專利名稱：一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在當(dāng)今競爭日益激烈的市場上，企業(yè)面臨提高工藝環(huán)節(jié)效率，遵守環(huán)保法規(guī)和滿足自身經(jīng)濟(jì)利益的挑戰(zhàn)日趨嚴(yán)峻。考慮到許多工業(yè)系統(tǒng)日益老化，以及工業(yè)市場的動態(tài)變化，亟需智能化、低成本的工業(yè)自動化系統(tǒng)來提高這些系統(tǒng)的效率和生產(chǎn)力。傳統(tǒng)的工業(yè)自動化系統(tǒng)依靠電纜連接來實(shí)現(xiàn)。然而，有線自動化系統(tǒng)需要安裝昂貴的通信線路，并需要定期維護(hù)。因而，有線自動化系統(tǒng)并未在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。所以，迫切需要一種低成本 的無線自動化系統(tǒng)，它可以通過優(yōu)化工廠系統(tǒng)的管理，進(jìn)而達(dá)到顯著降低開支和減少空氣污染物排放的目的。隨著現(xiàn)階段無線傳感器技術(shù)上的進(jìn)步，低成本嵌入式的工業(yè)無線自動化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為了可能。在這些系統(tǒng)中，微小的無線傳感器安裝在工業(yè)設(shè)備之上，結(jié)合對諸如振動、溫度、壓力和電源質(zhì)量等參數(shù)的綜合檢測，來監(jiān)控對于每臺設(shè)備的效率都至關(guān)重要的參數(shù)。之后，這些參數(shù)將通過無線的方式傳送到中心節(jié)點(diǎn)，以便分析各個傳感器的數(shù)據(jù)。它作為一種預(yù)警系統(tǒng)，將任何潛在的問題都通知到工廠員工。這就允許相關(guān)人員在設(shè)備效率降低或徹底失效之前維修或更換設(shè)備。用這種方式，就可以避免災(zāi)難性的設(shè)備失效及相關(guān)的修理和替換費(fèi)用，同時(shí)也適應(yīng)了嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)。本發(fā)明是一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)。它集合了傳感器技術(shù)、射頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，具有自組織、快速布置、突發(fā)事件處理機(jī)制、信息實(shí)時(shí)處理和預(yù)警能力?？紤]到這些，本發(fā)明將在制造高可靠和具有自我恢復(fù)能力的工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)上扮演重要角色。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的—種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成；硬件包含無線加速度傳感器、無線接收器，無線加速度傳感器與無線接收器在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的框架內(nèi)完成指令、數(shù)據(jù)的通信互聯(lián)；軟件系統(tǒng)從功能上分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和計(jì)算機(jī)采集處理軟件。所述無線加速度傳感器與無線接收器在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的框架內(nèi)完成指令、數(shù)據(jù)的通信互聯(lián)。根據(jù)協(xié)議的功能，無線加速度傳感器與無線接收器可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、星狀和網(wǎng)狀通信模式。無線通信射頻頻率為433MHz，通信波特率為38. 5kBaud。所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一種獨(dú)立開發(fā)的無線通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將無線接收器定義為中心節(jié)點(diǎn)，將無線傳感器定義為子節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心，其軟件程序具有以下功能自發(fā) 組織并維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，根據(jù)上位計(jì)算機(jī)的指令完成點(diǎn)對點(diǎn)、星狀或網(wǎng)狀通信操作。子節(jié)點(diǎn)作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和發(fā)送節(jié)點(diǎn)，其軟件程序具有以下功能響應(yīng)中心節(jié)點(diǎn)的初始化調(diào)度以便完成網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)，響應(yīng)中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)命令。