CN114563076A - 一种振动实时监测无线传感网系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振动实时监测无线传感网系统，包括输入模块，用于采集振动数据；与输入模块无线连接的无线节点，其包括依次连接的信号调理模块、ADC模块、DSP模块和无线通讯模块，所述信号调理模块用于对输入模块采集到的振动数据进行滤波、校正；所述ADC模块用于处理信号调理模块发送的数据；所述DSP模块用于对ADC模块处理后的数据进行处理，控制通讯接口；所述无线通讯模块用于接收和发射数据；与无线节点无线连接的网关，用于接收无线节点传送的数据，并将其传送给上位机；与网关无线连接的上位机，用于根据网关传送的数据判断外部机器的状态。本发明大大提高了监测时无线传感网系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性。
Description
技术领域
本发明主要涉及无线网络技术领域，具体地说，涉及一种振动实时监测无线传感网系统。
背景技术
振动是设备运行中的普遍现象，特别是旋转设备，无论是正常状态还是故障状态，其运行过程中均会产生振动。例如电机在运转时由于机械摩擦、转子不平衡、通风和电磁力等原因会使定转子产生振动。振动信号中包含有设备运行状态的丰富信息。采集、分析这些振动信号，提取相关信息，是设备故障诊断中最有效、最常用的方法。
无线传感器网络一般是由在空间分布和独立的网络节点组成的。节点包含有传感器来监控节点的物理或环境条件，如温度、声音、振动、压力、运动或污染物等。每个节点通常带有无线电收发器或其他无线设备通信设备以通过网络把传感数据传输给数据库和其他用户。这样，无线传感器网络可以用于数据收集、目标跟踪以及报警监控等。无线传感器网络为实现分布式复杂系统健康监测提供了很好的分布式监测网络。采用无线传感器网络将大大减少器件引线数量；由于无线传感器网络节点具有局域信号处理功能，很多信号信息处理工作可在传感节点附近局部完成，将大大减少所需传输的信息量，并将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，变为一种并行的分布式信息处理系统，将大大提高监测系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性。
振动实时监测无线传感网技术是智能电机的关键技术之一。如何使无线传感网络可以广泛地应用于设备振动监测，借助于节点上的传感器感知设备振动参数，实现设备振动监测的目的，成了本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种振动实时监测无线传感网系统，用于实现设备振动监测的目的。
本发明的振动实时监测无线传感网系统，包括：
输入模块，用于采集振动数据；
与输入模块无线连接的无线节点，其包括依次连接的信号调理模块、ADC模块、DSP模块和无线通讯模块，所述信号调理模块用于对输入模块采集到的振动数据进行滤波、校正；所述ADC模块用于将所述信号调理模块发送的模拟数据转换为数字信号；所述DSP模块上设置有通讯接口，所述DSP模块通过所述通讯接口与所述无线通讯模块实现数据交换，所述DSP模块用于对ADC模块处理后的振动信号进行处理以及进行模态分析(采用宽频模态分解法对信号的稳态振动和瞬态振动进行特征提取)，并控制通讯接口；所述无线通讯模块用于接收和发射数据；
通过所述无线通讯模块与无线节点无线连接的网关，用于接收无线节点传送的数据，并将其传送给上位机；通过所述无线通讯模块与网关无线连接的上位机，用于根据网关传送的数据判断外部机器的状态。
进一步地，所述输入模块为ICP传感器，包括压电加速度传感器和IC放大器，所述ICP传感器的输出具有两线联接特征。
进一步地，所述压电加速度传感器的加速度测量范围为-500m/s2～500m/s2，加速度频率测量范围为0.5Hz～5000Hz。
进一步地，所述信号调理模块包括高通滤波器、低通滤波器和电流源，所述高通滤波器分别低通滤波器与ICP传感器连接，所述低通滤波器与ADC模块连接。
进一步地，所述高通滤波器为二阶高通滤波器，设定高通滤波器的3dB截止频率为0.25HZ，其0.5Hz的信号增益为：
式中，A_0.5表示高通滤波器0.5Hz的信号增益，fp表示输入信号频率，fc表示截止频率。
进一步地，所述低通滤波器的截止频率fC＞5000Hz，5000Hz信号增益A1＞0.95，20KHz信号增益Ah＜0.293。
进一步地，所述ADC模块包括6个通道，每个通道的最大吞吐量为250kSPS。
进一步地，所述振动实时监测无线传感网系统还包括电源模块，所述电流源为恒流源，所述电源模块通过恒流源与ICP传感器电连接。
进一步地，所述输入模块与无线节点之间，和/或所述无线节点与网关之间，和/或所述网关与上位机之间通过802.11网络结构进行无线连接。
进一步地，所述输入模块的采样频率大于等于5kHz，采样距离大于等于100米。
有益效果：
