CN102982671A - 一种机械振动监测专用无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，它包括有加速传感器、处理器Ⅰ、处理器Ⅱ、采集模块、电源模块和存储模块，加速传感器的数据输出端与采集模块相连，采集模块对数据处理后将数据发送至处理器Ⅰ，处理器Ⅰ将数据存储在存储模块中，并对数据进行处理，处理器Ⅰ与处理器Ⅱ进行数据交互，处理器Ⅱ负责无线通讯协议的运行，完成节点自组网、时间同步和数据收发任务，电源模块为处理器Ⅰ、处理器Ⅱ和存储模块供电。它为无线传感器网络技术应用于机械振动监测提供了基础的硬件平台。

Description

一种机械振动监测专用无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，特别是一种机械振动监测的无线传感器网络节点。

背景技术

机械装备特别是大型关键装备的可靠性、可用性、安全性和可维护性关系到企业的生产效率和人民的生命财产安全。为了能够预防机械设备故障，越来越多的工业企业采用机械振动监测系统对关键设备进行监测，国内外已先后推出过多种机械振动监测系统，在一定的程度上保证了关键机械设备的安全和稳定运行。现有成熟的机械振动监测系统大多数采用有线方式连接传感器、信号调理设备和数据采集设备，这种数据获取方式存在连线较多、布线复杂、电缆易于损毁、成本高、可维护性差、缺少灵活性等缺点，对于大量移动和旋转的设备或部件，有线连接方式更难以有效完成监测任务。

采用新兴的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)监测模式来构建无线、分布式机械振动监测系统可以弥补传统有线监测系统的不足。无线传感器网络具有易于部署、扩展灵活和易于维护等特点，利用无线传感器网络节点可以将机械振动信号测点联网，使机械装备和监测系统结合成为一个整体，构成智能装备物联网系统。

经出现的一些无线振动监测传感器网络，主要是针对桥梁、高楼等一些大型的建筑结构的低频振动进行监测，对于机械振动监测专用无线传感器网络及其节点的研究还较少有成果报道。已出现的一些机械振动无线传感器网络应用中，大多直接采用现有的通用无线传感器节点或对其进行模仿，而这些通用节点不是专门针对机械振动监测而开发，因而存在着以下亟待解决的问题：

1、现有的大多数无线传感器网络应用及其节点大多数对同步精度要求不高甚至不要求多节点同步采集，而机械振动数据采集往往需要多个测点同步进行数据采集，要求节点具有高精度低功耗的时间同步协议和同步采集方法。

2、现有节点大多数针对少量数据的采集与传输，而机械振动监测无线传感器网络往往需要将较大的原始数据块向上级网络传输，传输过程中哪怕丢失一个片段都可能对分析结果产生较大影响，因此必须解决大量数据在低功耗无线网络中可靠传输的问题。

3、现有的无线传感器网络节点大多数没有配备振动信号传感器或配备的传感器频带较窄（≤200Hz），只能满足桥梁、建筑物等低频结构振动信号的拾取，不能用于频率相对较高的机械振动信号拾取。

4、现有的节点绝大多数数据存储空间较小、数据存取速度较慢。高速高精度数据采集必然在短时间内产生大量的数据，在连续数据采集过程中，存储空间较小容易造成存储溢出而丢失数据，存储系统写入速度过慢容易造成数据无法及时缓存而丢失。

发明内容

本发明的目的就是提供一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，它为无线传感器网络技术应用于机械振动监测提供了基础的硬件平台。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有加速传感器、处理器Ⅰ、处理器Ⅱ、采集模块、电源模块和存储模块，加速传感器的数据输出端与采集模块相连，采集模块对数据处理后将数据发送至处理器Ⅰ，处理器Ⅰ将数据存储在存储模块中，并对数据进行处理，处理器Ⅰ与处理器Ⅱ进行数据交互，处理器Ⅱ负责无线通讯协议的运行，完成节点自组网、时间同步和数据收发任务，电源模块为处理器Ⅰ、处理器Ⅱ和存储模块供电。

进一步，处理器Ⅰ采用ARM Cortex-M3内核微处理器STM32f103，处理器Ⅰ和处理器Ⅱ板对板连接器插接，进行串口通信。

进一步，所述采集模块包括有程控放大器、抗混叠滤波器和16位AD转换器，加速传感器采集到的数据依次通过程控放大器、抗混叠滤波器和16位AD转换器处理后通过SPI接口发送至处理器Ⅰ。

进一步，所述存储模块包括有Micro SD卡和小容量Flash单元。

进一步，处理器Ⅰ通过高速SDIO接口访问Micro SD卡，通过SPI接口访问小容量Flash单元。

进一步，所述处理器Ⅱ采用CC2430低功耗射频收发芯片，在芯片上集成有微处理器8051。

进一步，所述加速传感器采用ADI公司的高性能低功耗MEMS测振加速度传感器ADXL001-70g。

进一步，所述电源模块包括有充电电路、锂电池和电源管理单元，通过充电电路为锂电池充电，锂电池通过电源管理单元输出电源，电源管理单元的供电模式分为休眠模式和工作模式。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、本发明采用低功耗的处理器Ⅰ、处理器Ⅱ和加速传感器，支持多节点同步采集，处理器Ⅱ提供了高精度低功耗的时间同步协议和同步采集方法；电源模块分为两种工作模式，在没有工作任务时，处理休眠模式，有效降低消耗，提高使用时间。

