CN112291733A - 基于蓝牙与nbiot双无线技术的智能云振动监测系统及方法 - Google Patents

基于蓝牙与nbiot双无线技术的智能云振动监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测系统及方法。该系统处于NBIOT模式时，采集短波形振动数据并上传到服务器，短波形振动数据采集完成后，对短波形振动数据进行智能分析并判断设备故障情况，如果发现设备振动异常，则立刻上传报警状态并将触发采集长波形振动数据，同时将采集的长波形振动数据存储至外扩存储单元；该系统处于蓝牙模式时，临时对振动数据进行采集，同时将当前采集的振动数据以及所述外扩存储单元中存储的长波形振动数据一并上传到服务器，当前振动数据采集完成后，对当前振动数据进行智能分析并判断设备故障情况。本发明选择蓝牙5.0及NBIOT双无线技术进行结合，满足了宽频响、长数据传输的需要。

Description

基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测系统及方法
技术领域
本发明涉及振动监测技术领域，具体是涉及一种基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测系统及方法。
背景技术
目前，在工业领域中NBIOT的技术越来越受到认可，在振动监测领域中，国内几家企业已经开始了尝试，但是他们的振动感知单元，其频响均在1Khz以内，众所周知，旋转型机械设备，其故障频率在1Khz以上的占大部分，而10Khz频响范围的加速度传感器能覆盖旋转型机械设备95％以上的故障，所以使用1Khz频响范围加速度传感器的NBIOT智能云振动监测系统，只是代替了传统的振动变送器功能，难以实现设备故障精密分析和诊断的功能。而智能云监测器采用10KHz的加速度传感器，则应该选择高达50K的采样率才能满足这样的频率范围，这样对于NBIOT数据传输是个巨大的挑战，因为NBIOT数据传输具有低速率高延迟的缺陷，导致其不能进行大数量或长波形数据的传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测系统，该系统满足了宽频响、长波形数据传输的需要。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测系统，包括传感器主板以及电源：
所述传感器主板使用了嵌入处理器CotexM4与蓝牙SOC，所述传感器主板连接外扩存储单元的同时通过串口连接NBIOT模块；所述传感器主板通过12S接口连接用于采集设备三轴振动数据的高频MEMS和低频MEMS传感单元；所述传感器主板连接有蓝牙接口，所述NBIOT模块连接有NBIOT接口；
当系统处于NBIOT模式时：采集的短波形设备三轴振动数据通过所述NBIOT接口上传至服务器，采集的长波形设备三轴振动数据则存储至所述外扩存储单元；
当系统处于蓝牙模式时：采集的设备三轴振动数据通过所述蓝牙接口上传至服务器，同时所述外扩存储单元中的长波形设备三轴振动数据也通过所述蓝牙接口上传至服务器。
进一步方案：所述传感器主板通过12C接口连接用于检测设备表面温度数据的温度板，所述温度板使用数字式温度芯片。
进一步方案：所述设备三轴振动数据的振动波形采集长度小于32K的为短波形设备三轴振动数据，所述设备三轴振动数据的振动波形采集长度在32k以上的为长波形设备三轴振动数据；所述设备三轴振动数据包括时域波形、频谱、加速度总值以及速度总值。
一种基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测方法，包括以下步骤：
步骤1，监测系统启动：
判断系统是否为第一次上电，如果是，则进入蓝牙模式；如果否，则进入NBIOT模式；
步骤2，监测系统执行相应模式功能：
