CN114900829A - 一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工厂设备健康检测技术领域，且公开了一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统及方法，包括设备管理平台、移动终端、蓝牙mesh网关、蓝牙mesh接入点和智能传感器，设备管理平台用于接收蓝牙mesh网关的报文，建立与私服或委托华为云或阿里云等平台，高速高带宽网络接入方式，用户分级分层管理，支持移动终端信息推送；蓝牙mesh网关用于完成采集数据的汇聚和转发，蓝牙mesh接入点用于管理多个智能传感器，智能传感器用于定时采集设备的工作数据，智能传感器包括定时管理模块、任务调度模块、存储单元、收发队列和数据采集功能；解决了生产制造企业设备不具备科学的维护时间，容易造成设备资源的浪费，会给生产造成不必要的损失的问题。

Description

一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统及方法
技术领域
本发明涉及工厂设备健康检测技术领域，具体为一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统及方法。
背景技术
目前更多的健康检测是针对工厂的生产环境的，还没有对设备本身进行网络化、智能化、数字化的监测装置或设备或完整的解决方案；一般先进的工业制造设备有一些自我诊断的方法，但诊断信息处于孤立状态，没有设备故障的预警，只有出现故障的报警，而且设备诊断信息没有与整个生产线的上下游设备进行联动，会造成产线上一个设备的故障，影响整条产线的运作；早期的工业设备没有自我诊断技术，设备的维护都需要定期停产进行，维护时间不科学，造成设备资源的浪费，维护不及时，又会给生产造成不必要的损失；因此，便需要一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统及方法来解决此类问题的发生。
发明内容
本发明提供了一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统及方法，解决了生产制造企业设备不具备科学的维护时间，容易造成设备资源的浪费，会给生产造成不必要的损失的问题。
本发明提供如下技术方案：一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，包括设备管理平台、移动终端、蓝牙mesh网关、蓝牙mesh接入点和智能传感器，所述设备管理平台用于接收所述蓝牙mesh网关的报文，建立与私服或委托华为云或阿里云等平台，高速高带宽网络接入方式，用户分级分层管理，支持移动终端信息推送；所述蓝牙mesh网关用于完成采集数据的汇聚和转发，所述蓝牙mesh接入点用于管理多个所述智能传感器，所述智能传感器用于定时采集设备的工作数据，所述智能传感器包括定时管理模块、任务调度模块、存储单元、收发队列和数据采集功能，所述数据采集功能包括模数转换ADC和滤波算法。
优选的，所述蓝牙mesh接入点与无线信号覆盖范围内最大128个智能传感器之间建立友邻关系；具备中继功能，可以接收和转发蓝牙mesh网络上广播数据包；接收与智能传感器相关的信息并保存；与智能传感器做信息交换。
优选的，所述蓝牙mesh网关具备蓝牙和WIFI、以太网或4G各种网络通信接口；具有大容量存储器；多核CPU架构；基于linux内核操作系统，可多任务多线程工作。
优选的，所述设备管理平台与所述蓝牙mesh网关建立用户关系；获取来自所述蓝牙mesh网关管理的生产设备健康数据；保存当前数据和历史数据，并统计汇总；分析数据变换趋势，通过大数据分析，预测生产设备的健康情况；生产设备健康数据分级，发布预警和警告信息；对需要进行维护、更换的部件，自动派发工单。
