基于无线传感器的振动检测毕业论文

基于无线传感器的振动检测毕业论文目录摘要 (I)Abstract....................................................... I I 目录........................................................ I II1 绪论 (1)1.1 选题意义 (1)1.2 技术背景 (2)1.3 本文工作 (2)2 系统设计 (4)2.1 需求分析 (4)2.2 硬件结构 (5)2.3 软件结构 (8)2.4 功能流程 (16)3 关键技术 (17)3.1 振动数据采集 (17)3.2 XMesh网络协议 (19)3.3 数据处理 (22)3.4 数据格式转换 (23)4 测试 (25)5 结论 (27)致谢 (28)参考文献 (29)1 绪论1.1 选题意义当代社会的工业生产中，设备的机械化，自动化，信息化，智能化程度都日新月异的发展和进步着。

设备规模越来越大，结构越来越复杂，功能越来越多，性能越来越高；这极大地提高了生产效率，改变了人们的生活方式。

同时这些设备一旦产生故障也将造成重大的经济损失，有时还会带来人员伤亡和严重的环境污染。

传统的维护方式是出了故障再修理或者定期检修，但是现代工业体系中的设备往往具备大型化，连续化，高速化，自动化的特性[1]。

一旦产生故障就会使整条生产线停顿，甚至对生产设备造成严重损伤，由此带来的经济损失将是不可承受的。

而传统的定期检测需要大量技术娴熟经验丰富的技术员，但是此种方式往往带来检修过剩及生产线的不必要停顿。

这将给企业带来额外的损失和经济负担，同时此种方法并不能及时发现机械故障。

因此基于传感器的即时监测技术应运而生，这种系统可以随时监测系统运行状态。

出现故障前兆立刻报警，大大减少了不必要的检修并提供有效的故障预测信息，使得预测性维护成为可能。

然而早期的在线监测系统非常昂贵，需要铺设大量的线路和专业的操作人员。

而这些对于中小型企业和对故障检测及时性要求不是那么高的系统来说性能过剩，同时其昂贵的成本将许多用户挡在门外。

随着电子信息产业和硬件制造技术的发展基于无线传感器网络的振动监测系统成为了可能。

基于无线传感器网络的监测系统不需要铺设大量的线路，因此可以以较低的成本组建起一个监测网络，同时在性能与成本之间达到一个均衡。

振动监测对于许多现代工业设备有重要意义，各种设备中的电机及轴承在正常运转时拥有稳定的振动周期。

当轴承出现磨损时便会在其振动信号中表现出异常，通过对采集到的振动信号进行时域及频域分析可以建立对应的故障信号数据库。

可以在磨损出现时快速鉴别分析是何种故障，为预测性维护提供了可靠的信息。

同时无线传感器节点可以在严酷的环境长时间稳定工作，此项技术已经应用于发电机组，船舶动力舱，生产线上的机械设备以及对建筑的振动监测。

同时通过精心设计的电源管理协议，基站端定时唤醒节点进行数据采集。

采集完成后立刻睡眠，使得节点上的5号电池可以在高能耗电源模式下维持数月，在低能耗模式下维持1-2年。

解决了无线传感器的电力供给问题，不必频繁的更换电池。

综上所述，基于无线传感器网络的振动监测系统有着广阔的应用场景，而随着半导体加工技术的飞速进步及处理器速度的提升。

无线传感器网络的节点处理能力将会随之提高，无线传感器网络将具有更高的性能和智能化处理能力。

1.2 技术背景本文所用的硬件平台是美国Crossbow公司开发的无线振动监测套件，此套件可以应用于建筑物和机床的健康监测，用智能的无线技术代替传统的人工检查，监测数据可以传输到服务器、终端PC或者手持设备PDA，实现传统排查不可及的实时监控。

CXL10GP3加速度传感器通过套件中的MDA320数据采集板连接到Crossbow的无线传感器网络平台上，实现了低功耗、多跳的无线传输监测数据。

此套系统之前已有过成功的应用案例在英国BP石油公司的一艘运行在的万吨运油船Loch Rannoch。

此项BP 的计划是建立一套预测维护系统用来监视如马达、泵之类具有强烈振动的机器。

这些机器被放置于Loch Ronnach 油船的引擎室。

通过振动信息来监测系统的工作状态，当磨损或撕裂现象出现时则通过无线通信发送警告。

相似的例子还有发电站的机房及高压输电线路。

由于无线传感器的良好性能，节点都可以部署在苛刻的环境中。

例如高空高压电网和船舶动力舱室，节点能够长期高效采集有效数据，从而免去人工检查的繁琐工程和维护次数，并且减少有线监控的高额成本。

BP公司的项目最终验证了这套系统的现实可行性[2]。

在为期数月的实验期间，振动监测系统在船舶动力室27-38℃的高温及来自动力机组的强烈振动中忠实的完成了其所被赋予的任务。

国家电力建设研究所目前已将克尔斯博公司的无线传感器网络产品用于监测大跨距输电线路的应力、温度和振动等参数。

每个传感器节点部署在高压输电线上，而网关固定在高压输电塔上。

此项目克服了超高压大电流环境中无线监测装置的电磁屏蔽、工频干扰、电晕干扰、无线监测装置的长期供电等技术难题；解决了导地线微风振动传感技术、无线数据传输、多参数信息监测与集成等关键技术问题。

