CN102404401A - 基于wsn的机群状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于WSN的机群状态监测系统，安装于设备上的多个无线传感器节点组成无线传感器网络与汇聚节点连接，汇聚节点与数据管理与分析平台连接；各个无线传感器节点的数据直接或沿节点逐跳的传输至汇聚节点；所述的汇聚节点为增强数据处理功能的传感器节点或仅带有无线通信接口的网关设备。本发明提供的一种基于WSN的机群状态监测系统及方法，通过无线传感器网络准确的获取施工设备的工作状态信息和基于虚拟仪器技术构建的故障诊断系统，可以及时的发现故障类型、部位，并在关键时刻报警，从而避免了设备的维修不足和过剩维修，延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修成本，并确保了施工安全。

Description

基于WSN的机群状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及水利水电、交通枢纽等施工项目中机群的状态监测领域，特别是一种基于WSN的机群状态监测系统及方法。

背景技术

近年来，水利水电、交通枢纽施工项目工程量较大，工期紧，工程质量要求十分严格，其必然要用现代化程度很高的施工机械设备来完成。从某种意义上讲，施工机械对工程施工质量起着决定性的作用。由于施工设备多系露天作业，受风雨、日晒、大气、粉尘影响和侵蚀，工作环境十分恶劣，故障频繁；且施工生产的特性决定了它们工作在各工地上，分散性大，流动性强，给故障的及时排除带来了很大困难。而传统的制造业生产设备实时监测需要铺设大量的电缆或光纤，以构成传输网络，对于工作环境要求苛刻的场合(如旋转部件、压缩机等)会限制布线和供电，监测网络建设和维护成本很高。随着机械设备复杂性和自动化程度的提高，传统的维护技术(如停机检修和计划维护)难以满足维护成本与效率的需求，需要更合理高效的设备运行状态监测与诊断技术来减少故障停机时间，降低运行和维护成本，并延长设备的服役期限。

WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。中国专利200910014364.4提供了一种无线传感器网络节点，可以实现远程控制并节约电能；中国专利200910159494.7提供了一种无线传感器网络的路由方法、无线传感器节点及系统，可以实现网内数据传输的负载均衡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于WSN的机群状态监测系统及方法，可以便利的对施工项目中机群状态进行监测，从而减少机群中设备的故障停机时间，降低运行和维护成本，并延长设备的服役期限。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于WSN的机群状态监测系统，安装于设备上的多个无线传感器节点组成无线传感器网络与汇聚节点连接，汇聚节点与数据管理与分析平台连接；

各个无线传感器节点的数据直接或沿节点逐跳的传输至汇聚节点；

所述的汇聚节点为增强数据处理功能的传感器节点或仅带有无线通信接口的网关设备。

所述的无线传感器节点由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成；

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，处理模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，包括数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理；无线通信模块负责与其它传感器节点或汇聚节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源供应模块为传感器节点提供运行所需的电源。

所述的多个无线传感器节点之间和无线传感器节点与汇聚节点之间采用Zigbee协议实现无线组网。

所述的数据管理与分析平台采用虚拟仪器平台通过编程实现。

所述的数据管理与分析平台是根据机械故障诊断标准，确定故障诊断方法，并建立特征库，通过Labview编程对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理，得到辨识机械设备故障的特征参数，通过查询特征库，得到机械设备的运行状态。

所述无线传感器节点的监测参数包括设备的机油温度、冷却水温度、变矩器油温、液压油油温、位移、速度、加速度、噪声、机油压力、液压传动油油压、发动机转速和/或燃油量。

一种基于WSN的机群状态监测方法，包括以下步骤：

一、安装于设备上的多个无线传感器节点组成无线传感器网络；

二、无线传感器网络与汇聚节点连接，汇聚节点与数据管理与分析平台连接；

三、数据管理与分析平台采用虚拟仪器平台，根据机械故障诊断标准，确定故障诊断方法，并建立特征库，通过Labview编程对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理，得到辨识机械设备故障的特征参数，通过查询特征库，得到机械设备的运行状态；