优选的，所述智能传感器具有模拟接口，定时采集设备工作的模拟的温度、噪声和压力数据，具有数字接口，通过数字接口读取设备工作时的电压、电流和振动数据；定时采集数据，定时轮询，到定时轮询时间后，智能传感器向友邻节点发送内部存储区域的数据，同时接收由友邻节点下发新的配置数据；非采集数据时间和非轮询时间，智能传感器出于深度睡眠模式。
优选的，所述智能传感器包括三轴传感器MPU9255、数字音频传感器SPM0423和主微处理器TLSR8258，所述主微处理器TLSR8258具有RF射频电路、数字处理、软件协议栈和多标准特性的单芯片RISC处理器。
一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测方法，包括以下步骤：
1)数据获取：定时管理模块以1-10分钟的采集时间间隔发送一次中断给任务调度模块，任务调度模块启动数据采集功能模块，从生产设备中获取电压、电流、温度、压力和振动参数，这些参数中有模拟信号和数字信号，模拟信号通过数据采集功能的ADC转换成数字信号，所有的数字信号进入滤波算法后，统一存放在存储单元；任务调度通过收发队列，将存储单元的数据以数据报文方式，放入发送队列中，通过对蓝牙mesh接入点的轮询，将采集数据以报文方式发送到蓝牙mesh接入点；在轮询的同时，有更新的消息通过蓝牙mesh接入点发送到收发队列的接收缓冲区，对新的信息进行分类和执行；
2)数据收发：智能传感器通过发送轮询请求报文，向附近的蓝牙mesh接入点询问能否建立友邻关系，蓝牙mesh接入点依据接入算法，向此智能传感器回应发放许可，达成配对关系；蓝牙mesh传感器定时会收到智能传感器定时的轮询报文，接收传感器的测量数据，同时，下发来自管理平台的更新消息；当有智能传感器与其之前配对的蓝牙mesh接入点失联后，其他的蓝牙mesh接入点依据协议和算法，会新建友邻关系进行配对，同时从网络中清除以前的配对关系；始终保持只有智能传感器只与1个蓝牙mesh接入点建立友邻关系；当智能传感器的参数需要进行修改更新时，通过管理平台，将更新的内容发送到蓝牙mesh接入点，并保存在更新队列中；当更新目标传感器进行轮询时，蓝牙mesh接入点将更新内容发送给智能传感器；
3)数据汇聚和转发：各蓝牙mesh接入点主动向蓝牙mesh网关发送采集数据的报文；蓝牙mesh网关收到报文后，提取采集数据，添加采集参数的属性、采集时间等信息，按照一定的数据格式组成json数据格式的新的报文，发送到管理平台；根据不同的与管理平台的链接方式，将报文按照不同的协议进行转发；来自管理平台的信息，通过解析json数据内容，转发到广播到蓝牙mesh网络，由蓝牙mesh接入点进行接收和解析；
4)数据处理：管理平台接收到蓝牙mesh网关的报文后，解析json报文内容，提取采集时间、采集对象的属性、采集量和采集值；将采集数据写入对应的当前数据库；依据数据门限，对接收到的生产设备健康数据进行汇总综合评判；依据告警分级管理，对评判结果进行网络分发、短信推送、UI提示；结合历史数据库和当前数据，产生统计报表和维修维护派工单。
优选的，所述分级管理为三级管理模式，第一级在蓝牙接入点，当采集数据超出预设值范围，蓝牙接入点进行报警，第二级在智能蓝牙传感器，但采集数据经过中值滤波后，超出预设值范围，智能蓝牙传感器将报警；可以通过第一级的报警状态缩小异常数据的管理范围，通过第二级报警状态，可以锁定产生报警数据的对象；第三级在管理平台，所有的报警信息都会汇总到管理平台，管理平台根据报警信息的类型和严重程度的分级设置，产生报警日志，同时对报警信息进行移动端的推送。
本发明具备以下有益效果：
一、该发明，采用蓝牙mesh自组网技术，不受生产设备的位置、厂房结构、供电和网络环境的影响。
二、该发明，采用低功耗蓝牙传感器作为生产设备的数据采集装置，无线数据收发，自供电，不需要外接电源和通信线(RS485或网线)，施工容易，不影响生产设备的供电负荷和布线通道。
三、该发明，数据采集点的增加和去除灵活方便，网络配网时间快，维护简单。
四、该发明，蓝牙通信网络可扩展，根据工厂规模大小灵活配置，通信网络部署容易，网络自恢复。