当系统处于NBIOT模式时，采集短波形设备三轴振动数据并上传到服务器，短波形设备三轴振动数据采集完成后，对短波形设备三轴振动数据进行智能分析并判断设备故障情况，如果发现设备振动异常，则立刻上传报警状态并将触发采集长波形设备三轴振动数据，同时将采集的长波形设备三轴振动数据存储至外扩存储单元；
当系统处于蓝牙模式时，临时对设备三轴振动数据进行采集，同时将当前采集的设备三轴振动数据以及所述外扩存储单元中存储的长波形设备三轴振动数据一并上传到服务器；当前设备三轴振动数据采集完成后，对当前设备三轴振动数据进行智能分析并判断设备故障情况；
步骤3，监测系统进入休眠。
进一步方案：所述NBIOT模式包括三种工作模式：指标采集、短波形采集以及NB上传；
所述指标采集模式工作过程如下：
(1)根据云端采集参数，将采集的设备三轴振动数据进行智能分析计算获得指标数据，计算结果即指标数据用来判断是否报警；
(2)如果报警，则将采集长波形设备三轴振动数据，并将采集的长波形设备三轴振动数据存储至外扩存储单元，用于精密诊断设备故障情况；如果正常，则系统直接进入休眠；
所述短波形采集模式工作过程如下：
(1)根据云端采集参数，将采集的短波形设备三轴振动数据进行存储后休眠；
所述NB上传模式工作过程如下：
(1)根据云端上传周期参数，将存储的指标数据、短波形设备三轴振动数据上传到服务器；
(2)判断上传失败次数，若上传失败次数小于3次则重复上传直至数据上传成功进入休眠；若上传失败次数大于或等于3次则直接休眠。
进一步方案：所述监测系统处于蓝牙模式的工作过程如下：
(1)广播蓝牙信标等待手机连接；
(2)判断上述连接是否超时，若是，则监测系统进入休眠；若否，则继续判断连接是否成功；
(3)若连接成功，则等待接收命令；若否，则返回广播蓝牙信标等待手机连接；
(4)判断命令类型，所述命令类型包括配置命令、趋势采集命令、临时采集命令、数据回收以及上传命令；
(5)判断蓝牙请求连接命令是否超时：若是，则监测系统进入休眠；若否，则返回等待接收命令。
进一步方案：所述指标采集模式工作过程中所根据的云端采集参数是指：波形采集长度、波形采集频率、波形采集周期、指标采集周期、数据上传周期；所述短波形采集模式工作过程中所根据云端采集参数是指：波形采集长度、波形采集频率、报警门限；所述NB上传模式工作过程中所依据的云端上传周期参数是指：指标采集周期、短波形设备三轴振动数据采集周期、NB上传周期。
进一步方案：所述配置命令用于：
(1)读取监测系统的出厂信息；
(2)设置监测系统的通讯参数；
所述趋势采集命令用于：
(1)定时采集电源电压、电流，实时判断电源状态；
(2)定时采集设备三轴振动数据，进行设备故障的初步分析；
(3)定时采集设备表面温度数据，判断设备表面温度是否正常；
所述临时采集命令用于：
(1)设置振动采集方向、波形分析频率、波形采样长度，进行振动波形采集；
(2)振动原始数据上传到手机APP后，自动绘制成时域波形以及频谱，随时对设备进行故障精密诊断；
(3)振动原始波形保存到手机，并通过手机4G上传到服务器，进行多测点关联分析；
所述数据回收以及上传命令用于：
(1)手机APP连接到监测系统，读取外扩存储单元内部长波形设备三轴振动数据进行回收，并上传到服务器。
本发明取得的技术效果为：
(1)本发明监测器选择蓝牙5.0及NBIOT双无线技术进行结合，满足了宽频响、长数据传输的需要，有效实现了设备故障精密分析和诊断的功能。因为NBIOT传输具有数据传输方便、可靠、功耗低的优点，蓝牙传输具有传输长波形数据的优点，当本发明监测器处于NBIOT模式时，由于采集的长波形设备三轴振动数据不适合进行NBIOT传输，因此将采集的相关数据存储在外扩存储单元内部，该数据可以在监测器切换至蓝牙模式后进行数据回收并上传到服务器，所以本发明选择蓝牙5.0及NBIOT两种无线技术，不仅仅在技术上可以互相弥补，同时在应用上更为简洁、易用。用户在进行长波形数据采集上传时，可以采用蓝牙5.0进行监测器的配置、读取、临时采集、NBIOT注册，数据回收等多种功能；在短波形数据采集上传时，则利用监测器监测设备故障，并将各种状态上传至服务器或是云端平台。
