CN104637273A - 机床物联网无线振动采集节点及其数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控机床领域的物联网无线振动采集节点的设计。本发明通过硬件和软件两个方面实现了无线节点的低功耗设计，同时对振动数据的透明传输增加了采集信息的时效性。在通信协议的设计上，设计了无线数据包以及命令包两种信息格式：其中长度可变的无线数据包用来兼容其它不同长度的传感器类型；无线命令包可以控制采集节点的开关以及修改各种参数。经过现场验证，本发明实现了机床物联网无线振动节点对物理信息的实时采集，延长了无线节点电池的使用寿命，解决了数控平台对于机床振动信息的无线采集和监测问题。

Description

机床物联网无线振动采集节点及其数据采集方法

技术领域

本发明涉及数控机床领域的物联网无线振动采集节点的设计，具体地说是一种实现了机床物联网无线振动节点对物理信息的实时采集的无线节点及其数据采集方法。

背景技术

数控机床在运行过程中发生的机械故障，如元件的剥落、摩擦、松动、爬行、冲击、裂纹、断裂等，都将导致振动信息量突然性的增长。我们需要及时捕捉振动信息的跳变来监测机床的工作状态，在发生机械故障的第一时间获得得故障信息，从而停止当前的数控加工过程来避免更大的经济损失。数控机床系统中传统使用的振动传感器使用有线连接的方式，将各种传感器通过有线的方式与协处理器（汇聚节点）连接起来。这样连接虽然使得硬件的设计变得简单，但是在搭建传感器网络的过程中，缠绕机床床身的线缆会使机床的美观性下降，同时也增加了布线的难度。在实际数控加工过程中，机床的振动以及机械轴的旋转都可能使得振动传感器和汇聚节点之间的通信线缆脱落甚至是折断，使得监测系统的可靠性和实用性大大降低，所以在平常见到的机床中几乎很少用有线振动传感器进行机床物理量。随着无线网络技术的发展，无线传感器网络的出现解决了有线网络中的诸多问题，特别是在工业检测领域。机床的振动物理信息可以通过描述振动可以用位移、速度或加速度等信号，位移和速度物理量实时性差，不易获取，加速度信号实时性强，技术成熟，产品种类较多。其中，ADI公司生产的三轴数字加速度计ADXL345具有小而薄，功耗低，分辨率高(能够测量小于1度的倾角)，适用于移动设备等特点。因此，发明一种基于ADXL345加速度芯片的无线节点的采集程序及其硬件并使其应用于数控机床加工系统变得更加重要。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种机床物联网无线振动采集节点及其数据采集方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：机床物联网无线振动采集节点及其数据采集方法，

（定稿后拷贝权利要求）

本发明具有以下优点及有益效果：

1.实现了机床物联网对于无线振动采集节点实时采集的需求，对原始振动数据不做任何处理，只做透明传输，将振动数据解析和处理交给了直流电源供电且处理速率很高的汇聚节点，增加了采集的时效性和电池的使用寿命。无线振动采集节点的出现解决了传统振动传感器使用有线连接方式与机床系统通信带来的一系列问题。

2.实现了无线振动采集节点的硬件设计，在硬件器材的选择上使用低功耗的微控制器，无线收发芯片以及加速度采集芯片。在每个定时采集的间隔，采集节点的所有模块都被设定为低功耗休眠状态，通过软件和硬件两个方面实现了无线节点的低功耗设计，一个振动节点可以使用3-5年。同时节点上电源检测芯片的使用也可以预警操作人员提前更换电池电量不足的无线节点，避免因为节点突然掉电带来的损失。

3.通过无线射频芯片变长收发功能设置，使得振动采集节点所处的机床物联网罗也可以兼容其他不同长度的物理量（如温度）。其他传感器可以根据自己的物理量类型规定数据包格式和长度而无需改变振动采集节点的数据包格式和长度，解决了定长数据包的信息冗余问题的同时方便物联网系统的扩展与升级。