五、该发明，采用网络密钥、应用密钥和设备密钥的多级密钥管理认证，网络安全性强。
六、该发明，移动终端可以在管理平台上访问生产设备的健康情况，根据事务的等级情况，告警信息由管理平台主动进行推送至移动终端。
附图说明
图1为本发明的系统拓扑示意图；
图2为本发明中智能传感器功能框图；
图3为本发明中三轴传感器MPU9255电路图；
图4为本发明中噪声传感器和处理器电路图；
图5为本发明中处理器射频电路图；
图6为本发明中智能传感器获取数据流程图；
图7为本发明中智能传感器的状态转换图；
图8为本发明中传感器工作流程图；
图9为本发明中蓝牙接入点接收到传感器采集数据后工作流程图；
图10为本发明中智能传感器原理电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，包括设备管理平台、移动终端、蓝牙mesh网关、蓝牙mesh接入点和智能传感器。
其中，上述的设备管理平台用于接收蓝牙mesh网关的报文，建立与私服或委托华为云或阿里云等平台，高速高带宽网络接入方式，用户分级分层管理，支持移动终端信息推送；蓝牙mesh网关用于完成采集数据的汇聚和转发，蓝牙mesh接入点用于管理多个智能传感器，智能传感器用于定时采集设备的工作数据，智能传感器包括定时管理模块、任务调度模块、存储单元、收发队列和数据采集功能，数据采集功能包括模数转换ADC和滤波算法。
上述蓝牙mesh接入点主要特征为功耗<1.5W；内存：32MB；板载ISM频段天线，支持BLE5.0协议；有效通信距离40米；波特率1200-115200，可配置，默认115200bps。
蓝牙mesh接入点与无线信号覆盖范围内最大128个智能传感器之间建立友邻关系；具备中继功能，可以接收和转发蓝牙mesh网络上广播数据包；接收与智能传感器相关的信息并保存；与智能传感器做信息交换。
上述蓝牙mesh网关具备蓝牙和WIFI、以太网或4G等各种网络通信接口；具有大容量存储器；多核CPU架构；基于linux内核操作系统，可多任务多线程工作。
蓝牙mesh网关负责在GATT和广播承载层之间接收并重新发送mesh消息；负责整个蓝牙mesh网络的维护和管理，包括蓝牙mesh网络中个节点工作状态、运行时长和拓扑连接关系等；通过WIFI、以太网或4G通信网络与设备管理平台进行数据交换，将蓝牙mesh网络中各智能传感器采集整理后的数据汇总，并发送至管理平台。
上述设备管理平台主要建立与私服或委托华为云或阿里云等平台；高速高带宽网络接入方式；用户分级分层管理；支持移动终端信息推送。
设备管理平台与蓝牙mesh网关建立用户关系；获取来自蓝牙mesh网关管理的生产设备健康数据；保存当前数据和历史数据，并统计汇总；分析数据变换趋势，通过大数据分析，预测生产设备的健康情况；生产设备健康数据分级，发布预警和警告信息；对需要进行维护、更换的部件，自动派发工单。
上述智能传感器主要采用低功耗蓝牙技术，板载ISM频段天线，支持BLE5.0协议；有效通信距离40米；固定传输速率12字节/帧，波特率1200-115200，可配置，默认115200bps；发送功耗<8mA，休眠功耗<1uA，轮询时间间隔1秒-100分钟可配置，默认1分钟；电池供电，支持到2年年限。
智能传感器具有模拟接口，定时采集设备工作的模拟的温度、噪声和压力数据，具有数字接口，通过数字接口读取设备工作时的电压、电流和振动数据；定时采集数据(默认1分钟，不同的采集数据对象，采集数据间隔时间不同)，定时轮询(默认1分钟，不同的采集数据对象，轮询间隔时间不同)，到定时轮询时间后，智能传感器向友邻节点发送内部存储区域的数据，同时接收由友邻节点下发新的配置数据；非采集数据时间和非轮询时间，智能传感器出于深度睡眠模式，功耗降低至1uA，以延长电池供电时间。
上述智能传感器包括三轴传感器MPU9255、数字音频传感器SPM0423和主微处理器TLSR8258，主微处理器TLSR8258具有RF射频电路、数字处理、软件协议栈和多标准特性的单芯片RISC处理器。
