CN103321933A - 基于ARM和ZigBee的风机状态在线监测系统及方法 - Google Patents

基于ARM和ZigBee的风机状态在线监测系统及方法 Download PDF

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付胜
王宜祥
徐斌
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Abstract

本发明是一种基于ARM和ZigBee的风机状态在线监测系统和方法，通过采集风机的温度、振动、负压与电力参数来实现对风机运行状态的在线监测。由ZigBee传感器网络负责数据的采集与传输，嵌入式ARM平台负责数据的显示与处理。传感器网络的终端设备分为温度采集模块、变送器信号采集模块与通讯模块。各模块采集的状态数据直接或经路由器发送至ZigBee协调器中，协调器将数据发送至嵌入式ARM平台。嵌入式ARM平台上编写的监测软件读入测量数据，通过LCD触摸屏显示风机运行状态数据，通过SD卡存储状态数据与异常报警数据，通过音频模块对超过阈值的运行状态进行报警。ZigBee传感器网络采用协议栈为TI的Z-Stack。

Description

基于ARM和ZigBee的风机状态在线监测系统及方法
技术领域
本发明涉及风机运行状态在线监测的新方法，具体涉及ARM嵌入式系统与ZigBee无线传感器网络技术，属于设备监测领域。
背景技术
风机在工业领域广泛应用，它负责提供新鲜空气，同时排出有害气体和粉尘等，对风机运行状态的监测极为重要。现有的风机监测方式相对落后，常用的方式是使用智能仪表测量相关数据，人工定时巡查记录。这种方式缺点是监测点分散，实时性差，监测数据无法直接用于风机故障诊断与预警，同时还要耗费大量人力。另一种方式通过PLC或数据采集卡获取所有监测数据，然后通过以太网或串口将数据发送至上位机。上位机编写的监测软件实现对各监测点数据的集中显示、报警与数据存储等。这种方式的缺点是设备成本较高，需要大量布线，安装复杂，维护困难，系统整体稳定性与可靠性有待提高。
发明内容
为了克服目前风机状态监测系统可靠性低、安装复杂的不足，本发明设计了一种基于ARM嵌入式系统与ZigBee无线传感器网络的风机运行状态在线监测新方法。新方法采用无线传感器网络，避免了大量的布线与复杂的接线，使得安装与维护更为方便；同时嵌入式系统的引入提高了监测系统的专一性、可靠性，成本也大幅降低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
对于底层数据采集部分，采用ZigBee无线传感器网络，由于不同风机的土建结构以及环境差异很大，故要求其网络拓扑结构动态变化；同时不同风机的结构存在差异，而且使用的一些配套设备也不一样，需要进行监测的参数总量也会随之出现变化。这就要求系统应具有良好的可扩展性，能够方便地添加或减少终端测量设备。风机运行状态在线监测需要采集的数据为电机轴承及定子温度、电机的工作电压与电流、风机的轴承温度、风机的振动烈度以及风机叶轮两侧的压力。
进一步的，无线传感器网络由传感器节点、路由器节点与协调器节点三部分组成。对于ZigBee传感器节点，由ZigBee射频模块与传感器组成，采用锂电池供电。ZigBee射频模块将传感器采集的数据进行AD转化后，经ZigBee无线网络发送到协调器节点。对于ZigBee路由器节点，负责传感器节点数据中继，扩大ZigBee无线网络的覆盖范围。对于ZigBee协调器节点，其负责ZigBee网络的建立，终端节点的管理，同时接收来自各传感器节点的数据，等待上层ARM平台的接收。
对于上层数据显示部分，采用嵌入式ARM平台。ARM芯片内部使用嵌入式Linux操作系统，使用QT编写上位机监测软件，实现串口数据的读取、存储，监测数据、实时曲线的显示，预警限值的设定，报警功能。嵌入式ARM平台外围有：JTAG接口、RS232接口、RS485接口、USB接口、以太网接口、SD卡存储与LCD触摸屏。
进一步的，通过PC机将编译好的u-boot、Linux内核、yaffs2根文件系统与使用QT编写的风机运行状态在线监测系统软件，经JTAG接口烧写到Nand Flash中去；上电运行，监测软件通过串口驱动读取ZigBee协调器节点中的数据，并在软件监测画面中实时显示；在监测软件中设定温度、振动、负压与电流、电压的报警阈值，当采集到的监测数据超过此阈值时，系统会通过外接的音箱进行报警；同时监测软件会定时对风机运行状态及异常报警进行记录，并生成.txt文件，自动备份到SD卡中，以备查阅。
本发明从根本上解决了现有风机监测系统的缺陷，采用的ZigBee无线传感器网络，是一种以数据为中心的自组织无线网络，网络容量大，可以部署在十分广泛的区域。无线传感器网络拓扑结构动态变化，具有良好的灵活性，安装方便，无需大量布线和复杂接线，成本低、体积小、安全可靠；采用的嵌入式ARM平台，体积小、专一性强、可靠性高，摆脱了传统方式工控机专一性差导致的系统稳定性差的问题。同时嵌入式ARM平台外部设计了大量接口，除了使用LCD触摸屏显示外，也可通过VGA转接板实现液晶屏显示；外围RS485接口可挂接GPRS模块，实现数据远传；以太网接口可用于网络拓展。
附图说明
图1为本发明的风机监测系统结构示意图；
图2为嵌入式ARM平台结构示意图
图3为ZigBee协调器节点结构示意图；
图中：1、嵌入式ARM平台，2、协调器节点，3、传感器节点，4、温度传感器，5、振动变送器，6、智能仪表。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细描述：
如图1所示，本发明的风机运行状态在线监测系统有以下两大部分组成：嵌入式ARM平台，ZigBee无线传感器网络。终端数据采集模块分为温度采集模块、变送器信号采集模块与通讯模块。协调器节点通过无线方式接收各个传感器节点的数据，并将数据及时传送到嵌入式ARM平台；嵌入式ARM平台上编写的监测软件接收数据并实时显示、报警和数据存储。用户通过键盘、鼠标对监测软件进行操作，查看趋势图、历史数据、设定报警阈值等。
如图2所示，为了开发方便，本发明可选择成品的ARM核心板作为ARM模块。外围模块包括用于监测画面显示的LCD；用于与ZigBee协调器进行数据传输的串口模块；方便网络扩展的以太网口模块；用于数据存储的SD卡模块；用于连接鼠标、键盘的USB接口模块；用于报警的音频模块。
如图3所示，对于ZigBee协调器节点，直接采用ZigBee射频模块，其芯片可选CC2530。ZigBee协调器外围要有：用于与ARM平台相连的串口模块，用于程序下载、调试的JTAG接口模块，用于程序运行指示的LED模块与按键模块。
对于温度采集模块，为了提高精度可选用高分辨率AD转换芯片进行温度测量，每个温度采集模块设计为可采集多路温度值；对于电力参数的测量，本发明可选用多功能电力仪表，智能电表能够测量所有常用的电力参数，并带有通讯接口；对于变送器信号采集模块，由于所采集数据量大、功耗高，所以每个模块设计的测量通道相对温度采集模块少，传感器选择为差压变送器与振动变送器。
本发明的嵌入式ARM平台采用的操作系统为嵌入式Linux，包括Linux内核、U-boot、yaffs2根文件系统。ZigBee传感器网络采用协议栈为TI的Z-Stack。Zigbee协议栈代码由TI公司按照层与功能分别放入的不同的文件夹中，从物理层到网络层的代码都是不需要改动的，本发明根据数据采集模块功能的不同编写了APP层任务与相应事件处理函数。