同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可支持65535個子節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)的采集有同步和異步兩種模式，同步模式下的時(shí)間精度可以達(dá)到O. 1ms。所述的無線加速度傳感器由硬件和軟件程序兩部分構(gòu)成。硬件包含控制電路板、無線加速度傳感器殼體、壓電式加速度傳感器2、強(qiáng)力磁座3、鋰電池組和天線。軟件程序的編制采用分層設(shè)計(jì)，分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層。所述無線加速度傳感器的控制電路板位于無線加速度傳感器殼體隔板、連接筒6和底座7構(gòu)成的空腔內(nèi)。鋰電池組位于無線加速度傳感器殼體端蓋和隔板構(gòu)成的空腔內(nèi)。端蓋4與隔板5采用螺紋連接。鋰電池組通過隔板上的過孔給控制電路供電。隔板與連接筒采用過盈配合連接在一起，待組裝完畢后再焊接到一起。天線通過螺母固定在連接筒上，并與控制電路相連。連接筒與底座通過過盈配合連接，裝配完畢后再焊接。底座與壓電式加速度傳感器通過的螺紋連接，裝配完畢后再焊接。壓電式加速度傳感器與強(qiáng)力磁座通過螺紋連接。詳細(xì)連接參見附圖I。所述無線加速度傳感器的控制電路板完成模擬加速度信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，預(yù)處理數(shù)字加速度信息，并將處理結(jié)果通過射頻電路轉(zhuǎn)發(fā)給后續(xù)接收裝置?？刂齐娐酚晒╇婋娐?、微控制器工作電路和射頻電路組成。供電電路將外部鋰電池組供給的6v電源通過二極管送入穩(wěn)壓芯片。穩(wěn)壓芯片將6v電平轉(zhuǎn)換到3. 3v,以保證微控制器穩(wěn)定工作。為保證后續(xù)電路正常工作，供電電路中加入了具有濾波和蓄能功能的電容。微控制器工作電路用于保證控制器自身的正常工作，包括保證控制器供電穩(wěn)定的電容、外部晶振電路以及外部復(fù)位電路?？刂破鞯耐獠烤д耠娐窞榭刂破魈峁┓€(wěn)定的時(shí)鐘信號。復(fù)位電路將控制器的復(fù)位控制電平鉗制在高電平，維持控制器的正常工作。射頻電路用于將控制器輸入的信號轉(zhuǎn)換成射頻信號輸出。所述的無線加速度傳感器的殼體由4個零件組成，分別為端蓋、隔板、連接筒和底座，材料均為不銹鋼。端蓋與隔板采用螺紋連接，形成的空腔用于放置鋰電池組，這樣的連接設(shè)計(jì)方便了鋰電池組的更換。螺紋連接處采用螺紋膠密封加固，起到對電池組的防水、防塵保護(hù)作用。另外，空腔的體積參照鋰電池組的體積設(shè)計(jì)，配以輔助夾緊部件后，電池組在空腔內(nèi)的移動被嚴(yán)格限制，避免了長期振動對電池組的影響。隔板上設(shè)計(jì)有一個4mm直徑通孔，供電池組引線通過給控制電路板供電。同時(shí)，隔板上還有3個2_直徑的通孔，螺釘穿過此孔將控制電路板和隔板固定起來。隔板、連接筒和底座構(gòu)成的密封空腔用于安裝控制電路板。隔板與連接筒通過過盈配合初步連接后再焊接到一起。連接筒上有一個7_直徑的通孔，供安裝天線插座。連接筒與底座也通過過盈配合初步連接后再焊接到一起。底座與傳感器通過螺紋連接，連接時(shí)采用螺紋密封膠進(jìn)行密封和加固。為了保證連接可靠，底座與傳感器在螺紋連接后，在結(jié)合面采用焊接加固。組裝完畢后，隔板上的過線孔、安裝孔和連接筒上的天線插座孔都采用硅膠密封，保護(hù)控制電路板，起到防水、防塵的作用。按照這套設(shè)計(jì)方案加工制成的殼體盡可能降低了附加質(zhì)量對傳感器靈敏度的影響。所述的無線加速度傳感器中的壓電式加速度傳感器、鋰電池組、天線和強(qiáng)力磁座均為成熟產(chǎn)品。其中壓電式加速度傳感器是振動信號的感知元件，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合更換合適量程和精度的加速度傳感器。所述的無線加速度傳感器的軟件程序分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層。網(wǎng)絡(luò)層管理傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間的通信，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。媒體訪問控制層是網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間的通信媒介。物理層對無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)中的基礎(chǔ)模塊做了初始化配置。程序開始運(yùn)行后，首先調(diào)用物理層應(yīng)用函數(shù)對基礎(chǔ)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)入監(jiān)聽模式。監(jiān)聽模式下無線加速度傳感器收到正確的上位機(jī)指令后，將進(jìn)入正常工作模式，之后調(diào)用媒體訪問控制層應(yīng)用函數(shù)處理收到的信息，最后調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用函數(shù)處理與上位機(jī)及其他節(jié)點(diǎn)的通信。