(2)本发明监测器中传感单元使用了高频MEMS和低频MEMS双结合的方式，实现了一个传感器进行三轴振动数据的检测，频响可达10Khz。所述的温度板使用了数字式温度芯片，可以实现对设备表面温度的监测。所述传感器主板使用了嵌入处理器CotexM4与蓝牙SOC，实现了振动数据、温度数据的获取并通过蓝牙或是NBIOT传输方式将数据发送至服务器。所述电源可以采用了一次性锂电池供电，可在防爆区域进行工作。
(3)本发明所述NBIOT模式流程的特点或是优点：数据传输方便、可靠、功耗低；可实现在云端部署进行设备在线监测。本发明所述蓝牙模式流程的特点或是优点：可采集传输长波形数据，满足精密诊断要求；数据实时性高。
(4)本发明所述蓝牙模式弥补了监测器处于NBIOT模式时的弊端，比如：在数据通过NBIOT传输失败时，可通过“数据回收以及上传命令”将数据回收到服务器上，避免数据丢失；还比如：在数据通过NBIOT传输的间隔比较长，在设备出现故障时，需要立刻采集一组数据进行分析的时候，可通过“临时采集命令”或“趋势采集命令”，立刻进行采样并分析。
附图说明
图1为本发明监测系统硬件框图。
图2为本发明监测方法流程框图。
图3为NBIOT模式工作流程框图。
图4为蓝牙模式工作流程框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本发明所述的基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测系统，如图1所示，包括传感器主板以及电源：
所述传感器主板使用了嵌入处理器CotexM4与蓝牙SOC，所述传感器主板连接外扩存储单元的同时通过串口连接NBIOT模块；所述传感器主板通过12S接口连接用于采集设备三轴振动数据的高频MEMS和低频MEMS传感单元；所述传感器主板连接有蓝牙接口，所述NBIOT模块连接有NBIOT接口；所述传感器主板通过12C接口连接用于检测设备表面温度数据的温度板，所述温度板使用数字式温度芯片。
当系统处于NBIOT模式时：采集的短波形设备三轴振动数据通过所述NBIOT接口上传至服务器，采集的长波形设备三轴振动数据则存储至所述外扩存储单元；
当系统处于蓝牙模式时：采集的设备三轴振动数据通过所述蓝牙接口上传至服务器，同时所述外扩存储单元中的长波形设备三轴振动数据也通过所述蓝牙接口上传至服务器。
所述设备三轴振动数据的振动波形采集长度小于32K的为短波形设备三轴振动数据(适用于转速较高的设备进行数据分析)，所述设备三轴振动数据的振动波形采集长度在32k以上的为长波形设备三轴振动数据(适用于转速较低的设备进行数据分析)；所述设备三轴振动数据包括时域波形、频谱、加速度总值以及速度总值。
本发明所述的基于所述智能云振动监测系统的监测方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1，监测系统启动(所述监测系统启动分为冷启动和休眠唤醒两种方式，系统第一次上电则为冷启动，系统非第一次上电则为休眠唤醒)：
判断系统是否为第一次上电，如果是，则进入蓝牙模式；如果否，则进入NBIOT模式；
步骤2，监测系统执行相应模式功能：
当系统处于NBIOT模式时，采集短波形设备三轴振动数据并上传到服务器，短波形设备三轴振动数据采集完成后，对短波形设备三轴振动数据进行智能分析并判断设备故障情况，如果发现设备振动异常，则立刻上传报警状态并将触发采集长波形设备三轴振动数据，同时将采集的长波形设备三轴振动数据存储至外扩存储单元；
当系统处于蓝牙模式时，临时对设备三轴振动数据进行采集，同时将当前采集的设备三轴振动数据以及所述外扩存储单元中存储的长波形设备三轴振动数据一并上传到服务器；当前设备三轴振动数据采集完成后，对当前设备三轴振动数据进行智能分析并判断设备故障情况；
步骤3，监测系统进入休眠。
上述利用三轴振动数据进行智能分析并判断设备故障情况的具体方法可以参照现有技术，比如FFT、总值、峭度等计算方法。
