【正文】 基于無線傳感器的振動(dòng)檢測(cè)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II目 錄 III1 緒論 1 選題意義 1 技術(shù)背景 2 本文工作 22 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 需求分析 4 硬件結(jié)構(gòu) 5 軟件結(jié)構(gòu) 8 功能流程 163 關(guān)鍵技術(shù) 17 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集 17 XMesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 19 數(shù)據(jù)處理 22 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 234 測(cè)試 255 結(jié)論 27致謝 28參考文獻(xiàn) 291 緒論 選題意義當(dāng)代社會(huì)的工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備的機(jī)械化，自動(dòng)化，信息化，智能化程度都日新月異的發(fā)展和進(jìn)步著。設(shè)備規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越多，性能越來越高；這極大地提高了生產(chǎn)效率，改變了人們的生活方式。同時(shí)這些設(shè)備一旦產(chǎn)生故障也將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，有時(shí)還會(huì)帶來人員傷亡和嚴(yán)重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)的維護(hù)方式是出了故障再修理或者定期檢修，但是現(xiàn)代工業(yè)體系中的設(shè)備往往具備大型化，連續(xù)化，高速化，自動(dòng)化的特性[1]。一旦產(chǎn)生故障就會(huì)使整條生產(chǎn)線停頓，甚至對(duì)生產(chǎn)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p傷，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失將是不可承受的。而傳統(tǒng)的定期檢測(cè)需要大量技術(shù)嫻熟經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)員，但是此種方式往往帶來檢修過剩及生產(chǎn)線的不必要停頓。這將給企業(yè)帶來額外的損失和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，同時(shí)此種方法并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障。因此基于傳感器的即時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種系統(tǒng)可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。出現(xiàn)故障前兆立刻報(bào)警，大大減少了不必要的檢修并提供有效的故障預(yù)測(cè)信息，使得預(yù)測(cè)性維護(hù)成為可能。然而早期的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常昂貴，需要鋪設(shè)大量的線路和專業(yè)的操作人員。而這些對(duì)于中小型企業(yè)和對(duì)故障檢測(cè)及時(shí)性要求不是那么高的系統(tǒng)來說性能過剩，同時(shí)其昂貴的成本將許多用戶擋在門外。隨著電子信息產(chǎn)業(yè)和硬件制造技術(shù)的發(fā)展基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為了可能?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不需要鋪設(shè)大量的線路，因此可以以較低的成本組建起一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在性能與成本之間達(dá)到一個(gè)均衡。振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)于許多現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備有重要意義，各種設(shè)備中的電機(jī)及軸承在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)擁有穩(wěn)定的振動(dòng)周期。當(dāng)軸承出現(xiàn)磨損時(shí)便會(huì)在其振動(dòng)信號(hào)中表現(xiàn)出異常，通過對(duì)采集到的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析可以建立對(duì)應(yīng)的故障信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢栽谀p出現(xiàn)時(shí)快速鑒別分析是何種故障，為預(yù)測(cè)性維護(hù)提供了可靠的信息。同時(shí)無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以在嚴(yán)酷的環(huán)境內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)電機(jī)組，船舶動(dòng)力艙，生產(chǎn)線上的機(jī)械設(shè)備以及對(duì)建筑的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)通過精心設(shè)計(jì)的電源管理協(xié)議，基站端定時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集完成后立刻睡眠，使得節(jié)點(diǎn)上的5號(hào)電池可以在高能耗電源模式下維持?jǐn)?shù)月，在低能耗模式下維持12年。解決了無線傳感器的電力供給問題，不必頻繁的更換電池。綜上所述，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，而隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的飛速進(jìn)步及處理器速度的提升。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)處理能力將會(huì)隨之提高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將具有更高的性能和智能化處理能力。 技術(shù)背景本文所用的硬件平臺(tái)是美國(guó)Crossbow公司開發(fā)的無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)套件，此套件可以應(yīng)用于建筑物和機(jī)床的健康監(jiān)測(cè)，用智能的無線技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢查，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)椒?wù)器、終端PC或者手持設(shè)備PDA，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)排查不可及的實(shí)時(shí)監(jiān)控。