請參見附圖2。所述的無線加速度傳感器軟件程序網(wǎng)絡(luò)層的功能是管理無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn) 與中心節(jié)點(diǎn)間的通信，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。網(wǎng)絡(luò)層能夠識別中心節(jié)點(diǎn)的通信格式，根據(jù)收到的來自中心節(jié)點(diǎn)的不同命令控制無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)做出相應(yīng)的反應(yīng)。中心節(jié)點(diǎn)的命令包括喚醒、通信和握手。在收到喚醒指令時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層控制無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)由監(jiān)聽狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，并等待中心節(jié)點(diǎn)的后續(xù)指令。在一定時(shí)間的延時(shí)之后，如果無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)未收到后續(xù)命令或后續(xù)命令出錯，網(wǎng)絡(luò)層將控制無線加速度傳感器再次進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)收到了通信指令，網(wǎng)絡(luò)層將控制無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理機(jī)制。如果規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到了握手指令，網(wǎng)絡(luò)層將控制無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)返回自己的無線加速度傳感器編號。所述的無線加速度傳感器軟件系統(tǒng)的媒體訪問控制層是網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間的通信媒介。媒體訪問控制層中定義了訪問壓電式加速度傳感器和射頻模塊的應(yīng)用函數(shù)。訪問加速度傳感器的應(yīng)用函數(shù)定義了加速度信息采集、采樣點(diǎn)數(shù)和應(yīng)急處理機(jī)制。訪問射頻模塊的應(yīng)用函數(shù)定義了無線通信的格式，校驗(yàn)方式和相應(yīng)的處理機(jī)制。媒體訪問控制層中還定義了加速度數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，對模數(shù)轉(zhuǎn)換所得的原始數(shù)據(jù)做濾波和校驗(yàn)，提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，降低了數(shù)據(jù)傳輸量和功耗。所述的無線加速度傳感器軟件系統(tǒng)中的物理層對傳感器節(jié)點(diǎn)中的基礎(chǔ)模塊做了初始化配置。系統(tǒng)內(nèi)核應(yīng)用函數(shù)定義了系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)核電壓、端口匹配等參數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用函數(shù)定義了基準(zhǔn)電壓、采樣頻率、采樣端口和采樣完畢中斷處理機(jī)制等。射頻模塊應(yīng)用函數(shù)定義了無線通信帶寬、射頻頻率、信號輸出功率、調(diào)制解調(diào)方式、通信校驗(yàn)等參數(shù)。軟件系統(tǒng)初始化的主要工作就是完成物理層的參數(shù)初始化，此后無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)的各功能模塊便能正常工作。所述的無線接收器由硬件和軟件程序兩部分構(gòu)成。硬件包含控制電路板、殼體。軟件程序的編制采用分層設(shè)計(jì)，分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層。所述無線接收器的控制電路板位于無線接收器殼體的空腔內(nèi)，它與殼體通過4個螺釘緊固在一起。殼體由4部分組成左端蓋15、右端蓋10、上蓋板8和下蓋板11。上、下蓋板通過相互配合的鎖緊機(jī)構(gòu)組裝在一起。在上、下蓋板的兩端有對稱分布的螺紋孔，由此左、右端蓋就可以通過螺釘緊固在上、下蓋板上。無線接收器殼體上還分布有電源接口 14、電源開關(guān)12和電源指示燈13?？刂齐娐钒迳系拇?9通過右端蓋伸出殼體外部。詳細(xì)連接參見附圖3。所述無線接收器的控制電路板由供電電路、微控制器工作電路、射頻電路和串口通信電路組成。供電電路將外部5v電源通過二極管送入穩(wěn)壓芯片。穩(wěn)壓芯片將5v電平轉(zhuǎn)換到3. 3v,以保證微控制器穩(wěn)定工作。為保證后續(xù)電路正常工作，供電電路中加入了具有濾波和蓄能功能的電容。微控制器工作電路用于保證控制器自身的正常工作，包括保證控制器供電穩(wěn)定的電容、外部晶振電路以及外部復(fù)位電路?？