CN101902831B - 适用于机械设备振动检测的无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

一种适用于机械设备振动检测的无线传感器网络节点包括传感器模块、微处理器模块、无线传输模块和电源模块，其中微处理器模块在节点主板上，主板集成了电源模块，传感器模块和无线传输模块通过接口连接于主板。本发明所设计的节点平台在监测机械设备，通过采集对象的振动信号，经过分析以达到监测机械设备运行状态的目的，并能够检测到较高加速度条件下的振动信号。本发明适用于机械设备的振动检测。

Description

适用于机械设备振动检测的无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及一种机械设备振动，还涉及一种无线传感器网络节点，尤其是一种适用于机械设备振动检测的无线传感器网络节点。

背景技术

通过采集机械设备的振动信号作为其故障诊断的依据是一种最常用的有效方法，特别是对大型机械设备。机械的振动特性对特殊故障是唯一的，通过对振动信号的分析和处理，能够确定故障产生的原因。在机械设备维护中，采用振动信号分析法对机械任意部位进行监测是排除机械故障的一种最有效的方法。

无线传感器网络在工业监控领域的研究发展为机械设备状态监测和故障诊断提供了一个更为方便和有效的手段。传统的有线传感器方式是将传感器设置在被测对象的指定位置布置多个传感器，对传感器一对一配线，然后集中到中央监控设备。这个过程需要花费较多的人力去设置传感器，要求测试人员无差错的给传感器配线，合理布线并防止在监测过程中数据传输线被人为破坏。这一繁琐的过程会对测试人员带来很多不便，在传感器较多的情况下布线甚至会带来视觉混乱，而对于旋转器件，有线的传感器监测更是不可能的。无线传感器网络技术的涌现和其在工业监控领域的应用为我们提供了一个可实现的解决方案。通过无线传感器网络对设备状态的监测，可以免除上述的诸多不便，完成对设备的振动信息的采集，为设备运行状态监测和故障诊断提供最原始的检测信息。

无线传感器网络技术是融合了微电子、无线通信、传感器、计算机网络和嵌入式系统等技术迅速发展起来的一种新技术，是多学科高度交叉的前沿研究领域，具有高度的挑战性，同时也是国内外公认的21世纪最有影响和改变世界的技术之一。它可以感知并采集监测对象的信息并通过无线通信将这些信息发送到主机，甚至可以进行简单的数据处理以期收到想要的数据结果。目前在环境监控、农业生产、建筑物监测、工业生产及智能家居都得到了广泛的应用。作为基本单元，各种无线传感器网络节点也相继被研制出来，目前应用比较广泛的节点有：加州大学伯克利分校研制的MICA(一种节点型号)系列节点，克尔斯博公司的Telos(一种节点型号)节点，国内应用较广的还有中科院计算技术所的GAINZ、GAINS(一种节点型号)等节点。在目前绝大多数应用中选择温湿度、光照、低频率振动作为数据采集对象的节点占了绝大多数。现有能够采集振动信号的节点只适合建筑物或桥梁的振动检测，其采集振动信号的频率范围不超过几百Hz，而在振动检测方面，特别是对于机械设备这种采集数据频率相对较高的对象，还达不到这个要求。目前相关科研人员已经关注了这方面节点的设计开发。无线传感器网络采用基本协议是802.15.4协议。802.15.4协议是IEEE标准化协会下IEEE802.15.4工作组制定，并于2003年首次公布，是符合IEEE标准的低速无线个域网协议(LR_WPAN)。依照802.15.4协议，最大的数据传输速率为250Kbps，而采集频率较高的振动信号所产生的数据量也相对较大，达到了2Mbit以上，但是对于振动信号的采集传输并不要求实时传输，基于以上两方面的原因需要外扩存储空间。