CXL10GP3加速度傳感器通過套件中的MDA320數(shù)據(jù)采集板連接到Crossbow的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了低功耗、多跳的無線傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。此套系統(tǒng)之前已有過成功的應(yīng)用案例在英國(guó)BP石油公司的一艘運(yùn)行在北海的萬噸運(yùn)油船Loch Rannoch。此項(xiàng)BP 的計(jì)劃是建立一套預(yù)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)用來監(jiān)視如馬達(dá)、泵之類具有強(qiáng)烈振動(dòng)的機(jī)器。這些機(jī)器被放置于Loch Ronnach 油船的引擎室內(nèi)。通過振動(dòng)信息來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)磨損或撕裂現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)則通過無線通信發(fā)送警告。相似的例子還有發(fā)電站的機(jī)房及高壓輸電線路。由于無線傳感器的良好性能，節(jié)點(diǎn)都可以部署在苛刻的環(huán)境中。例如高空高壓電網(wǎng)和船舶動(dòng)力艙室，節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)期高效采集有效數(shù)據(jù)，從而免去人工檢查的繁瑣工程和維護(hù)次數(shù)，并且減少有線監(jiān)控的高額成本。BP公司的項(xiàng)目最終驗(yàn)證了這套系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)可行性[2]。在為期數(shù)月的實(shí)驗(yàn)期間，振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在船舶動(dòng)力室2738℃的高溫及來自動(dòng)力機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)中忠實(shí)的完成了其所被賦予的任務(wù)。國(guó)家電力建設(shè)研究所目前已將克爾斯博公司的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品用于監(jiān)測(cè)大跨距輸電線路的應(yīng)力、溫度和振動(dòng)等參數(shù)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)部署在高壓輸電線上，而網(wǎng)關(guān)固定在高壓輸電塔上。此項(xiàng)目克服了超高壓大電流環(huán)境中無線監(jiān)測(cè)裝置的電磁屏蔽、工頻干擾、電暈干擾、無線監(jiān)測(cè)裝置的長(zhǎng)期供電等技術(shù)難題；解決了導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)傳感技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸、多參數(shù)信息監(jiān)測(cè)與集成等關(guān)鍵技術(shù)問題。驗(yàn)證了基于無線傳感器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中部署的可能性，及其廣闊的市場(chǎng)前景。 本文工作本文使用無線振動(dòng)監(jiān)測(cè)套件中的基本組成部分來完成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳送及數(shù)據(jù)顯示。實(shí)驗(yàn)中需要用到基本硬件顆粒：IRISCrossbow 2007年推出的一款增強(qiáng)版無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，相對(duì)于原有的MicaZ節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可達(dá)到更遠(yuǎn)的通信距離（300～500米，三倍于MicaZ節(jié)點(diǎn)），同時(shí)僅消耗原有功耗的一半。采用此款Mote可以降低Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳造成的延遲,增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性，在相同節(jié)點(diǎn)數(shù)目的條件下可以覆蓋更大的監(jiān)測(cè)范圍。MDA320Crossbow推出的MDA320是一款16位的ADC數(shù)據(jù)采集板，提供8通道16/12位ADC采樣，同時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)的5v?？梢苑浅７奖愕呐c加速度計(jì)連接。16位的采樣精度可以保證數(shù)據(jù)采集的精確度。CXL10GP3Crossbow公司出產(chǎn)的CXL10GP3加速度傳感器是一款測(cè)量范圍為10g的3軸加速度傳感器，前置的100HZ低通濾波器可以有效濾除干擾噪聲。內(nèi)置的信號(hào)調(diào)理電路可以保證輸出信號(hào)的可信性。其功耗低至5mA每軸非常適合集成進(jìn)低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行長(zhǎng)期建筑健康程度監(jiān)測(cè)[3]。其中我編寫的采集程序?qū)⑦\(yùn)行在MDA320及網(wǎng)關(guān)主板MIB520上，由MIB520發(fā)送控制信號(hào)管理數(shù)據(jù)的采集和傳輸。收集到的數(shù)據(jù)傳送到Crossbow公司的軟件平臺(tái)XServe上，經(jīng)過數(shù)據(jù)解析后形成XML格式數(shù)據(jù)流通過HTTP協(xié)議傳送至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的網(wǎng)頁(yè)上顯示。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章內(nèi)容是關(guān)于系統(tǒng)總體框架和設(shè)計(jì)的，這一章的開頭部分我們首先論述了工業(yè)生產(chǎn)對(duì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求分析。隨后說明了我們所使用的硬件節(jié)點(diǎn)的型號(hào)附帶簡(jiǎn)要的產(chǎn)品介紹。隨后按照無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn)的順序展示了相應(yīng)的硬件芯片圖片及其基本性能。