刂破鞯耐獠烤д耠娐窞榭刂破魈峁┓€(wěn)定的時(shí)鐘信號。復(fù)位電路將控制器的復(fù)位控制電平鉗制在高電平，維持控制器的正常工作。射頻電路用于將控制器輸入的信號轉(zhuǎn)換成射頻信號輸出。串口通信電路用于控制與上位計(jì)算機(jī)的通信。所述無線接收器的軟件程序分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層。網(wǎng)絡(luò)層管理傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間的通信，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。媒體訪問控制層是網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間的通信媒介。物理層對無線接收器中的基礎(chǔ)模塊做了初始化配置。程序開始運(yùn)行后，首先調(diào)用物理層應(yīng)用函數(shù)對基礎(chǔ)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)入監(jiān)聽模式。監(jiān)聽模式下無線接收器收到正確的上位機(jī)指令后，將進(jìn)入正常工作模式，之后調(diào)用媒體訪問控制層應(yīng)用函數(shù)處理收到的信息，最后調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用函數(shù)處理與上位機(jī)及子節(jié)點(diǎn)的通信。請參見附圖2。 所述無線接收器軟件程序網(wǎng)絡(luò)層的功能是管理與傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。上電后，網(wǎng)絡(luò)層將根據(jù)默認(rèn)設(shè)置，發(fā)起并建立起一個初始的無線網(wǎng)絡(luò)，并在上位機(jī)不干預(yù)的條件下維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)層還能夠識別上位計(jì)算機(jī)的通信格式，根據(jù)收到的不同命令，發(fā)起與子節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)對點(diǎn)、星形或網(wǎng)狀模式的通信。中心節(jié)點(diǎn)的命令包括喚醒、通信和握手。喚醒指令用于喚醒正處在低功耗模式下的子節(jié)點(diǎn)。通信指令則包含中心節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)的通信模式。握手指令用于空閑時(shí)維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)，確認(rèn)子節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)的管理之下。所述無線接收器軟件程序的媒體訪問控制層是網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間的通信媒介。媒體訪問控制層中定義了訪問串口和射頻模塊的應(yīng)用函數(shù)。訪問串口的應(yīng)用函數(shù)定義了通信信道、通信格式。訪問射頻模塊的應(yīng)用函數(shù)定義了無線通信的格式，校驗(yàn)方式和相應(yīng)的處理機(jī)制。所述無線接收器軟件程序中的物理層對中心節(jié)點(diǎn)中的基礎(chǔ)模塊做了初始化配置。系統(tǒng)內(nèi)核應(yīng)用函數(shù)定義了系統(tǒng)時(shí)鐘、內(nèi)核電壓、端口匹配等參數(shù)。射頻模塊應(yīng)用函數(shù)定義了無線通信帶寬、射頻頻率、信號輸出功率、調(diào)制解調(diào)方式、通信校驗(yàn)等參數(shù)。軟件系統(tǒng)初始化的主要工作就是完成物理層的參數(shù)初始化，此后傳感器節(jié)點(diǎn)的各功能模塊便能正常工作。所述上位計(jì)算機(jī)采集處理軟件完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的最終采集、存儲和分析。軟件系統(tǒng)采用Labview開發(fā)，具有良好的人機(jī)交互性能。軟件系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)存儲為多種格式的輸出文件，具有數(shù)據(jù)回放、時(shí)域分析、頻域分析、趨勢預(yù)警等功能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是(I)嵌入了低成本小型化的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。緊湊、低廉的無線傳感器節(jié)點(diǎn)便于大規(guī)模布點(diǎn)，降低監(jiān)測系統(tǒng)成本。(2)可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用對象十分廣泛，那么，其本身具有的高靈活性和可擴(kuò)展性就顯得尤為重要。(3)低功耗設(shè)計(jì)。高效的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和傳感器設(shè)計(jì)優(yōu)化了系統(tǒng)的功耗，延長了系統(tǒng)的生命周期，降低了維護(hù)成本。