本发明设计的节点平台旨在监测机械设备，通过采集对象的振动信号，经过分析以达到监测机械设备运行状态的目的，并不完全要求数据的实时传送。这要求采集频率相对较高的振动信号(1KHz以上)，并能够检测到较高加速度条件下的振动信号(10g左右及以上)，所产生的数据量也比较大(2Mbits左右)。目前应用的节点平台都无法达到这样的要求，必须自行设计可行的节点平台方案。

发明内容

本发明的目的在于利用无线传感器网络节点的技术手段采集机械设备的振动信号，作为机械故障诊断的判断依据或监测机械设备运行状况的基本数据，并提供一种适用于机械设备振动检测的无线传感器网络节点。

为了突破现有无线传感器网络节点的局限，本发明设计了适于振动信号采集传输的无线传感器网络节点，满足所采集的振动信号的较高频率要求。本发明的无线传感器网络节点基本结构由4部分组成：传感器模块、微处理器模块、无线传输模块、电源模块。

节点的微控制器模块部分主要以MSP430型号单片机为主导，包括振动信息的采集存储和控制无线传输模块实现对数据的无线收发，以及承载802.15.4/ZigBee协议。MSP430单片机具有功能丰富的外围接口，所选单片机型号具有了3个SPI(串行外设接口)接口并兼容2个I²C(内部集成电路总线)接口，其中CC2420(无线传输芯片型号)模块通过SPI与单片机通信，加速度传感器也占用一个SPI接口或I²C接口，FLASH外扩存储器占用一个SPI接口，我们完全利用了该型号MSP430单片机的全部外围接口功能，实现了完备的节点数据采集存储和传输功能。

微处理器模块进行了存储扩充，型号为M25P系列FLASH芯片面积仅为5*6mm，有利于节省节点整体版面大小，而且具有相同的引脚，可以灵活选取相同封装的大容量芯片以扩展本地存储。

本发明涉及的无线传感器网络节点的传感器模块选取贴片式芯片加速度传感器，制作传感器电路板，选取了型号为ADXL345的三轴数字式加速度传感器为主要芯片。该传感器最高量程为±16g，可采集到的最高机械振动信号的频率为1.6kHz，输出数据为16位二进制补码，可通过SPI(3线或4线)或者I²C数字接口访问。本发明涉及的节点对SPI和I²C这两种通信方式的都引出了接口，通过跳线选择方式区分这两种方式。针对不同的需要，在同一电路板上可以选择任意一种通信方式与微处理器模块通信。

所选加速度传感器的I²C通信方式需要接两个上拉电阻，数据手册没有明确具体的范围，可以根据上拉电阻阻值最大值R_p(max)和最小值R_p(min)的求值公式计算得出。公式分别为：

其中：t_r为SDA信号和SCL信号的上升时间，C_b为总线上的电容值总和。

其中：V_DD为三轴数字式加速度传感器的数字电源电压，V_OL(max)为串行数据线和串行时钟线上的低水平输出电压，I_OL为串行数据线和串行时钟线上的低水平输出电流。

所选加速度传感器需要分别供1.8V和2.5V电源，而微处理器的供电电源为3.3V，所以ADXL345模块也上实现了3.3V到1.8V与2.5V的电源转换。在与MSP430单片机的SPI与I²C接口处则相应的进行了1.8V-3.3V逻辑电平转换，保证微处理器能够识别采集到的数据。

无线传输模块采用CC2420模块，CC2420模块与微处理器模块通过SPI接口通信。CC2420是首款兼容IEEE802.15.4标准的射频芯片，它遵循了IEEE802.15.4规定的2.4G频段传输规范。