智能传感器种类：压力传感器、电压传感器、电流传感器、温度传感器、振动传感器、固态继电器、专用流量计、专用泵阀。
如图2所示，三轴传感器MPU9255，感知工厂设备工作时的异常振动位移加速度量，并保存在内部加速度寄存器中，并由TLSR8258通过IIC总线读取MPU9255加速度寄存器，得到数据通过数字滤波后，保存在TLSR8258的振动数据队列中；
数字音频传感器SPM0423，感知工厂设备工作时的异常噪声，音频数据已经经过SPM0423进行数字量化，再由TLSR8258读取，经过对音频数据的分析，判决是否属于异常信号，并将判决结果存放在噪声数据队列；
主微处理器TLSR8258，具有RF射频电路、数字处理、软件协议栈和多标准特性的单芯片RISC处理器。通过软件完成的对采集量的滤波，存储和通过蓝牙发送。
如图3所示，三轴传感器MPU9255，芯片位号U5，第23脚和第24脚与TLSR8258相接，其中第23脚为时钟输入脚，第24脚为数据输出脚。第22脚为U5的片选信号，其他信号没有用到。
如图4所示，噪声传感器SPM0423，芯片位号U7，第4脚和第5脚与TLSR8258相接，其中第4脚为时钟输入脚，第5脚为数据输出脚。
处理器TLSR8258，芯片位号U6，第2脚接U7的第5脚，作为数据输入，第3脚接U7的第4脚，作为给U7提供的时钟信号。
处理器TLSR8258，第9脚接U5的第22脚，作为U5的片选信号输出，第10脚接U5的第23脚，作为给U5提供的时钟信号，第11脚接U5的第24脚，作为数据的输入。
如图5所示，处理器TLSR8258，第38脚射频天线，其中C37，C38，L6和C39组成射频滤波网络，D11和D12位保护TVS管，L7为射频网络偏置电压供电。
如图6-9所述，一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测方法，包括以下步骤：
1)数据获取：定时管理模块以1-10分钟的采集时间间隔发送一次中断给任务调度模块，任务调度模块启动数据采集功能模块，从生产设备中获取电压、电流、温度、压力和振动参数，这些参数中有模拟信号和数字信号，模拟信号通过数据采集功能的ADC转换成数字信号，所有的数字信号进入滤波算法后，统一存放在存储单元；任务调度通过收发队列，将存储单元的数据以数据报文方式，放入发送队列中，通过对蓝牙mesh接入点的轮询，将采集数据以报文方式发送到蓝牙mesh接入点；在轮询的同时，有更新的消息通过蓝牙mesh接入点发送到收发队列的接收缓冲区，对新的信息进行分类和执行；
2)数据收发：智能传感器通过发送轮询请求报文，向附近的蓝牙mesh接入点询问能否建立友邻关系，蓝牙mesh接入点依据接入算法，向此智能传感器回应发放许可，达成配对关系；蓝牙mesh传感器定时会收到智能传感器定时的轮询报文，接收传感器的测量数据，同时，下发来自管理平台的更新消息；当有智能传感器与其之前配对的蓝牙mesh接入点失联后，其他的蓝牙mesh接入点依据协议和算法，会新建友邻关系进行配对，同时从网络中清除以前的配对关系；始终保持只有智能传感器只与1个蓝牙mesh接入点建立友邻关系；当智能传感器的参数需要进行修改更新时，通过管理平台，将更新的内容发送到蓝牙mesh接入点，并保存在更新队列中；当更新目标传感器进行轮询时，蓝牙mesh接入点将更新内容发送给智能传感器；
3)数据汇聚和转发：各蓝牙mesh接入点主动向蓝牙mesh网关发送采集数据的报文；蓝牙mesh网关收到报文后，提取采集数据，添加采集参数的属性、采集时间等信息，按照一定的数据格式组成json数据格式的新的报文，发送到管理平台；根据不同的与管理平台的链接方式，将报文按照不同的协议进行转发；来自管理平台的信息，通过解析json数据内容，转发到广播到蓝牙mesh网络，由蓝牙mesh接入点进行接收和解析；
