_max超过所述阈值v_th(f_i)则检测事件。

14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其中所述高速缓存存储器被组织成环形缓冲器并且提供用于存储经滤波的所述加速度采样作为加速度帧序列的至少一个缓冲器。

15.一种用于监视振动以检测不同振动事件的装置，其中所述装置被配置用于执行根据权利要1至14中的任一权利要求所述的方法的所有步骤。