Claims (7)

1.一种基于ARM和ZigBee的风机状态在线监测系统，其特征在于：包括ZigBee无线传感器网络与嵌入式ARM平台两大部分，ZigBee无线传感器网络用于底层数据采集与传输；嵌入式ARM平台负责数据的显示与处理；所述ZigBee无线传感器网络由传感器节点、路由器节点与协调器节点三部分组成，其终端设备包括温度采集模块、变送器信号采集模块与通讯模块；所述嵌入式ARM平台采用ARM芯片，使用嵌入式Linux操作系统，使用QT编写上位机监测软件，外围设有负责监控画面显示的LCD触摸屏、负责运行状态数据保存的SD卡、负责人机交互的鼠标键盘、负责数据传输的串口与网口、负责异常状态量报警的音频模块。
2.根据权利要求1所述的风机状态在线监测系统，其特征在于：所述温度采集模块与温度传感器相连，负责温度数据传输；变送器信号采集模块与压力变送器、振动变送器相连，负责风压、振动数据传输；通讯模块与智能仪表相连，负责电力参数数据传输。
3.根据权利要求1所述的风机状态在线监测系统，其特征在于：所述传感器节点，由ZigBee射频模块与传感器组成，采用锂电池供电，ZigBee射频模块将传感器采集的数据进行AD转化后，经ZigBee无线传感器网络发送到协调器节点，所述路由器节点，负责传感器节点数据中继，扩大ZigBee无线传感器网络的覆盖范围，所述协调器节点，负责ZigBee网络的建立，终端节点的管理，同时接收自各传感器节点的数据，将数据上传至嵌入式ARM平台，等待上层ARM平台的接收。
4.根据权利要求1所述的风机状态在线监测系统，其特征在于：所述嵌入式ARM平台外围有：JTAG接口、RS232接口、RS485接口、USB接口、以太网接口、SD卡存储与LCD触摸屏，实现串口数据的读取、存储，监测数据、实时曲线的显示，预警限值的设定，报警功能。
5.根据权利要求1所述的风机状态在线监测系统，其特征在于：所述监测软件通过串口驱动读取协调器节点中的数据，并在软件监测画面中实时显示；监测软件中设定有温度、振动、负压与电流、电压的报警阈值，当采集到的监测数据超过此阈值时，系统会通过外接的音箱进行报警；同时监测软件会定时对风机运行状态及异常报警值进行记录，并生成.txt文件，自动备份到SD卡中，以备查阅。
6.根据权利要求1所述的风机状态在线监测系统，其特征在于：所述ZigBee无线传感器网络采用协议栈为TI的Z-Stack。
7.一种基于ARM和ZigBee的具有动态网络拓扑结构的风机状态在线监测方法，其特征在于：采用如前述权利要求1-6任一项所述的在线监测系统，温度采集模块负责采集电机轴承及定子温度、风机轴承温度，每个温度采集模块可采集多路温度值；变送器信号采集模块负责采集风机的振动烈度以及风机叶轮两侧的压力，每个变送器信号采集模块可采多路变送器测量值；通讯模块与开关柜上的智能仪表相连，负责采集电机的工作电压与电流；ZigBee终端设备将采集数据直接或通过路由器发送至ZigBee协调器中，ZigBee协调器负责ZigBee无线传感器网络的建立与终端节点管理；嵌入式ARM平台上编写的监测软件从协调器中读入测量数据，通过LCD触摸屏显示风机运行状态数据，通过SD卡存储状态数据与异常报警数据，通过音频模块对超过阈值的运行状态进行报警。
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