如图3所示，所述NBIOT模式包括三种工作模式：指标采集、短波形采集以及NB上传。这三种模式根据各自的时间参数，自动分配周期进行工作，比如：指标采集周期为1分钟，那么系统会每隔1分钟进行一次指标采集。
所述指标采集模式具体工作过程如下：
(1)根据云端采集参数如波形采集长度、波形采集频率、波形采集周期、指标采集周期、数据上传周期，将采集的设备三轴振动数据进行智能分析计算获得指标数据如高频加速度总值、低频加速度总值、速度总值，计算结果即指标数据用来判断是否报警；
(2)如果报警，则将采集长波形设备三轴振动数据，并将采集的长波形设备三轴振动数据存储至外扩存储单元，用于精密诊断设备故障情况；如果正常，则系统直接进入休眠；
所述短波形采集模式具体工作过程如下：
(1)根据云端采集参数如波形采集长度、波形采集频率、报警门限，将采集的短波形设备三轴振动数据进行存储后休眠；
所述NB上传模式具体工作过程如下：
(1)根据云端上传周期参数如指标采集周期、短波形设备三轴振动数据采集周期、NB上传周期，将存储的指标数据、短波形设备三轴振动数据上传到服务器；
(2)判断上传失败次数，若上传失败次数小于3次则重复上传直至数据上传成功进入休眠；若上传失败次数大于或等于3次则直接休眠。
如图4所示，所述监测系统处于蓝牙模式的工作过程如下：
(1)广播蓝牙信标等待手机连接；
(2)判断上述连接是否超时，若是，则监测系统进入休眠；若否，则继续判断连接是否成功；
(3)若连接成功，则等待接收命令；若否，则返回广播蓝牙信标等待手机连接；
(4)判断命令类型，所述命令类型包括配置命令、趋势采集命令、临时采集命令、数据回收以及上传命令；
(5)判断蓝牙请求连接命令是否超时：若是则监测系统进入休眠；若否则返回等待接收命令。
所述配置命令用于：
(1)读取监测系统的出厂信息；
(2)设置监测系统的通讯参数；
所述趋势采集命令用于：
(1)定时采集电源电压、电流，实时判断电源状态；
(2)定时采集设备三轴振动数据，进行设备故障的初步分析；
(3)定时采集设备表面温度数据，判断设备表面温度是否正常；
所述临时采集命令用于：
(1)设置振动采集方向、波形分析频率、波形采样长度，进行振动波形采集；
(2)振动原始数据上传到手机APP后，自动绘制成时域波形以及频谱，随时对设备进行故障精密诊断；
(3)振动原始波形保存到手机，并通过手机4G上传到服务器，进行多测点关联分析；
所述数据回收以及上传命令用于：
(1)手机APP连接到监测系统，读取外扩存储单元内部长波形设备三轴振动数据进行回收，并上传到服务器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (10)

1.一种基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测系统，其特征在于所述监测系统包括传感器主板以及电源；
所述传感器主板使用了嵌入处理器CotexM4与蓝牙SOC，所述传感器主板连接外扩存储单元的同时通过串口连接NBIOT模块；所述传感器主板通过12S接口连接用于采集设备三轴振动数据的高频MEMS和低频MEMS传感单元；所述传感器主板连接有蓝牙接口，所述NBIOT模块连接有NBIOT接口；
当系统处于NBIOT模式时：采集的短波形设备三轴振动数据通过所述NBIOT接口上传至服务器，采集的长波形设备三轴振动数据则存储至所述外扩存储单元；
当系统处于蓝牙模式时：采集的设备三轴振动数据通过所述蓝牙接口上传至服务器，同时所述外扩存储单元中的长波形设备三轴振动数据也通过所述蓝牙接口上传至服务器。
2.如权利要求1所述的智能云振动监测系统，其特征在于：所述传感器主板通过12C接口连接用于检测设备表面温度数据的温度板，所述温度板使用数字式温度芯片。
3.如权利要求1所述的智能云振动监测系统，其特征在于：所述设备三轴振动数据的振动波形采集长度小于32K的为短波形设备三轴振动数据，所述设备三轴振动数据的振动波形采集长度在32k以上的为长波形设备三轴振动数据；所述设备三轴振动数据包括时域波形、频谱、加速度总值以及速度总值。