验证了基于无线传感器的振动监测网络在实际工业环境中部署的可能性，及其广阔的市场前景。

1.3 本文工作本文使用无线振动监测套件中的基本组成部分来完成监测网络的组网，数据采集，数据传送及数据显示。

实验中需要用到基本硬件颗粒：IRISCrossbow 2007年推出的一款增强版无线传感器网络节点，相对于原有的MicaZ节点，该节点可达到更远的通信距离（300～500米，三倍于MicaZ节点），同时仅消耗原有功耗的一半。

采用此款Mote可以降低Mesh网络多跳造成的延迟,增强网络的稳定性与可靠性，在相同节点数目的条件下可以覆盖更大的监测围。

MDA320Crossbow推出的MDA320是一款16位的ADC数据采集板，提供8通道16/12位ADC采样，同时提供标准的5v，2.5v基准电压输出。

可以非常方便的与加速度计连接。

16位的采样精度可以保证数据采集的精确度。

CXL10GP3Crossbow公司出产的CXL10GP3加速度传感器是一款测量围为10g的3轴加速度传感器，前置的100HZ低通滤波器可以有效滤除干扰噪声。

置的信号调理电路可以保证输出信号的可信性。

其功耗低至5mA每轴非常适合集成进低功耗无线传感器网络，进行长期建筑健康程度监测[3]。

其中我编写的采集程序将运行在MDA320及网关主板MIB520上，由MIB520发送控制信号管理数据的采集和传输。

收集到的数据传送到Crossbow公司的软件平台XServe上，经过数据解析后形成XML格式数据流通过HTTP协议传送至远程计算机的网页上显示。

2 系统设计本章容是关于系统总体框架和设计的，这一章的开头部分我们首先论述了工业生产对基于无线传感器网络的振动监测系统的需求分析。

随后说明了我们所使用的硬件节点的型号附带简要的产品介绍。

随后按照无线传感器网络由根节点到叶节点的顺序展示了相应的硬件芯片图片及其基本性能。

然后简要介绍了我们使用的Crossbow公司的开发平台和应用软件，（对于所使用的平台及TinyOS将在第3章详细的介绍）以及我们整个系统的软件架构，最后是整个系统的流程图和传感器采集数据的流程图。

2.1 需求分析现代工业设施的许多地方都需要使用振动监测来评估设备的健康状况，例如各种电机，发动机及转轴上使用的轴承。

这些设备稳定转动时发出规律的振动信号，当机械部分出现磨损时，损伤处就会因碰撞产生对应的独特噪音信号。

通过对这些信号的监测便可以知道设备是否出现磨损，出现了那种类型的磨损，由此便可以将故障排除在发生之前[4]。

由于无线传感器网络工作的环境往往比较恶劣，机房环境往往温度较高，噪音、振动、及复杂的电磁环境都会影响传感器及无线电的工作。

并且需要监测的设备运行时长时间处于振动状态，因此需要将加速计牢固的依附在机械表面。

本文所使用的硬件节点是Crossbow公司最新的增强版无线传感器网络节点，相比之前版本的产品拥有更远的通讯距离和更强的抗干扰性。

同时所使用的CXL10GP3加速计本身带有两个螺栓孔，可以紧密的固定在机械表面。

网络通信方面使用Crossbow公司的XMesh进行振动网络的组建和管理。

通过XMesh的网络协议，振动节点和网关之间可以形成星型网络，蜂窝网络或者星形-蜂窝混合网络如图2.1。

本文使用的是Mesh星形网络，节点与网关之间通过网络协议进行自组网。

并且根据节点之间的连接状况进行重组，同时系统出错时可以进行快速的重启使网络恢复正常。

本文中使用CXL10GP3与MDA320连接在一起形成数据采集节点，由一块使用USB连接到计算机的MIB520芯片担任网关节点。

网络运行时，由计算机终端通过XServe发送采集命令到网关节点，再由网关节点转发到传感器节点进行数据采集。

图2.1 XMesh的三种网络结构2.2 硬件结构本节我们将简要介绍实验所使用的硬件芯片及他们之间的结构关系，我们将按照自顶向下的顺序由根节点到叶子节点逐一介绍这些芯片，首先是网关节点MIB520芯片。

2.2.1 网关节点MIB520MIB520板的外观如图2.2所示，MIB520芯片为IRIS系列节点提供通信和编程的USB接口，通过USB总线为设备供电。

同时板上带有一个嵌入式处理器Atmega 16L对节点进行编程。

代码将先通过USB下载到Atmega 16L随后处理器将代码烧入节点。

使用MIB520对节点编程需要在计算机端使用MoteWorks指定MIB520的两个端口号，两个端口是独立的，分别负责编程和数据传输。

本文中我们设置的两个端口号为COM3和COM4。

同时MIB520芯片还有一个reset开关可以重置在板子及节点上运行的程序，其同样也会重置在计算机端运行的软件。

2.2.2 处理器/无线电板 XM2110芯片XM2110属于IRIS系列芯片如图2.3，是Crossbow公司的最新产品。

自身带有一定的计算能力，其使用一个兼容IEEE 802.15.4协议的无线电收发机作为通讯方式。

无线电装置上包括一个DSSS（数字直接序列扩频）基带调制解调器，图 2.2 MIB520网关节点提供9dB的扩频增益和250kbps的有效数据速率。

天线频率可在IEEE 802.15.4的频道号11（2.405GHz）到26（2.480GHz）之间以5MHz的分辨率调整。

图 2.3 XM2110芯片无线电的射频传输电源可以在3dBm（毫瓦分贝）至17.2dBm之间调整，更低的传输功率可以通过减少电磁干扰降低无线电功率实现。

XM2110节点是整个无线传感器网络的主要组成芯片，所有的传感器节点、网关节点都将与这样一个芯片相连。