本发明涉及的无线传感器网络节点各模块采用的主要芯片都是低功耗器件。微处理器模块采用TI公司的MSP430单片机为主要芯片，MSP430单片机超低功耗远远小于其他类型的单片机，工作电流仅为400μA，而且具有5种省电模式，最低耗电更是达到了0.22μA。这一特点与无线传感器网络低功耗的要求相吻合。所选无线传输模块核心芯片为CC2420，它工作时的接收电流为18.8mA，发送电流为17.4mA，空闲时电流仅为0.42mA，通常情况下一节AAA碱性电池可以用将近2年的时间。同时选取的ADXL345加速度传感器也满足了超低功耗的要求，工作电流仅40μA，等待模式下的电流仅为0.1μA。所以整个节点的的三个主要能耗模块都选择了超低功耗的集成电路器件，这非常符合无线传感器网络的低功耗要求。对于大数据量的采集传输对功耗的要求要比简单数据传输高出几个数量级，节点的各个超低功耗模块的组合也非常符合振动信号采集和无线传输的低功耗要求。

节点的电源模块采取了多种供电方式，这包括电池供电、直流电源供电、JTAG(一种边界扫描技术)供电等。

微处理器模块有丰富的接口，包括与传感器和无线传输模块通信的SPI和I²C接口，调试程序所需的JTAG接口、串口。MSP430主要的外围功能模块都有对应的接口，这样可以满足传感器芯片的升级需要。所选单片机的内存达到了116KB，有足够的空间存储协议栈程序代码，底层驱动程序和应用层的开发程序都嵌入到了协议栈中，微处理器模块的单片机是所有程序代码的载体。

本发明设计了完整的数据采集和存储的底层驱动程序，这包括传感器的驱动、寄存器控制完成数据采集，M25P80的数据存储和读取程序。开发工具为IAR EW430(IAR Systems公司为MSP430微处理器开发的一个集成开发环境)。

传感器的底层程序设计选取了SPI访问方式，对传感器的一切操作都是通过SPI通信来完成。MSP430规定的SPI通信时序与传感器的时序不能完全对应，本发明设计的传感器模块SPI通信程序解决了这个问题，可以实现单片机和传感器的SPI通信匹配，这使我们无论在传感器的初始化、配置其寄存器以及数据的读取时都不会出现时序问题。

CC2420模块的驱动控制和数据收发程序采用802.15.4/ZigBee协议栈内部的底层驱动和收发程序。将传感器和FLASH存储器的这两部分程序代码嵌入协议栈的底层就形成了完备的节点底层程序开发。应用层需要调用底层程序只需要调用程序接口就可以，这些程序接口都放在了相应的头文件中。整个协议栈底层程序能够实现加速度传感器的数据采集、FLASH芯片存储和读取以及CC2420的数据收发。应用协议栈上层的数据封装、组网、任务调度函数就能够完成应用无线传感器网络手段采集振动信号并无线传输的基本功能。

对协议栈应用层的开发方面我们完成了数据采集时间的设定，通过嵌入应用层的时间设定振动信号的采集时间，本发明中设定的一次采样时间初始值为30s，允许采集的最大频率为1.6KHz，对应的抽样频率为3200Hz，在一次采样中得到的数据量大约为1.5Mbits。

附图说明

图1节点总体结构框图

图2微处理器模块结构和接口框图

图3电源模块原理图

图4传感器模块原理图

图5ADXL345数据采集存储程序流程图

具体实施方式

本发明设计的无线传感器网络节点由4部分组成：传感器模块、微处理器模块、无线传输模块、电源模块。图1给出了节点的功能模块框图，其中微处理器模块、电源模块以及FALSH存储器集成在同一电路板上。

参照图2节点结构示意图通过微处理器模块上的SPI或I²C接口将传感器模块接入节点主板，并通过SPI接口将无线传输模块与主板连接。将节点主板上的JTAG接口与主机相连准备下载程序，将节点的串口与主机的串口连接已查看串口数据，然后按照图3中的任意一种电源配置方式给节点供电，这就完成了硬件连接的准备工作。