4)数据处理：管理平台接收到蓝牙mesh网关的报文后，解析json报文内容，提取采集时间、采集对象的属性、采集量和采集值；将采集数据写入对应的当前数据库；依据数据门限，对接收到的生产设备健康数据进行汇总综合评判；依据告警分级管理，对评判结果进行网络分发、短信推送、UI提示；结合历史数据库和当前数据，产生统计报表和维修维护派工单。
上述分级管理为三级管理模式，第一级在蓝牙接入点，当采集数据超出预设值范围，蓝牙接入点进行报警，第二级在智能蓝牙传感器，但采集数据经过中值滤波后，超出预设值范围，智能蓝牙传感器将报警；可以通过第一级的报警状态缩小异常数据的管理范围，通过第二级报警状态，可以锁定产生报警数据的对象；第三级在管理平台，所有的报警信息都会汇总到管理平台，管理平台根据报警信息的类型和严重程度的分级设置，产生报警日志，同时对报警信息进行移动端的推送。
如图10所示，三轴传感器MPU9255，芯片位号U3，第23脚和第24脚与TLSR8258相接，其中第23脚为时钟输入脚，第24脚为数据输出脚。第22脚为U3的片选信号，其他信号没有用到。
噪声传感器SPM0423，芯片位号U2，第4脚和第5脚与TLSR8258相接，其中第4脚为时钟输入脚，第5脚为数据输出脚。
处理器TLSR8258，芯片位号U1，第2脚接U7的第5脚，作为数据输入，第3脚接U2的第4脚，作为给U2提供的时钟信号。
处理器TLSR8258，第9脚接U3的第22脚，作为U3的片选信号输出，第10脚接U3的第23脚，作为给U3提供的时钟信号，第11脚接U3的第24脚，作为数据的输入。
处理器TLSR8258，第38脚射频天线，其中C3，C4，C5，C6和L1组成射频滤波网络，D1和D2位保护TVS管，L2为射频网络偏置电压供电。

Claims (8)

1.一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，其特征在于：包括设备管理平台、移动终端、蓝牙mesh网关、蓝牙mesh接入点和智能传感器，所述设备管理平台用于接收所述蓝牙mesh网关的报文，建立与私服或委托华为云或阿里云等平台，高速高带宽网络接入方式，用户分级分层管理，支持移动终端信息推送；所述蓝牙mesh网关用于完成采集数据的汇聚和转发，所述蓝牙mesh接入点用于管理多个所述智能传感器，所述智能传感器用于定时采集设备的工作数据，所述智能传感器包括定时管理模块、任务调度模块、存储单元、收发队列和数据采集功能，所述数据采集功能包括模数转换ADC和滤波算法。
2.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，其特征在于：所述蓝牙mesh接入点与无线信号覆盖范围内最大128个智能传感器之间建立友邻关系；具备中继功能，可以接收和转发蓝牙mesh网络上广播数据包；接收与智能传感器相关的信息并保存；与智能传感器做信息交换。
3.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，其特征在于：所述蓝牙mesh网关具备蓝牙和WIFI、以太网或4G各种网络通信接口；具有大容量存储器；多核CPU架构；基于linux内核操作系统，可多任务多线程工作。
4.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统及方法，其特征在于：所述设备管理平台与所述蓝牙mesh网关建立用户关系；获取来自所述蓝牙mesh网关管理的生产设备健康数据；保存当前数据和历史数据，并统计汇总；分析数据变换趋势，通过大数据分析，预测生产设备的健康情况；生产设备健康数据分级，发布预警和警告信息；对需要进行维护、更换的部件，自动派发工单。
5.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，其特征在于：所述智能传感器具有模拟接口，定时采集设备工作的模拟的温度、噪声和压力数据，具有数字接口，通过数字接口读取设备工作时的电压、电流和振动数据；定时采集数据，定时轮询，到定时轮询时间后，智能传感器向友邻节点发送内部存储区域的数据，同时接收由友邻节点下发新的配置数据；非采集数据时间和非轮询时间，智能传感器出于深度睡眠模式。