本发明的一种振动实时监测无线传感网系统包括输入模块、无线节点、网关和上位机，输入模块用于采集振动数据；无线节点包括依次连接的信号调理模块、ADC模块、DSP模块和无线通讯模块，所述信号调理模块用于对输入模块采集到的振动数据进行滤波、校正；所述ADC模块用于将所述信号调理模块发送的模拟数据转换为数字信号；所述DSP模块上设置有通讯接口，所述DSP模块通过所述通讯接口与所述无线通讯模块实现数据交换，所述DSP模块用于对ADC模块处理后的振动信号进行处理以及进行模态分析，并控制通讯接口；所述无线通讯模块用于接收和发射数据；网关用于接收无线节点传送的数据，并将其传送给上位机；上位机用于根据网关传送的数据判断外部机器的状态。通过上述设置，以无线传输的方式将采集到的振动数据传输给上位机，在上位机中实时接收并存储，同时对数据进行分析得到振动信息的频谱，包络谱，峭度等，以期通过振动数据的分析达到对设备状态的判断，大大提高监测时无线传感网系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一实施例的振动实时监测无线传感网系统的结构示意图；
图2是输入模块的信号电路图；
图3是信号调理模块的原理图；
图4是电源模块的原理图。
附图标记说明：
11、压电加速度传感器；12、IC放大器。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1所示是本发明一实施例的振动实时监测无线传感网系统的结构示意图。该实施例的振动实时监测无线传感网系统包括输入模块、无线节点、网关和上位机，输入模块用于采集振动数据，优选地，输入模块的采样频率大于等于5kHz，采样距离大于等于100米；无线节点包括依次连接的信号调理模块、ADC(模数转换器，Analog-to-digital converter)模块、DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)模块和无线通讯模块，信号调理模块用于对输入模块采集到的振动数据进行滤波、校正；所述ADC模块用于将所述信号调理模块发送的模拟数据转换为数字信号；所述DSP模块上设置有通讯接口，所述DSP模块通过所述通讯接口与所述无线通讯模块实现数据交换，所述DSP模块用于对ADC模块处理后的振动信号进行处理以及进行模态分析，并控制通讯接口；无线通讯模块用于接收和发射数据，即根据一定的通讯规则对数据进行编码解码，提供相应的接口与DSP模块进行数据交换；网关用于接收无线节点传送的数据，并将其传送给上位机；上位机用于根据网关传送的数据判断外部机器的状态，具体表现为，上位机对网关传送的数据进行处理，实时波行，频谱，峭度等，以基于最后得到的振动数据判断机器状态。
通过上述设置，以无线传输的方式将采集到的振动数据传输给上位机，在上位机中实时接收并存储，同时对数据进行分析得到振动信息的频谱，包络谱，峭度等，以期通过振动数据的分析达到对设备状态的判断。需要说明的是，上述无线传感网系统中输入模块与无线节点之间，和/或无线节点与网关之间，和/或网关与上位机之间优选通过802.11网络结构进行无线连接。802.11网络结构的特点是将数据发给一个中间节点AP，此中间节点再将数据转发给下一个中间节点直至将数据传输至数据中心，这样就实现了数据中心与远距离节点间数据的传输。
在进一步地技术方案中，输入模块为ICP(Integrated Circuits Piezoelectric)传感器，包括压电加速度传感器11和IC放大器12，上述ICP传感器的输出具有两线联接特征，即压电加速度传感器11的信号输出和IC放大器12所需的恒流激励为同一根线，另一根线为地线，具体参见图2。上述压电加速度传感器11的加速度测量范围为-500m/s2～500m/s2，加速度频率测量范围为0.5Hz～5000Hz。优选地，该ICP传感器为ICP三轴加速度传感器，其相关参数具体如下：
低噪声：0.0007g rms；
灵敏度：100mV/g；
频率响应：0.5～5000Hz；
安装谐振频率：20kHz；
偏置电压：8-12V；
横向灵敏度：≤5％；典型≤3％；
供电方式：DC18-30V典型值：DC24V 4mA；
最大可测加速度：±500m/s2；
温度范围：-40～+120℃；
安装螺纹尺寸：M5 mm；
重量：96g；
安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5纹)；
输出阻抗：≤100Ω；
压电材料：压电陶瓷；
壳体材质：不锈钢；
输出方式：M5出线。
同时，参见图3，本发明的信号调理模块包括高通滤波器、低通滤波器和电流源，高通滤波器分别低通滤波器与ICP传感器连接，所述低通滤波器与ADC模块连接。具体地：
设定ICP传感器的频率响应为0.5～5000Hz，偏置电压为8-12V，本发明中高通滤波器优选为二阶高通滤波器，将直流分量滤除。高通滤波器的设计指标满足：0.5Hz的信号增益Ap＞0.95(-0.446dB)。
取高通滤波器的3dB截止频率为0.25HZ，其0.5Hz的信号增益为：
式中，A_0.5表示高通滤波器0.5Hz的信号增益，fp表示输入信号频率，fc表示截止频率。
因此，高通滤波器的截止频率设定为0.25Hz符合要求。