(4)較好的容錯性和可靠性。對現(xiàn)場信息準(zhǔn)確無誤地采集和傳輸是檢測系統(tǒng)的首要任務(wù)，然而，現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境常常造成數(shù)據(jù)錯誤，本發(fā)明的通信協(xié)議在信號采集、傳輸?shù)倪^程中設(shè)置了必要的查錯與糾錯功能，能夠保證數(shù)據(jù)的可靠性。

圖I為無線加速度傳感器硬件系統(tǒng)示意圖；圖2為無線加速度傳感器和無線接收器軟件系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖3為無線接收器硬件系統(tǒng)示意圖；附圖中的標(biāo)記為I天線，2傳感器，3強(qiáng)力磁座，4端蓋，5隔板，6連接筒，7底座，8上蓋板，9串口，10右蓋板，11，下蓋板，12電源開關(guān)，13電源指示燈，14電源接口，15左蓋板。
具體實(shí)施方式以下提供本發(fā)明一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)的具體實(shí)施方式
。實(shí)施例I首先是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)。所述的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)定中心節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間可以完成3種類型的通信連接模式點(diǎn)對點(diǎn)、星狀和網(wǎng)狀。不同通信模式的設(shè)置是為了滿足工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜的工況而設(shè)計(jì)的。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場需要針對某臺機(jī)組做振動分析時(shí)，可以采用點(diǎn)對點(diǎn)的通信模式采集該機(jī)組上的加速度傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場子節(jié)點(diǎn)的布局較為稠密，各個子節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的通信半徑都在單次無線通信可保證的距離之內(nèi)時(shí)，多采用星狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場子節(jié)點(diǎn)的布局較為分散，子節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸不能靠單次無線通信實(shí)現(xiàn)時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就變的尤為重要。這時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)會先發(fā)起路徑探尋指令，直至找到一個到達(dá)目標(biāo)子節(jié)點(diǎn)較為合理的路線，然后通知路線上的各個節(jié)點(diǎn)建立起通信連接，從而完成數(shù)據(jù)的多條傳輸工作?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，無線傳感器多采用電池供電的方式。為了盡量降低系統(tǒng)的功耗，整個檢測系統(tǒng)大部分時(shí)間都處在休眠或監(jiān)聽的狀態(tài)，這一比例常常占工作周期的99%以上，甚至有些系統(tǒng)每天只采集I 2次，每次采集數(shù)秒鐘。軟件程序?qū)o線加速度傳感器的工作狀態(tài)分為兩種監(jiān)聽狀態(tài)和工作狀態(tài)。監(jiān)聽狀態(tài)下，傳感器每隔10秒鐘便打開射頻模塊的接收功能，監(jiān)聽中心節(jié)點(diǎn)傳來的命令。這段時(shí)間內(nèi)如果收到了中心節(jié)點(diǎn)發(fā)來的正確指令，則系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的處理機(jī)制，如果期間未收到指令或收到的指令錯誤，則系統(tǒng)進(jìn)入下一個監(jiān)聽周期。期間10秒鐘為睡眠時(shí)間，此時(shí)壓電式加速度傳感器處于失電狀態(tài)，微控制器和射頻模塊也都處在睡眠模式下，僅靠微控制器內(nèi)部的一個低功耗時(shí)鐘維持一個10秒的計(jì)時(shí)機(jī)制，以便10秒計(jì)時(shí)過后喚醒系統(tǒng)，重新監(jiān)聽中心節(jié)點(diǎn)的來信。10秒睡眠期內(nèi)，整個系統(tǒng)的電流降至O. 5mA，功耗為1.65毫瓦。監(jiān)聽時(shí)間內(nèi)，整個系統(tǒng)的電流消耗為30mA，功耗為99毫瓦。那么整個監(jiān)聽周期內(nèi)的平均功耗僅為I. 73毫瓦。以一節(jié)O. 5Ah的鋰電池為例，可以使這型無線加速度傳感器在監(jiān)聽狀態(tài)下工作40天。