通过上述步骤实现对机群的状态监测。

所述的无线传感器节点之间采用沿节点逐跳的方式传输数据。

所述的数据管理与分析平台的处理步骤如下：

一、原始数据采集；

二、数据分析处理；

三、根据特征库或阀值进行状态判断；

四、当符合故障标准，则报警提示，并反馈至无线传感器节点；

五、当不符合故障标准则进入数据存储，以供查询。

所述无线传感器节点的监测参数包括设备的机油温度、冷却水温度、变矩器油温、液压油油温、位移、速度、加速度、噪声、机油压力、液压传动油油压、发动机转速和/或燃油量。

本发明提供的一种基于WSN的机群状态监测系统及方法，通过无线传感器网络准确的获取施工设备的工作状态信息和基于虚拟仪器技术构建的故障诊断系统，可以及时的发现故障类型、部位，并在关键时刻报警，从而避免了设备的维修不足和过剩维修，延长了设备的使用寿命，减少了设备的维修成本，并确保了施工安全。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明中机群的整个网络的系统结构图。

图2是本发明中传感器节点的结构示意图。

图3是数据采集与分析平台的处理流程图。

图4是本发明中无线传感器网络结构图。

图5是本发明中ZigBee（基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议） WSN拓扑结构图。

图6是本发明实施例中五台设备的监测程序图。

图7是本发明实施例中油温的监测程序图。

图8是本发明实施例中位移监测程序图。

图9是本发明实施例中速度监测程序图。

图10是本发明实施例中加速度监测程序图。

图11是本发明实施例中噪声监测程序图。

图12是本发明实施例中油压监测程序图。

图13是本发明实施例中发动机转速监测程序图。

图14是本发明实施例中一台设备的监测程序图。

图15是本发明实施例中数据读写程序图。

具体实施方式

如图1中所示，一种基于WSN的机群状态监测系统，安装于设备上的多个无线传感器节点组成无线传感器网络与汇聚节点连接，汇聚节点与数据管理与分析平台连接；

各个无线传感器节点的数据直接或沿节点逐跳的传输至汇聚节点；无线传感器网络系统由大量传感器节点组成，主要包括传感器节点、(Sensor Node)和汇聚节点(Sink Node)。大量传感器节点随机部署在监测区域(Sensor Field)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。无线传感器节点监测的数据沿着其它无线传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过串行接口或总线接口到达管理与分析平台。无线传感器网络体系结构如图4所示。

所述的汇聚节点为增强数据处理功能的传感器节点或仅带有无线通信接口的网关设备。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比无线传感器节点要强，汇聚节点连接无线传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理无线传感器节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

受制于ZigBee协议的低功耗，无线传感器节点的信号传输距离有限，仅靠无线传感器网络组网是不够可靠的，因此本发明在组网时引入了汇聚节点(Sink Node)，通常将汇聚节点布置在易于获得持续电能，并可以接收无线传感器节点数据的位置，汇聚节点再通过串行接口或总线接口到达数据管理与分析平台，从而提升了整个系统的可靠性。

所述的无线传感器节点由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成；

如图2中所示，传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，处理模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，包括数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理等等；无线通信模块负责与其它传感器节点或汇聚节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源供应模块为传感器节点提供运行所需的电源，通常采用微型电池。

无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个无线传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。

所述的多个无线传感器节点之间和无线传感器节点与汇聚节点之间采用Zigbee协议实现无线组网。具体为建立无线传感器网络系统的各个模块时，根据ZigBee协议标准，建立射频收发模块，实现数据的无线传输。根据机群监测参数的类型，建立传感器模块，实现监测数据的采集。根据监测数据的基本处理要求，比如数据集合等，建立处理器模块，如图5中所示。

ZigBee协议是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

ZigBee标准在802.15.4的物理层和MAC子层的基础上扩展了网络层和应用层框架。网络层主要负责业务数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全和鉴权等。应用层主要有三个部分：与网络层连接的APS、ZDO、装置的应用Profile。

在组网上，ZigBee主要采用三种组网方式：星状网、树状网、网状网。

一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于zigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。

本实施例中的无线传感器网络基于市售的GAINSJ节点平台，主要是采用各类传感器，如温度﹑速度﹑加速度﹑压力传感器等对施工机械各状态参数进行数据采集，每个节点采集完数据后组成Mesh网络，最后交由数据管理与分析平台存储并分析数据。本实施例以GAINSJ节点自带的温湿度传感器进行温湿度监测。