然后簡(jiǎn)要介紹了我們使用的Crossbow公司的開發(fā)平臺(tái)和應(yīng)用軟件，（對(duì)于所使用的平臺(tái)及TinyOS將在第3章詳細(xì)的介紹）以及我們整個(gè)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，最后是整個(gè)系統(tǒng)的流程圖和傳感器采集數(shù)據(jù)的流程圖。 需求分析現(xiàn)代工業(yè)設(shè)施的許多地方都需要使用振動(dòng)監(jiān)測(cè)來評(píng)估設(shè)備的健康狀況，例如各種電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)軸上使用的軸承。這些設(shè)備穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)出規(guī)律的振動(dòng)信號(hào)，當(dāng)機(jī)械部分出現(xiàn)磨損時(shí)，損傷處就會(huì)因碰撞產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的獨(dú)特噪音信號(hào)。通過對(duì)這些信號(hào)的監(jiān)測(cè)便可以知道設(shè)備是否出現(xiàn)磨損，出現(xiàn)了那種類型的磨損，由此便可以將故障排除在發(fā)生之前[4]。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的環(huán)境往往比較惡劣，機(jī)房環(huán)境往往溫度較高，噪音、振動(dòng)、及復(fù)雜的電磁環(huán)境都會(huì)影響傳感器及無線電的工作。并且需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)狀態(tài)，因此需要將加速計(jì)牢固的依附在機(jī)械表面。本文所使用的硬件節(jié)點(diǎn)是Crossbow公司最新的增強(qiáng)版無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，相比之前版本的產(chǎn)品擁有更遠(yuǎn)的通訊距離和更強(qiáng)的抗干擾性。同時(shí)所使用的CXL10GP3加速計(jì)本身帶有兩個(gè)螺栓孔，可以緊密的固定在機(jī)械表面。網(wǎng)絡(luò)通信方面使用Crossbow公司的XMesh進(jìn)行振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的組建和管理。通過XMesh的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，振動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間可以形成星型網(wǎng)絡(luò)。本文使用的是Mesh星形網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行自組網(wǎng)。并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的連接狀況進(jìn)行重組，同時(shí)系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)可以進(jìn)行快速的重啟使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。本文中使用CXL10GP3與MDA320連接在一起形成數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，由一塊使用USB連接到計(jì)算機(jī)的MIB520芯片擔(dān)任網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，由計(jì)算機(jī)終端通過XServe發(fā)送采集命令到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 XMesh的三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 硬件結(jié)構(gòu)本節(jié)我們將簡(jiǎn)要介紹實(shí)驗(yàn)所使用的硬件芯片及他們之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，我們將按照自頂向下的順序由根節(jié)點(diǎn)到葉子節(jié)點(diǎn)逐一介紹這些芯片，首先是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)MIB520芯片。 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)MIB520，MIB520芯片為IRIS系列節(jié)點(diǎn)提供通信和編程的USB接口，通過USB總線為設(shè)備供電。同時(shí)板上帶有一個(gè)嵌入式處理器Atmega 16L對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程。代碼將先通過USB下載到Atmega 16L隨后處理器將代碼燒入節(jié)點(diǎn)。使用MIB520對(duì)節(jié)點(diǎn)編程需要在計(jì)算機(jī)端使用MoteWorks指定MIB520的兩個(gè)端口號(hào)，兩個(gè)端口是獨(dú)立的，分別負(fù)責(zé)編程和數(shù)據(jù)傳輸。本文中我們?cè)O(shè)置的兩個(gè)端口號(hào)為COM3和COM4。同時(shí)MIB520芯片還有一個(gè)reset開關(guān)可以重置在板子及節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的程序，其同樣也會(huì)重置在計(jì)算機(jī)端運(yùn)行的軟件。 處理器/無線電板 XM2110芯片，是Crossbow公司的最新產(chǎn)品。自身帶有一定的計(jì)算能力，其使用一個(gè)兼容IEEE 。無線電裝置上包括一個(gè)DSSS（數(shù)字直接序列擴(kuò)頻）基帶調(diào)制解調(diào)器，圖 MIB520網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)提供9dB的擴(kuò)頻增益和250kbps的有效數(shù)據(jù)速率。天線頻率可在IEEE （）到26（）之間以5MHz的分辨率調(diào)整。圖 XM2110芯片 無線電的射頻傳輸電源可以在3dBm（毫瓦分貝），更低的傳輸功率可以通過減少電磁干擾降低無線電功率實(shí)現(xiàn)。XM2110節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要組成芯片，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)都將與這樣一個(gè)芯片相連。并通過這塊芯片進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的通信、廣播命令、上傳數(shù)據(jù)等操作。 數(shù)據(jù)采集板 MDA320CA，具有多達(dá)8通道16位模擬輸入。與MDA300數(shù)據(jù)采集板相比，其結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)卻具有相同的功能。MDA320CA是為低成本要求精確采集和分析數(shù)據(jù)類應(yīng)用設(shè)計(jì)的。MDA320CA具有改進(jìn)的微型連接方式，和快速便捷的接