如果在監(jiān)聽時(shí)間內(nèi)，接收到了中心節(jié)點(diǎn)的正確指令，則無線加速度傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)。如果接收到的是采集加速度數(shù)據(jù)的指令，則微控制器使壓電式加速度傳感器得電，并延時(shí)一定時(shí)間，以保證傳感器供電穩(wěn)定。延時(shí)過后程序在預(yù)設(shè)的采集數(shù)量或采集時(shí)間的限制下進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)制，轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)再經(jīng)過后續(xù)程序的判錯和濾波處理，最終儲存到微控制器中。在收到中心節(jié)點(diǎn)的續(xù)傳指令后，傳感器節(jié)點(diǎn)將大量數(shù)據(jù)分批傳送給中心節(jié)點(diǎn)，完畢后便再次進(jìn)入監(jiān)聽模式。由工作模式進(jìn)入監(jiān)聽模式時(shí)，壓電式加速度傳感器將再次失電，微控制器和射頻模塊也將進(jìn)入睡眠模式。整個數(shù)據(jù)采集與傳送工作周期持續(xù)約7秒，平均功耗為66毫瓦?？紤]到每天I 2次的采集頻率，這樣的功耗是可以接受的。如果接收到的是握手指令，無線加速度傳感器將返回自己的編號。這條指令是為了方便中心節(jié)點(diǎn)維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)失效傳感器節(jié)點(diǎn)。整個握手處理周期持續(xù)約10毫秒，平均功耗為99毫瓦?？紤]到中心節(jié)點(diǎn)每天I 2的握手頻率，這樣的能耗也是可以接受的。握手處理周期內(nèi)，壓電式加速度傳感器處于失電狀態(tài)。握手處理周期接收后，系統(tǒng)將再次進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)其次是無線加速度傳感器和無線接收器的設(shè)計(jì)。無線加速度傳感器和無線接收器選用微處理器與射頻芯片集成的芯片作為控制器。此型芯片具有優(yōu)異的低功耗性能，且內(nèi)部嵌入成熟的射頻芯片，從而節(jié)省了接口資源和有限的板上空間。通過比對，如果采用微控制器和射頻芯片分立的設(shè)計(jì)方案，控制板的面積將比現(xiàn)在高出約10%?？刂齐娐钒宓墓╇姴糠植捎靡患壏€(wěn)壓芯片，將鋰電池組提供的6V電源降低到3. 3v供給微控制器。無線加速度傳感器的射頻模塊由睡眠模式進(jìn)入監(jiān)聽或發(fā)射狀態(tài)時(shí)需要30mA左右的電流供應(yīng)，而睡眠模式下的總電流消耗為O. 5mA。瞬間的電流突變會造成供電電路不穩(wěn)，輸出電壓下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致微控制器發(fā)生低電平復(fù)位。為了解決這一問題，對控制器供電電路中的電容進(jìn)行了合理配置，經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，在發(fā)生電流突變的情況下，它們能夠起到很好的電流補(bǔ)償作用，供電電壓的衰減也被控制在合理范圍內(nèi)。射頻電路部分嚴(yán)格參照設(shè)計(jì)規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上，依據(jù)嚴(yán)格的射頻電路匹配分析結(jié)果對射頻電路參數(shù)做了細(xì)調(diào)，得到了一個優(yōu)化的射頻電路參數(shù)，降低了射頻電路上不必要的能量消耗。由于節(jié)能的需要，無線加速度傳感器大部分時(shí)間工作在監(jiān)聽模式下，此時(shí)的壓電式加速度傳感器無需供電。壓電式加速度傳感器的由微控制器的輸出端口供電，在監(jiān)聽模式下，微控制器使壓電式加速度傳感器的供電端口輸出低電平，傳感器失電，從而達(dá)到節(jié)能的目的。無線加速度傳感器采用全不銹鋼外殼設(shè)計(jì)，控制電路和電池分開放置，保證了控制電路的防水、防潮，以及電池的可更換性。無線接收器采用工業(yè)化批量生產(chǎn)的鋁合金殼體，成本低廉。再次，工業(yè)振動監(jiān)測對無線加速度傳感器的通信質(zhì)量提出了很高的要求。考慮到工業(yè)用電機(jī)或泵的轉(zhuǎn)速一般在3000 5000r/min，在保證采樣精度和盡量降低軟件系統(tǒng)資源消耗的前提下，設(shè)定了微控制器內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換率為O. 8ksps，能夠滿足一般應(yīng)用場合下的振動監(jiān)測需求。同時(shí)考慮到模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度為14位，每秒鐘將產(chǎn)生I. 6kB的數(shù)據(jù)量。本發(fā)明中采用輪詢分批的方式傳送數(shù)據(jù)，并且在中心節(jié)點(diǎn)處設(shè)有錯誤重發(fā)機(jī)制保證加速度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的傳輸。