2、处理器Ⅱ采用CC2430低功耗射频收发芯片，在芯片上集成有微处理器8051，处理器Ⅱ独立负责无线传输，能够满足机械振动监测无线传感器网络需要将较大的原始数据块向上级网络传输的要求，解决了大量数据在低功耗无线网络中可靠传输的问题；

3、ADI公司的高性能低功耗MEMS测振加速度传感器ADXL001-70g可以用于频率相对较高的机械振动信号拾取；

4、本发明独立配备有存储模块，通过SDIO高速接口完成与处理器Ⅰ的数据交互，保证了数据存储的效率和可靠性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的硬件结构示意图；

图2为处理器Ⅰ和处理器Ⅱ的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的结构示意图如图1所示，硬件由加速传感器、处理器Ⅰ、处理器Ⅱ、采集模块、电源模块和存储模块组成。软件部份为嵌入式实时操作系统。节点采用双处理器架构，处理器Ⅰ负责数据采集、存储和处理，处理器Ⅱ负责无线通讯协议的运行，完成节点自组网、时间同步、数据收发等任务。处理器Ⅰ和处理器Ⅱ之间通过板对板连接器插接，两个控制核心各司其职又分工协作，增强了节点的整体性能又能减小软硬件模块间的耦合性，方便硬件模块的互换与升级。加速传感器选用新型MEMS加速度传感器来拾取振动加速度信号，无需复杂信号调理电路并可以有效减小节点的体积和功耗。采集模块由独立的16bit低功耗A/D转换器搭配低功耗轨对轨程控放大器组成，以满足机械振动数据的精确采集要求。存储系统则以2GB容量的Micro SD存储卡为介质，通过处理器Ⅰ的高速SDIO接口进行访问，可以满足机械振动监测中大量数据高速实时存取的要求。处理器Ⅱ为无线通信模块，采用CC2430低功耗射频收发芯片，它工作于免费的2.4GHz频段并支持低功耗低复杂度的IEEE802.15.4协议，片上集成有增强型微处理器8051，可以运行网络通讯协议实现灵活的自组织网络。电源模块则采用动态能耗管理、高效率DC-DC电路和充电电路配上大容量可充锂电池。

处理器Ⅰ采用ARM Cortex-M3内核的微处理器STM32f103，负责振动信号的采集存储和片上处理，并与处理器Ⅱ进行串口通讯。STM32f103单片机具有功能丰富的外围接口，本发明应用了两个SPI接口分别用来控制程控放大器和A/D采集芯片，一个SDIO接口用来访问Micro SD卡来实现数据的高速存取，两个串口模块分别用来调试和与无线模块的通讯，以及多个IO接口来协调完成节点的功能。

本发明的存储系统以Micro SD为主要介质，采用处理器的SDIO接口以4bit DMA的方式高速读写，较传统单片机采用SPI接口访问SD卡速度要快上许多。在设计中采用了PMOS管对SD卡的电源实行了动态管理，在节点休眠或者长时间无数据读取时断开SD卡的电源，以减少能耗，也可以在SD卡出错时重新将其上电初始化而不需人工插拔SD卡。为了方便SD卡的文件管理，节点上移植了兼容FAT32的Fatfs嵌入式文件系统，方便了数据的读写操作和文件的管理。

加速传感器与采集模块则主要完成振动信号拾取功能。加速传感器采用了ADI公司的高性能低功耗MEMS测振加速度传感器ADXL001-70g，具有±70g的测振范围，并具有22kHz的带宽，适合于机械振动传感器网络工业应用领域。节点选择了低功耗轨对轨程控放大器PGA113对传感器的输出信号进行调理，它具有1、2、5、10、20、50等可选放大增益，通过3线半双工SPI接口进行控制，将信号调理至合适的A/D采集范围。采集模块则采用16bit高分辨率的独立A/D转换器ADS8344，其具有最大100KHz的采样频率，受限于传感器带宽、SD卡的存储速率和处理器性能，节点设计的最高采样频率为20KHz，采用SPI接口与处理器进行数据交换。节点采用了低功耗带隙电压参考源LM385-2.5为A/D转换器提供参考电压，对该模块同样采用了动态电压管理方案，当节点处于低功耗模式时则给该模块断电。

本发明的处理器Ⅱ采用支持IEEE802.15.4协议规范的低功耗无线射频通讯芯片CC2430，它集成了一个增强型8051微处理器内核和一个工作于2.4GHz频段的无线收发器。与一些采用单个微处理器外加无线收发器设计的节点相比，这种无线收发和处理一体化的无线通讯芯片可以独立运行通讯协议，将它作为一个相对独立自治的整体集成到节点上，形成双处理器架构，减轻了主处理器的负担，也增强了节点硬件模块搭配组合的灵活性。