GAINSJ节点采用ZigBee通信标准。ZigBee规范中定义了三种设备类型，即协调器设备(Coordinator)﹑路由设备(Router)和终端设备(Enddevice)。其作用分别为协调器节点发起网络，等待路由设备或终端节点的加入，路由设备作为远程设备之间的中继器来进行通信，也可作为路由或终端节点的父节点，并可以转发数据，终端节点只能作为叶子节点加入网络，不具备转发数据的能力。此模块不存在终端节点，所以形成如图5所示的Mesh网络，即特殊的网状结构。

此Mesh网中的路由器设备定期采集板上的传感器数据，并通过射频发送出去，若Coordinator不在其单跳覆盖区域内，可通过其他路由器节点转发信息。传输的数据中包括此帧的源设备16位短地址，设备上传感器的湿度﹑温度，以及设备当前电池电压值。这些数据都由协调器（Coordinator）节点通过串口线发送到PC上的GAINSJ后台iSnamp-J，在后台上对传感数据进行可视化操作。

如图6-图15中，所述的数据管理与分析平台采用虚拟仪器平台通过编程实现。

所述无线传感器节点的监测参数包括设备的机油温度、冷却水温度、变矩器油温、液压油油温、位移、速度、加速度、噪声、机油压力、液压传动油油压、发动机转速和/或燃油量。

本发明中的状态监测部分主要是利用虚拟仪器平台。根据机械故障诊断理论的方法和标准，确定故障诊断方法，并建立特征库。通过Labview编程对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理，得到辨识机械设备故障的特征参数，通过查询特征库，得到机械设备的运行状态。数据采集与分析平台的流程图如图3所示。

一种基于WSN的机群状态监测方法，包括以下步骤：

一、安装于设备上的多个无线传感器节点组成无线传感器网络；

具体如下：

首先，根据施工设备常见的故障形式，确定施工设备监测部位和参数，主要是振动和噪声等一些具有国际标准的通用物理参数，并通过传感器将这些物理参数转化为电信号，根据采集参数的性质添加信号预处理模块，得到采集的参数值。

为了实时地监测施工设备的运行状况，必须针对施工现场设备运行容易出现的故障部位、类型，确定被测的物理参数，以便选用合适的传感器对故障部位进行检测。

在国际上制订了一系列以振动量为衡量机器状态的国际标准，我国参照国际标准也制订了相应的国家标准。评定机器振动状态的物理量可以是：振动加速度、振动速度及振动位移。一般情况下，在低频域(10Hz以下)，以位移作为振动标准，主要检测轴的振动；中频域(10-1000Hz)以一定速度级作为诊断的依据，主要检测旋转施工机械的振动；在高频区(1000Hz以上)，则以加速度作为判定的标准，主要检测轴承和齿轮缺陷引起的振动。

同时，为了满足环境保护、司机听力保护并考虑国内机械产品的技术现状，GB16710.1-1996标准规定了我国施工机械产品噪声的最低指标。这里参照GB16710.1-1996标准测量工程机械外辐射噪声限值。

施工机械在运行过程中，还需要对液压系统、发动机、传动系统、冷却系统以及整机状态进行监测监控，并自动判断出相应部位被测量出的异常现象，采用不同的方式报警。在实际监测中，针对特定的监测对象要选择与之相关的监测参数。

利用施工机械的机油压力、润滑系统油压、机油温度、液压油温度、变矩器油温、冷却水温度、发动机转速、燃油量等工况参数作为监测记录对象，考察施工机械和发动机的状态变化和变化的规律。

二、无线传感器网络与汇聚节点连接，汇聚节点与数据管理与分析平台连接；

三、数据管理与分析平台采用虚拟仪器平台，根据机械故障诊断标准，确定故障诊断方法，并建立特征库，通过Labview编程对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理，得到辨识机械设备故障的特征参数，通过查询特征库，得到机械设备的运行状态；

利用虚拟仪器软件平台，建立数据管理与分析平台，可以较为直观的对无线传感器网络采集到的数据进行显示、分析、存储，以便分析故障原因。通过虚拟仪器系统设计程序，本例中以监测五台施工设备的振动、噪声、温度、压力等状态信息，并报警显示。其软件程序流程图如图6所示：

在本例中，数据管理与分析平台模块能实现对五台施工设备的机油温度、冷却水温度、变矩器油温、液压油油温、位移、速度、加速度、噪声、机油压力、液压传动油油压、发动机转速、燃油量进行实时监测并分析。分别设计各监测参数的程序图。