4.一种基于蓝牙与NBIOT双无线技术的智能云振动监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，监测系统启动：
判断系统是否为第一次上电，如果是，则进入蓝牙模式；如果否，则进入NBIOT模式；
步骤2，监测系统执行相应模式功能：
当系统处于NBIOT模式时，采集短波形设备三轴振动数据并上传到服务器，短波形设备三轴振动数据采集完成后，对短波形设备三轴振动数据进行智能分析并判断设备故障情况，如果发现设备振动异常，则立刻上传报警状态并将触发采集长波形设备三轴振动数据，同时将采集的长波形设备三轴振动数据存储至外扩存储单元；
当系统处于蓝牙模式时，临时对设备三轴振动数据进行采集，同时将当前采集的设备三轴振动数据以及所述外扩存储单元中存储的长波形设备三轴振动数据一并上传到服务器；当前设备三轴振动数据采集完成后，对当前设备三轴振动数据进行智能分析并判断设备故障情况；
步骤3，监测系统进入休眠。
5.如权利要求4所述的智能云振动监测方法，其特征在于：所述NBIOT模式包括三种工作模式：指标采集、短波形采集以及NB上传；
所述指标采集模式工作过程如下：
(1)根据云端采集参数，将采集的设备三轴振动数据进行智能分析计算获得指标数据，计算结果即指标数据用来判断是否报警；
(2)如果报警，则将采集长波形设备三轴振动数据，并将采集的长波形设备三轴振动数据存储至外扩存储单元，用于精密诊断设备故障情况；如果正常，则系统直接进入休眠；
所述短波形采集模式工作过程如下：
(1)根据云端采集参数，将采集的短波形设备三轴振动数据进行存储后休眠；
所述NB上传模式工作过程如下：
(1)根据云端上传周期参数，将存储的指标数据、短波形设备三轴振动数据上传到服务器；
(2)判断上传失败次数，若上传失败次数小于3次则重复上传直至数据上传成功进入休眠；若上传失败次数大于或等于3次则直接休眠。
6.如权利要求4所述的智能云振动监测方法，其特征在于：所述监测系统处于蓝牙模式的工作过程如下：
(1)广播蓝牙信标等待手机连接；
(2)判断上述连接是否超时，若是，则监测系统进入休眠；若否，则继续判断连接是否成功；
(3)若连接成功，则等待接收命令；若否，则返回广播蓝牙信标等待手机连接；
(4)判断命令类型，所述命令类型包括配置命令、趋势采集命令、临时采集命令、数据回收以及上传命令；
(5)判断蓝牙请求连接命令是否超时：若是，则监测系统进入休眠；若否，则返回等待接收命令。
7.如权利要求5所述的智能云振动监测方法，其特征在于：所述指标采集模式工作过程中所根据的云端采集参数是指：波形采集长度、波形采集频率、波形采集周期、指标采集周期、数据上传周期；所述短波形采集模式工作过程中所根据云端采集参数是指：波形采集长度、波形采集频率、报警门限；所述NB上传模式工作过程中所依据的云端上传周期参数是指：指标采集周期、短波形设备三轴振动数据采集周期、NB上传周期。
8.如权利要求6所述的智能云振动监测方法，其特征在于：
所述配置命令用于：
(1)读取监测系统的出厂信息；
(2)设置监测系统的通讯参数；
所述数据回收以及上传命令用于：
(1)手机APP连接到监测系统，读取外扩存储单元内部长波形设备三轴振动数据进行回收，并上传到服务器。
9.如权利要求6所述的智能云振动监测方法，其特征在于：
所述趋势采集命令用于：
(1)定时采集电源电压、电流，实时判断电源状态；
(2)定时采集设备三轴振动数据，进行设备故障的初步分析；
(3)定时采集设备表面温度数据，判断设备表面温度是否正常。
10.如权利要求6所述的智能云振动监测方法，其特征在于：
所述临时采集命令用于：
(1)设置振动采集方向、波形分析频率、波形采样长度，进行振动波形采集；
(2)振动原始数据上传到手机APP后，自动绘制成时域波形以及频谱，随时对设备进行故障精密诊断；
(3)振动原始波形保存到手机，并通过手机4G上传到服务器，进行多测点关联分析。
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