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)需要對一個或多個傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，便將一個或多個傳感器節(jié)點(diǎn)的編號嵌入發(fā)送數(shù)據(jù)包中發(fā)送。處于監(jiān)聽狀態(tài)的這些傳感器收到指令后便進(jìn)入數(shù)據(jù)采集的工作周期，數(shù)據(jù)采集并處理完畢后，傳感器節(jié)點(diǎn)便等待一段時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)，中心節(jié)點(diǎn)將輪詢各傳感器節(jié)點(diǎn)。收到輪詢指令的傳感器節(jié)點(diǎn)會把處理好的數(shù)據(jù)分批傳送給中心節(jié)點(diǎn)，處于接受狀態(tài)的中心節(jié)點(diǎn)會依次判斷接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)位，以保證所收數(shù)據(jù)的正確性。如果由于干擾等原因造成中心節(jié)點(diǎn)未能收到正確的數(shù)據(jù)，中心節(jié)點(diǎn)將觸發(fā)相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的重發(fā)機(jī)制，續(xù)傳后續(xù)數(shù)據(jù)。待一個傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送完畢后，中心節(jié)點(diǎn)將依次觸發(fā)其他傳感器節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。這樣的通訊機(jī)制就能夠保證加速度數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> 最后，無線加速度傳感器和無線接收器通過了嚴(yán)格的電磁干擾測試、高低溫環(huán)境測試，能夠保證在復(fù)雜環(huán)境下的正常工作。軟件系統(tǒng)內(nèi)部還嵌入了看門狗程序，防止軟件在意外情況下出現(xiàn)死機(jī)等現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的魯棒性。另外，壓電式加速度傳感器底部有螺紋孔。因此，可以使用強(qiáng)力磁座將無線加速度傳感器吸著在機(jī)泵的測點(diǎn)處，并可輔以螺紋連接、膠水粘接或焊接等方式，從而保證連接可靠。這種依靠強(qiáng)力磁座安裝的方式尤其適 用于臨時(shí)性安裝測量的場合。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成；硬件包含無線加速度傳感器、無線接收器，無線加速度傳感器與無線接收器在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的框架內(nèi)完成指令、數(shù)據(jù)的通信互聯(lián)；軟件系統(tǒng)分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和計(jì)算機(jī)采集處理軟件。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線加速度傳感器由硬件和軟件程序兩部分構(gòu)成；硬件包含控制電路板、無線加速度傳感器殼體、壓電式加速度傳感器、強(qiáng)力磁座、鋰電池組和天線；軟件程序的編制采用分層設(shè)計(jì)，分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述無線加速度傳感器的控制電路板位于無線加速度傳感器殼體隔板、連接筒和底座構(gòu)成的空腔內(nèi)；鋰電池組位于無線加速度傳感器殼體端蓋和隔板構(gòu)成的空腔內(nèi)；端蓋與隔板采用螺紋連接；鋰電池組通過隔板上的過孔給控制電路供電；隔板與連接筒采用過盈配合連接在一起，待組裝完畢后再焊接到一起；天線通過螺母固定在連接筒上，并與控制電路相連；連接筒與底座通過過盈配合連接，裝配完畢后再焊接；底座與壓電式加速度傳感器通過的螺紋連接，裝配完畢后再焊接；壓電式加速度傳感器與強(qiáng)力磁座通過螺紋連接。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線加速度傳感器的軟件程序分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層；網(wǎng)絡(luò)層管理傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間的通信，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。媒體訪問控制層是網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間的通信媒介；物理層對無線加速度傳感器節(jié)點(diǎn)中的基礎(chǔ)模塊做了初始化配置；程序開始運(yùn)行后，首先調(diào)用物理層應(yīng)用函數(shù)對基礎(chǔ)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)入監(jiān)聽模式。監(jiān)聽模式下無線加速度傳感器收到正確的上位機(jī)指令后，將進(jìn)入正常工作模式，之后調(diào)用媒體訪問控制層應(yīng)用函數(shù)處理收到的信息，最后調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用函數(shù)處理與上位機(jī)及其他節(jié)點(diǎn)的通信。