机油温度、冷却水温度、变矩器油温、液压油油温的监测程序，它主要实现对这四种温度的波形和数值显示。用户可以自行修改输入参数，当显示值大于设定限值时，相应的报警灯变亮。然后，将此程序设计成一个子虚拟仪器（LabVIE简称VI），以便设计一台设备监测程序时调用。如图7所示。在此模块中，对采集的温度信号进行显示、放大，用户可以自行修改各参数值。当温度超过设定数值时，相应的报警灯变亮。

位移监测程序主要实现位移的波形显示、滤波、加窗、求最小值、求最大值、求均方根值。用户可以自行修改输入参数，当输出位移大于设定的限值时，报警灯亮。然后，将此程序设计成一个子VI，以便设计一台设备监测程序时调用。如图8所示。

速度监测程序主要实现速度的波形显示、滤波、加窗、求幅值、求相位。用户可以自行修改输入参数，当输出速度大于设定的限值时，报警灯亮。然后，将此程序设计成一个子VI，以便设计一台设备监测程序时调用。如图9所示。

加速度监测程序主要实现加速度的波形显示、滤波、加窗、求幅值、求相位。用户可以自行修改输入参数，当输出加速度大于设定的限值时，报警灯亮。然后，将此程序设计成一个子VI，以便设计一台设备监测程序时调用。如图10所示。

噪声监测程序主要实现速度的波形显示、滤波、加窗、求功率谱。用户可以自行修改输入参数，当输出噪声大于设定的限值时，报警灯亮。然后，将此程序设计成一个子VI，以便设计一台设备监测程序时调用。如图11所示。

机油压力、液压传动油油压监测程序主要实现两种压力的波形显示、滤波、求算术平均值、求峭度、求中值、求极大值。用户可以自行修改输入参数，当输出压力大于相应的设定限值时，报警灯亮。然后，将此程序设计成一个子VI，以便设计一台设备监测程序时调用。如图12所示。

发动机转速监测程序主要实现发动机转速的波形显示、滤波、加窗、求幅值谱、求相位谱。用户可以自行修改输入参数，当输出转速大于设定的限值时，报警灯亮。然后，将此程序设计成一个子VI，以便设计一台设备监测程序时调用。如图13所示。

燃油量监测程序主要功能是当油量小于设定下限时，报警灯亮；当油量为零时，该台设备自动停机。

调用上述前7类子VI做成一台设备的全部信号监测程序图，主要实现一台设备全部信号的同时监测和信号处理。然后，将此程序设计成一个子VI，如图14所示，以便设计五台设备监测程序时调用。

设计数据写入表格程序图，主要功能是将一个二维数组写入一个Excel表格，并建立表格访问路径。然后，将此程序设计成一个子VI，以便设计五台设备监测程序时调用。如图15所示。

调用一台设备的全部信号监测程序图子VI和数据写入表格子VI，并加入了While循环结构，实现了五台设备所有信号的同时监测、分析处理，实时、连续采集，数据存储。当监测者发现严重故障需要停机时，按下相应的STOP键，可以实现该台设备的停机操作。五台设备的监测程序图见图6。

此外，数据管理与分析平台还设计了数据读取程序。它可以读取三维数据。当监测者需要查看历史监测数据时，只需选择正确的路径即可。

本发明结合无线传感器网络以及虚拟仪器这种强大的编程和分析工具，设计出了基于无线传感器网络的机群监测体系结构。

具体如图3中所示，所述的数据管理与分析平台的处理步骤如下：

一、原始数据采集；

二、数据分析处理；

三、根据特征库或阀值进行状态判断；

四、当符合故障或者称为事件的设定标准，则报警提示，并反馈至无线传感器节点，对于自动控制的设备，该反馈数据也可以作为自动控制的信号，例如电机的变频控制信号，或者液压油的比例阀开口控制信号；

五、当不符合故障或者称为事件设定标准的数据则进入数据存储，经网络传输至客户端以供查询。

通过上述步骤实现对机群的状态监测。

施工机械组成的机群的远程状态监测和诊断具有分散性、流动性的特点，使得该类设备的实时监测和远程诊断相当困难。本项目拟研究如何利用无线传感器网络技术来搭建一个基于无线传感器网络的施工设备监测系统，并进一步研究适于施工设备状态监控的无线传感器网络的工作模式和架构理论。