附图说明

图1为振动采集节点硬件结构图；

图2为无线数据包以及命令包格式图；

图3为主程序流程图；

图4为接收中断处理子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明首先应该设计采集节点的硬件电路并定义其与汇聚节点通信的数据包和命令包格式。然后对三轴振动传感器ADXL345和无线射频收发器CC1101进行初始化配置，随即无线节点的微控制器MSP430每隔一段时间循环采集振动信息并向汇聚节点发送无线数据包，当无线节点每次成功发送振动信息后变转入睡眠状态以节省功耗。当CC1101收到来自汇聚节点的无线命令包时，采集节点被唤醒同时进入接收中断处理子程序。

图1为采集节点硬件结构实施例图。采集节点的硬件电路由低功耗微控制器，电池电量监测芯片，低功耗三轴振动传感器，433MHz低功耗无线射频收发器组成。其中低功耗微控制器使用TI公司的超低功耗16位微控制器MSP430F2011，并通过I2C总线接口和三轴振动传感器ADXL345相连接；本发明采用XC61CC2802作为电池电量监测芯片从而监测电池剩余电量，当电池电量小于等于预警值（2.5V）时，芯片会将通过输出电平引脚拉低告知微控制器需要更换电池；无线射频收发器使用TI公司的超低功耗无线射频收发器CC1101，它通过SPI串行总线和微控制器相连；振动节点需要固定在机床床身或者丝杠上，因为位置条件限制，故采用3.6V的锂电池供电。

首先应该按照图1所示的硬件结构制作无线节点的电路板，并将电子元器件和3.6V锂电池焊接在电路板上，然后将无线振动采集节点固定在需要测量振动的机床床身或者丝杠上。然后通通过串口收发软件，便可以看到无线振动采集节点发送给汇聚节点的节点ID号，三轴振动量等信息，同时上位机可以通过汇聚节点向采集节点发送命令和参数。

图2为无线数据以及命令包。采集节点无线数据包总共9个字节，第一个字节是数据包的总长度（0x09)，第二个字节是数据包到达的汇聚节点的地址，第三个字节是三轴振动传感器的ID号，第四个字节到第九个字节为三轴加速度值（X,Y,Z轴各两字节）。根据机床物联网汇聚节点远程控制传感器的需要，本专利设计了采集节点无线命令包的格式。采集节点命令包总共4个字节，第一个字节是命令包的总长度（0x04)，第二个字节是命令包到达的采集节点的ID号（0x00为广播地址），第三个字节是命令类型，第四个字节是命令参数。

图3为采集节点主程序设计。初始化振动采集节点主要包括初始化无线射频收发器CC1101和初始化三轴振动传感器ADXL345。在配置CC1101寄存器时，本设计利用模拟SPI协议时序的方式与CC1101模块向寄存器写入数据和读取数据，为了兼容其他不同类型的传感器，这里我们将CC1101发送数据包的模式设置为变长收发，同时采用地址过滤功能来进行星形网络的组网。在配置ADXL345寄存器时，微控制器采用模拟I2C协议时序的方式与ADXL345模块通信。在这里我们初始化ADXL345的工作模式配置为测量范围正负16g，测量数据为13位长度模式，数据传输速率为12.5Hz即每两秒钟发送25位数据，随后设置电源模式寄存器使能ADXL345的测量模式。

初始化之后，微控制器打开看门狗定时器，将CC1101转入低功耗接收状态（SWOR)，同时使能ADXL345的低功耗模式以节省电量，然后转入睡眠状态。当定时器中断唤醒控制器之后，MSP430开启ADXL345的测量模式并通过I2C时序依次读出六字节X、Y、Z三轴传感器数据（地址0x32-0x37）。随后这6个数据连同采集节点的ID按照上述设计无线数据包封装并发送给汇聚节点。当微控制器监测到无线数据包被成功发出后，将ADXL345的休眠位置1同时自己也进入省电模式。