5.如權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線接收器由硬件和軟件程序兩部分構(gòu)成；硬件包含控制電路板、殼體；軟件程序的編制采用分層設(shè)計(jì)，分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線接收器的控制電路板位于無線接收器殼體的空腔內(nèi)，它與殼體通過4個螺釘緊固在一起；殼體由4部分組成左端蓋、右端蓋、上蓋板和下蓋板；上、下蓋板通過相互配合的鎖緊機(jī)構(gòu)組裝在一起；在上、下蓋板的兩端有對稱分布的螺紋孔，由此左、右端蓋就通過螺釘緊固在上、下蓋板上；無線接收器殼體上還分布有電源接口、電源開關(guān)和電源指示燈；控制電路板上的串口通過右端蓋伸出殼體外部。
7.如權(quán)利要求5所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述無線接收器的軟件程序分為網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層；網(wǎng)絡(luò)層管理傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間的通信，維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；媒體訪問控制層是網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間的通信媒介；物理層對無線接收器中的基礎(chǔ)模塊做了初始化配置；程序開始運(yùn)行后，首先調(diào)用物理層應(yīng)用函數(shù)對基礎(chǔ)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)入監(jiān)聽模式；監(jiān)聽模式下無線接收器收到正確的上位機(jī)指令后，將進(jìn)入正常工作模式，之后調(diào)用媒體訪問控制層應(yīng)用函數(shù)處理收到的信息，最后調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用函數(shù)處理與上位機(jī)及子節(jié)點(diǎn)的通信。
8.如權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無線通信協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將無線接收器定義為中心節(jié)點(diǎn)，將無線傳感器定義為子節(jié)點(diǎn)；中心節(jié)點(diǎn)作為無線網(wǎng)絡(luò)的核心；子節(jié)點(diǎn)作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和發(fā)送節(jié)點(diǎn)，同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持65535個子節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)的采集有同步和異步兩種模式，同步模式下的時(shí)間精度達(dá)到O. lms。
9.如權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的上位計(jì)算機(jī)采集處理軟件完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的最終采集、存儲和分析；軟件系統(tǒng)采用Labview開發(fā)；軟件系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)存儲為多種格式的輸出文件，具有數(shù)據(jù)回放、時(shí)域分析、頻域分析、趨勢預(yù)警功能。
全文摘要
本發(fā)明一種基于無線傳感器的工業(yè)振動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成；硬件包含無線加速度傳感器、無線接收器，無線加速度傳感器與無線接收器在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的框架內(nèi)完成指令、數(shù)據(jù)的通信互聯(lián)；軟件系統(tǒng)從功能上分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和計(jì)算機(jī)采集處理軟件。本發(fā)明集合了傳感器技術(shù)、射頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，具有自組織、快速布置、突發(fā)事件處理機(jī)制、信息實(shí)時(shí)處理和預(yù)警能力。
文檔編號G08C17/02GK102638903SQ201210090459
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者萬利華, 吳帥, 姚海慶, 曹恒, 王春, 王龍 申請人:華東理工大學(xué)