6.根据权利要求1所述的一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，其特征在于：所述智能传感器包括三轴传感器MPU9255、数字音频传感器SPM0423和主微处理器TLSR8258，所述主微处理器TLSR8258具有RF射频电路、数字处理、软件协议栈和多标准特性的单芯片RISC处理器。
7.一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测方法，其特征在于：用于实现权利要求1-6中所述的一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测系统，包括以下步骤：
1)数据获取：定时管理模块以1-10分钟的采集时间间隔发送一次中断给任务调度模块，任务调度模块启动数据采集功能模块，从生产设备中获取电压、电流、温度、压力和振动参数，这些参数中有模拟信号和数字信号，模拟信号通过数据采集功能的ADC转换成数字信号，所有的数字信号进入滤波算法后，统一存放在存储单元；任务调度通过收发队列，将存储单元的数据以数据报文方式，放入发送队列中，通过对蓝牙mesh接入点的轮询，将采集数据以报文方式发送到蓝牙mesh接入点；在轮询的同时，有更新的消息通过蓝牙mesh接入点发送到收发队列的接收缓冲区，对新的信息进行分类和执行；
2)数据收发：智能传感器通过发送轮询请求报文，向附近的蓝牙mesh接入点询问能否建立友邻关系，蓝牙mesh接入点依据接入算法，向此智能传感器回应发放许可，达成配对关系；蓝牙mesh传感器定时会收到智能传感器定时的轮询报文，接收传感器的测量数据，同时，下发来自管理平台的更新消息；当有智能传感器与其之前配对的蓝牙mesh接入点失联后，其他的蓝牙mesh接入点依据协议和算法，会新建友邻关系进行配对，同时从网络中清除以前的配对关系；始终保持只有智能传感器只与1个蓝牙mesh接入点建立友邻关系；当智能传感器的参数需要进行修改更新时，通过管理平台，将更新的内容发送到蓝牙mesh接入点，并保存在更新队列中；当更新目标传感器进行轮询时，蓝牙mesh接入点将更新内容发送给智能传感器；
3)数据汇聚和转发：各蓝牙mesh接入点主动向蓝牙mesh网关发送采集数据的报文；蓝牙mesh网关收到报文后，提取采集数据，添加采集参数的属性、采集时间等信息，按照一定的数据格式组成json数据格式的新的报文，发送到管理平台；根据不同的与管理平台的链接方式，将报文按照不同的协议进行转发；来自管理平台的信息，通过解析json数据内容，转发到广播到蓝牙mesh网络，由蓝牙mesh接入点进行接收和解析；
4)数据处理：管理平台接收到蓝牙mesh网关的报文后，解析json报文内容，提取采集时间、采集对象的属性、采集量和采集值；将采集数据写入对应的当前数据库；依据数据门限，对接收到的生产设备健康数据进行汇总综合评判；依据告警分级管理，对评判结果进行网络分发、短信推送、UI提示；结合历史数据库和当前数据，产生统计报表和维修维护派工单。
8.根据权利要求7所述的一种基于蓝牙mesh网络的工厂设备健康检测方法，其特征在于：所述分级管理为三级管理模式，第一级在蓝牙接入点，当采集数据超出预设值范围，蓝牙接入点进行报警，第二级在智能蓝牙传感器，但采集数据经过中值滤波后，超出预设值范围，智能蓝牙传感器将报警；可以通过第一级的报警状态缩小异常数据的管理范围，通过第二级报警状态，可以锁定产生报警数据的对象；第三级在管理平台，所有的报警信息都会汇总到管理平台，管理平台根据报警信息的类型和严重程度的分级设置，产生报警日志，同时对报警信息进行移动端的推送。
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