可以预见，只有准确的获取施工设备的工作状态信息，才能为后续的故障诊断、维修决策以及基于互联网的专家诊断提供可能。

选定多个施工设备用于建立传感器网络，每个传感器网络部署用于温度、压力、振动、扭矩、功率监测等传感器节点和专用网关节点，并搭建传输网络连接到互联网，并对采集到的数据进行管理和分析，以获知施工设备的状态。

本发明主要针对施工设备运行状态的监测，其中数据采集模块是通过搭建无线传感器网络来实现的。实现过程为：通过传感器节点采集施工设备的状态信息，经无线传感器网络传输数据到汇聚节点，再由汇聚节点通过RS232串行接口将数据传送至数据管理与分析平台，供监测者观察、分析。可以预见的，由此运行状态监测所获得的数据进行智能化的自动控制也是可行的。

本发明针对不同的采集信号，采用了有效的数据分析和处理方法。特别是本发明利用了Labview平台的数据处理函数功能和方便直观的界面，搭建了数据管理与分析平台，实现了对系统更为便利的监测控制。

Claims (10)

1.一种基于WSN的机群状态监测系统，其特征在于：安装于设备上的多个无线传感器节点组成无线传感器网络与汇聚节点连接，汇聚节点与数据管理与分析平台连接；

各个无线传感器节点的数据直接或沿节点逐跳的传输至汇聚节点；

所述的汇聚节点为增强数据处理功能的传感器节点或仅带有无线通信接口的网关设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于WSN的机群状态监测系统，其特征在于：所述的无线传感器节点由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块组成；

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，处理模块负责控制整个传感器节点的处理操作、存储和处理本身采集的数据和其它节点发来的数据，包括数据安全、通信协议、同步定位、功耗管理、任务管理；无线通信模块负责与其它传感器节点或汇聚节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源供应模块为传感器节点提供运行所需的电源。

3.根据权利要求1所述的一种基于WSN的机群状态监测系统，其特征在于：所述的多个无线传感器节点之间和无线传感器节点与汇聚节点之间采用Zigbee协议实现无线组网。

4.根据权利要求1所述的一种基于WSN的机群状态监测系统，其特征在于：所述的数据管理与分析平台采用虚拟仪器平台通过编程实现。

5.根据权利要求4所述的一种基于WSN的机群状态监测系统，其特征在于：所述的数据管理与分析平台是根据机械故障诊断标准，确定故障诊断方法，并建立特征库，通过Labview编程对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理，得到辨识机械设备故障的特征参数，通过查询特征库，得到机械设备的运行状态。

6.根据权利要求5所述的一种基于WSN的机群状态监测系统，其特征在于：所述无线传感器节点的监测参数包括设备的机油温度、冷却水温度、变矩器油温、液压油油温、位移、速度、加速度、噪声、机油压力、液压传动油油压、发动机转速和/或燃油量。

7.一种基于WSN的机群状态监测方法，其特征在于包括以下步骤：

一、安装于设备上的多个无线传感器节点组成无线传感器网络；

二、无线传感器网络与汇聚节点连接，汇聚节点与数据管理与分析平台连接；

三、数据管理与分析平台采用虚拟仪器平台，根据机械故障诊断标准，确定故障诊断方法，并建立特征库，通过Labview编程对无线传感器网络传输的数据进行有效的数据处理，得到辨识机械设备故障的特征参数，通过查询特征库，得到机械设备的运行状态；

通过上述步骤实现对机群的状态监测。

8.根据权利要求7所述的一种基于WSN的机群状态监测方法，其特征在于：所述的无线传感器节点之间采用沿节点逐跳的方式传输数据。

9.根据权利要求7所述的一种基于WSN的机群状态监测方法，其特征在于：所述的数据管理与分析平台的处理步骤如下：

一、原始数据采集；

二、数据分析处理；

三、根据特征库或阀值进行状态判断；

四、当符合故障标准，则报警提示，并反馈至无线传感器节点；

五、当不符合故障标准则进入数据存储，以供查询。

10.根据权利要求7所述的一种基于WSN的机群状态监测方法，其特征在于：所述无线传感器节点的监测参数包括设备的机油温度、冷却水温度、变矩器油温、液压油油温、位移、速度、加速度、噪声、机油压力、液压传动油油压、发动机转速和/或燃油量。

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