接下来要做ZigBee网络构建测试。按照接口图示连接微处理器模块与无线传输模块。通过JTAG接口或USB仿真器将该节点微处理器模块与主机连接准备烧写协议栈程序。打开程序开发集成编译环境，将协议栈底层代码烧制到单片机上。下载程序时要注意协议栈程序分两种：协调器程序和终端节点程序。只给一个节点加协调器程序其它节点下载进终端节点程序就可以组成一个简单的星型网络。在集成环境下点击运行程序，首先运行协调器程序，按下1号按钮(S1)，则2号指示灯(LED2)亮起，表明协调器开始组网，并等待终端节点加入网络。然后运行终端节点程序，按下2号按钮(S2)。当终端节点指示灯LED2点亮，表明终端节点加入网络成功，若再次按下S2后LED2熄灭则将终端节点移出网络。这样组网和无线传输的准备工作已经完成，即表明上述操作能够按照协议栈要求构成ZigBee网络，能够进行数据传输操作了。

数据采集通过调用传感器模块程序来完成，按照接口图示将传感器模块与微处理器模块连接起来，如果接通了图4所示的跳线接口JP1则选择了I²C通信方式，否则选择的是SPI方式。在此我们选择SPI方式。首先进行传感器的初始化测试，这是通过设定它的寄存器并读取传感器的设备地址来完成，在程序开发集成环境中我们可以看到传感器的全部寄存器的状态值，如果显示寄存器的设定值与程序中要求写入的值相符，则表明初始化成功，然后通过读取传感器的设备地址，通过串口在主机查看得到的设备地址，如果读取到正确的值，表明传感器的SPI通信也没有问题了。

协调器节点通过命令来完成数据采集存储和传输任务调度。默认的采集时间为30s，采集程序如图5所示。采集时间结束后则自动向协调器节点发送传输数据命令并测试信道是否空闲，若获得允许传输的回复命令就可以从FLASH芯片中读取并传输数据，其它的终端节点则继续等待传输。这部分函数是协议栈固有的网络层功能函数，无需改动。采集时间的设定函数被固定在了协议栈的应用层函数中，如果想改变采集时间只需要找到该函数并修改采集时间，然后重新下载到终端节点中去就可以。协调器节点接收数据后将其存储于FLASH芯片中，用户可以通过串口查看或读取数据。

Claims (5)

1.一种适用于机械设备振动检测的无线传感器网络节点，其特征在于，包括传感器模块、微处理器模块、无线传输模块和电源模块，其中，微处理器模块设置在节点主板上，主板集成有电源模块，传感器模块和无线传输模块通过接口连接于主板；所述微处理器模块包括无线传感器网络通信模块，所述微处理器模块连接具有不同内存容量的FLASH存储器，所述传感器模块采用三轴数字式加速度传感器，能够完成最高频率为1.6KHz的振动信号的采集、存储和无线传输；所述无线传感器通信模块通过运行802.15.4/ZigBee协议栈完成所述节点的组网和数据传输任务。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络节点，电源模块是通过电池、直流电源或JTAG接口供电。

3.如权利要求1所述的无线传感器网络节点，传感器模块选择三轴数字式加速度传感器为主芯片，设计有SPI和I2C两种接口方式与微处理器模块的接口，应用时通过跳线选择上述两种接口方式中的任意一种接口方式。

4.如权利要求3所述的无线传感器网络节点，采用如下公式确定I2C接口上拉电阻的最大电阻值与最小电阻值：

$R_{p\left(\max \right)}=\frac{t_r}{0.8473\×C_b};$

$R_{p\left(\min \right)}=\frac{V_{\mathrm{DD}}-V_{\mathrm{OL}\left(\max \right)}}{I_{\mathrm{OL}}};$

其中，Rp(max)为上拉电阻的最大电阻值，Rp(min)为上拉电阻的最小电阻值，tr为串行数据线信号和串行时钟线信号的上升时间，Cb为总线上的电容值总和，VDD为三轴数字式加速度传感器的数字电源电压，VOL(max)为串行数据线和串行时钟线上的低水平输出电压，IOL为串行数据线和串行时钟线上的低水平输出电流。

5.如权利要求3所述的无线传感器网络节点，所述三轴数字式加速度传感器的数据采集时间由所述无线传感器网络节点微处理器模块中的协议栈应用层程序来设定。

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