本发明的电源模块则采用了开关稳压电路和线性稳压器件组合的混合供电方案，这种互补的设计保证了较高的电源转换效率及兼顾了敏感电路对电源质量的要求。数字电路部分工作电流较大但对噪声不敏感，采用开关稳压电源芯片供电，保证了电源的高效率；传感器和放大器等模拟电路要求电源纹波小，故采用低压差线性稳压器件为其供电，由于这部分电路工作电流小，所以能量损耗也较小。节点采用了集成保护电路板的锂聚合物电池，保护电路可以保护电芯免受过充、过放和短路造成损伤和爆炸等危险。板载USB接口通过TP4055锂电池充电芯片向电池充电，瞬态抑制二极管PSOT05用来吸收USB线上可能引入的静电冲击以保护板上芯片。锂电池通过开关型降压稳压芯片RT8008-33为数字电路提供3.3V的稳压电源，通过超低压差线性稳压器件HT7133为模拟电路部分提供3.3V的低噪声稳压电源。

本发明采用经过裁剪定制的小型嵌入式实时操作系统μC/OS-II来协调管理节点的各种任务，并为节点开发了大量外设硬件打交道的底层驱动程序，包括AD转换器、定时器、串口通信、SD卡读写和无线通信。同时，在节点实时操作系统定制了如命令交互与解析、时间同步、数据采集存储、数据实时处理和网络通信管理等应用程序。本发明具有两个处理器核心：负责数据采集、处理和存储等任务的处理器Ⅰ和负责无线通讯任务的处理器Ⅱ。处理器Ⅰ和处理器Ⅱ各司其职又分工协作，通过串口来交换命令和数据，节点的软件总体架构如图2所示，各软件模块采用松散耦合的原则设计以方便各功能模块的维护和升级。

本发明具体工作流程如下：

1）首先通过开关给系统上电，初始化处理器Ⅰ和处理器Ⅱ，初始化完成后进入主任务，等待网络模块完成节点的组网。当所有节点组网灯熄灭后表示节点组网成功，形成自组织网络，准备接受网络模块传来的任务指令，如果一段时间内没接收到任何任务指令，则节点进入睡眠模式以降低节点的能耗。

2) 上位机通过处理器Ⅱ向节点发送采集指令，节点收到采集命令后，处理器Ⅰ配置程控放大器和AD转换器，然后开始对机械振动信号的采集和转换。此时从传感器输出的模拟信号经过程控放大和抗混叠低通滤波器后，输入到节点的AD转换器完成模数转换。

3）节点采用双缓存技术将AD转换器采集的原始数据直接保存到Micro SD卡，等待整个采集任务的完成。

4）处理器Ⅰ从SD卡中读取采集到的原始振动信号进行片上处理，将处理后的数据重新存储到SD卡中，并通过串口传输给无线模块。处理器Ⅱ将数据通过无线网络发送到网关节点，网关节点最后将数据上传至上位机。

5）上位机可以对节点进行功能选择，如果没有采集或者其他任务则发送休眠命令，令节点处于低功耗状态。上位机中可以对刚传输上来的机械振动数据进行分析，如果分析出机械设备发生了故障则发送完整数据传输命令，节点则将原始数据传输至上位机进行进一步的信号分析

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1. 一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：它包括有加速传感器、处理器Ⅰ、处理器Ⅱ、采集模块、电源模块和存储模块，加速传感器的数据输出端与采集模块相连，采集模块对数据处理后将数据发送至处理器Ⅰ，处理器Ⅰ将数据存储在存储模块中，并对数据进行处理，处理器Ⅰ与处理器Ⅱ进行数据交互，处理器Ⅱ负责无线通讯协议的运行，完成节点自组网、时间同步和数据收发任务，电源模块为处理器Ⅰ、处理器Ⅱ和存储模块供电。

2. 如权利要求1所述的一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：处理器Ⅰ采用ARM Cortex-M3内核微处理器STM32f103，处理器Ⅰ和处理器Ⅱ板对板连接器插接，进行串口通信。

3.如权利要求2所述的一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：所述采集模块包括有程控放大器、抗混叠滤波器和16位AD转换器，加速传感器采集到的数据依次通过程控放大器、抗混叠滤波器和16位AD转换器处理后通过SPI接口发送至处理器Ⅰ。

4. 如权利要求2所述的一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：所述存储模块包括有Micro SD卡和小容量Flash单元。

5. 如权利要求4所述的一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：处理器Ⅰ通过高速SDIO接口访问Micro SD卡，通过SPI接口访问小容量Flash单元。

6. 如权利要求1所述的一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：所述处理器Ⅱ采用CC2430低功耗射频收发芯片，在芯片上集成有微处理器8051。

7. 如权利要求1所述的一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：所述加速传感器采用ADI公司的高性能低功耗MEMS测振加速度传感器ADXL001-70g。

8. 如权利要求1所述的一种机械振动监测专用无线传感器网络节点，其特征在于：所述电源模块包括有充电电路、锂电池和电源管理单元，通过充电电路为锂电池充电，锂电池通过电源管理单元输出电源，电源管理单元的供电模式分为休眠模式和工作模式。

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