由于ICP传感器的最高响应频率为5000Hz，ICP传感器安装谐振频率为20kHz，设计低通滤波器截至频率fC＞5000Hz，5000Hz信号增益A1＞0.95，20KHz信号增益Ah＜0.293。因此对20KHz信号应具有足够衰减倍数，即采样后通过DSP模块对20KHz信号进一步衰减。
电流源采用三端可调电源芯片，搭建一个4mA的电流源。
作为本发明的优选实施例，ADC模块包括6个通道，每个通道的最大吞吐量为250kSPS，且其通过引脚编程设定的双极输入电压分别为±10V和±5V，高输入阻抗为1MΩ。
此外值得提及的是，本发明的振动实时监测无线传感网系统包括电源模块，所述电流源为恒流源，所述电源模块通过恒流源与ICP传感器电连接。具体地，电源模块包括24V直流电源，24V直流电源通过电压监测、防反接、过流形成5V低噪声LDO和15VAD电源，5V低噪声LDO(Low Dropout Regulator，是一种低压差线性稳压器)经过降压开关稳压得到3.3V数字电源，经过降压的3.3V数字电源再次降压开关稳压得到1.9V数字电源。24V直流电源用于给ICP传感器供电，3.3V数字电源和1.9V数字电源用于给无线节点供电，15VAD电源用于给ADC模块供电，详情参见图4。
总之，本发明以无线传输的方式将采集到的振动数据传输给上位机，在上位机中实时接收并存储，同时对数据进行分析得到振动信息的频谱，包络谱，峭度等，以期通过振动数据的分析达到对设备状态的判断，大大提高监测时无线传感网系统的运行速度及决策的可靠性和灵活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，包括：
输入模块，用于采集外部机器的振动数据；
无线节点，包括依次连接的信号调理模块、ADC模块、DSP模块和无线通讯模块，所述信号调理模块用于对输入模块所采集的振动数据进行滤波、校正以生成振动模拟信号；所述ADC模块用于将所述信号调理模块发送的振动模拟信号转换为振动数字信号；所述DSP模块上设置有通讯接口，所述DSP模块通过所述通讯接口与所述无线通讯模块匹配实现数据交互，所述DSP模块用于对ADC模块转换后的振动数字信号进行处理，并控制通讯接口；所述无线通讯模块用于接收和发射振动数字信号；所述无线节点通过所述无线通讯模块与所述输入模块无线连接；
通过所述无线通讯模块与无线节点无线连接的网关，用于接收无线节点传送的振动数字信号，并将其传送给上位机；
通过所述无线通讯模块与所述网关无线连接的上位机，用于根据网关传送的振动数字信号判断外部机器的状态。
2.根据权利要求1所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述输入模块为ICP传感器，所述ICP传感器包括依次连接的压电加速度传感器(11)和IC放大器(12)，所述ICP传感器的输出具有两线联接特征。
3.根据权利要求2所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述压电加速度传感器(11)的加速度测量范围为-500m/s2～500m/s2，加速度频率测量范围为0.5Hz～5000Hz。
4.根据权利要求2所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述信号调理模块包括高通滤波器、低通滤波器和电流源，所述高通滤波器分别与所述低通滤波器、所述ICP传感器连接，所述低通滤波器与所述ADC模块连接；所述电流源用于向所述高通滤波器和所述ICP传感器提供电流。
5.根据权利要求4所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述高通滤波器为二阶高通滤波器，设定高通滤波器的截止频率为0.25HZ，其0.5Hz的信号增益为：
式中，A_0.5表示高通滤波器0.5Hz的信号增益，fp表示输入信号频率，fc表示截止频率。
6.根据权利要求4所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述低通滤波器的截止频率fC＞5000Hz，5000Hz信号增益A1＞0.95，20KHz信号增益Ah＜0.293。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电流源为恒流源，所述电源模块通过恒流源与所述ICP传感器电连接。
8.根据权利要求1所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述ADC模块包括6个通道，每个通道的最大吞吐量为250kSPS。
9.根据权利要求1所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述输入模块与无线节点之间，和/或所述无线节点与网关之间，和/或所述网关与上位机之间通过802.11网络结构进行无线连接。
10.根据权利要求1所述的振动实时监测无线传感网系统，其特征在于，所述输入模块的采样频率大于等于5kHz，采样距离大于等于100米。
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