图4为接收中断处理子程序设计。当振动采集节点收到来自汇聚节点的无线命令包后，无线射频收发器CC1101会产生一个外部中断。这个中断会将微控制器从睡眠模式中唤醒，同时进入接收中断处理子程序。在接收中断处理子程序中，微控制器会对收到的命令包进行CRC校验。如果校验结果不正确则丢弃，否则进入命令包解析过程。子程序会首先解析命令类型字节（第三字节），如果命令字节是开启或者关闭则忽略命令参数字节并开启或关闭ADXL345的测量模式；如果命令字节是修改振动芯片的某些参数（如阈值、采集频率等）则需要将命令参数字节（第四字节）赋值到ADXL345相应的寄存器。最后在退出中断程序之前需要将无线射频收发器重新设置为低功耗接收状态以降低功耗。

Claims (9)

1.一种机床物联网无线振动采集节点，其特征在于，包括

无线射频收发器，用于发射振动信号以及接收上位机命令；

三轴振动传感器，固定在机床床身或丝杠上，由电池供电，用于采集机床运行过程中的三轴振动信号；

电池电量监测模块，用于监测电池的剩余电量，当电池电量小于或等于预警值时，通过输出引脚的电平变化产生报警信号；

微控制器，连接所述无线射频收发器、三轴振动模块和电池电量监测模块，用于驱动采集节点的运行，控制所述无线射频收发器、三轴振动传感器及自身的功耗状态。

2.根据权利要求1所述的机床物联网无线振动采集节点，其特征在于，所述无线射频收发器采用TI公司的超低功耗无线收发芯片CC1101，并通过SPI串行总线与所述微控制器连接。

3.根据权利要求1所述的机床物联网无线振动采集节点，其特征在于，所述三轴振动传感器采用ADXL345。

4.根据权利要求1所述的机床物联网无线振动采集节点，其特征在于，所述电池电量监测模块采用XC61CC2802。

5.根据权利要求1所述的机床物联网无线振动采集节点，其特征在于，所述微控制器采用TI公司的超低功耗16位微控制器MSP430F2011，并通过I2C总线接口与所述三轴振动传感器连接。

6.一种根据权利要求1所述机床物联网无线振动采集节点的数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

对三轴振动传感器和无线射频收发器进行初始化配置；

转入睡眠状态：将无线射频收发器转入低功耗接收状态，同时使能三轴振动传感器的低功耗模式；

当定时器中断唤醒微控制器后，微控制器开启三轴振动传感器的测量模式并通过I2C时序依次读出三轴传感器数据；所述三轴传感器数据连同采集节点的ID封装并发送给汇聚节点；当微控制器监测到无线数据包被成功发出后，使三轴振动传感器与微控制器进入休眠状态；

当采集节点收到来自汇聚节点的无线命令包后，无线射频收发器产生一个外部中断，将微控制器从睡眠模式中唤醒，同时进入接收中断处理。

7.根据权利要求6所述的机床物联网无线振动采集节点的数据采集方法，其特征在于，所述无线数据包总共9个字节，第一个字节是数据包的总长度0x09，第二个字节是数据包到达的汇聚节点的地址，第三个字节是三轴振动传感器的ID号，第四个字节到第九个字节为三轴加速度值，每轴各两字节。

8.根据权利要求6所述的机床物联网无线振动采集节点的数据采集方法，其特征在于，所述无线命令包总共4个字节，第一个字节是命令包的总长度0x04，第二个字节是命令包到达的采集节点的ID号，第三个字节是命令类型，第四个字节是命令参数。

9.根据权利要求6所述的机床物联网无线振动采集节点的数据采集方法，其特征在于，所述接收中断处理包括以下步骤：

微控制器对收到的命令包进行CRC校验；

如果校验结果不正确则丢弃，否则进入命令包解析过程；

所述命令包解析过程为：首先解析命令类型字节，如果命令字节是开启或者关闭则忽略命令参数字节并开启或关闭三轴振动传感器的测量模式；如果命令字节是修改振动芯片的参数则需要将命令参数字节赋值到三轴振动传感器相应的寄存器；

将无线射频收发器重新设置为低功耗接收状态。