CN117236352A - 一种用于震动监测的rfid传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于震动监测的RFID传感器，涉及震动检测分析技术领域，包括震动采集模块、数据传输模块、RFID读取模块、数据处理模块、综合处理模块、监测平台、数据存储模块。通过安装温度校正模块，能够对金属应变片的测量结果进行温度补正，减少温度对测量精度造成的影响，同时，通过将总的监测时间分割为多个时间段，计算该时间段内关于震动幅度的离散量，并用离散量来表示待测设备在该时间段内震动幅度的波动情况，这样不仅能够对待测设备进行实时监控，还能够减少因待测设备的制冷设备短时间停止工作或增大功率导致的震动幅度超出预设范围而造成的误报警，提高警报的可信度。
Description
技术领域
本发明涉及震动检测分析技术领域，具体为一种用于震动监测的RFID传感器。
背景技术
在物流运输行业中，待发货的果蔬、肉类、海鲜等生鲜一般放置在冷库内进行保存，由于这类产品保质期较短，若是冷库发生问题，容易导致产品变质，造成大量的经济损失，因此，为了保证冷库内制冷设备的正常运行，避免对产品造成影响，需要对冷库制冷设备的运行状况进行监测，震动监测便是监测手段之一，震动异常可能表明设备的零件松动、轴承失效、不平衡或机械结构问题。及早检测和纠正这些问题可以防止发生设备故障、意外停机，避免造成经济损失。
在现有技术中，常常使用震动传感器来监测设备的震动幅度或频率，当检测值超出预设范围时便进行报警，但这种技术会存在一些问题，首先，由于设备在运行过程中会产生热量导致温度升高，而温度会对传感器的测量结果造成影响，因此设备运行一段时间热量积累后容易导致传感器的测量精度降低，其次，冷库的工作模式为，先启动压缩机等制冷设备，将箱内的温度调节到设定温度，到达后制冷设备停止工作对温度进行保持，当箱内温度超过一定范围或是一段时间后，再次启动制冷设备进行调节，因此制冷设备内制冷设备的使用状态是时断时续的，相应的震动也是时断时续的，并不会平稳地维持不变，若是传感器的预设范围太小，容易在制冷设备停止时低于预设范围造成误报，若是传感器的预设范围太大，又容易降低测量的精度，无法监测设备的运行情况。因此，开发一种既能降低温度影响，又能在对设备进行监测时不容易误报的传感器是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于震动监测的RFID传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于震动监测的RFID传感器，包括：
震动采集模块，所述震动采集模块包括金属应变片和温度传感器，所述金属应变片和微控制器电性连接，用于在产生纵向震动时自身产生形变，所述温度传感器和微控制器电性连接，用于对金属应变片所处环境的实时温度进行检测，所述微控制器用于采集多个时间点上金属应变片的实时阻值和温度传感器测量的温度值；
数据传输模块，所述数据传输模块包括射频芯片和天线，所述天线与射频芯片电性连接，所述射频芯片和微控制器电性连接，用于将微控制器采集的数据通过天线以无线信号的形式发出；
RFID读取模块，所述RFID读取模块与射频芯片通讯连接，用于接收并读取射频芯片所发射的无线信号，所述RFID读取模块与数据处理模块电性连接，用于将接收到的金属应变片的实时阻值和所处环境的实时温度发送到数据处理模块进行计算；
数据处理模块，所述数据处理模块与综合处理模块电性连接，用于根据金属应变片的实时阻值和所处环境的实时温度生成该时间点经过温度校正后的震动幅度，再根据每个时间段内各个时间点的震动幅度生成对应时间段内的平均震动幅度，并将平均震动幅度发送到综合处理模块；
综合处理模块，所述综合处理模块与监测平台电性连接，用于根据平均震动幅度生成对应时间段内的震动阈值和离散量，并根据震动阈值生成离散阈值，震动阈值用于作为该时间段内震动幅度的范围标准，离散量用于表示该时间段内待测设备的震动状况，离散阈值用于作为离散量的标准，与离散量进行比对从而判定设备的工作状态，计算完成后综合处理模块将离散阈值和离散量发送到监测平台；
监测平台，所述监测平台与数据存储模块电性连接，用于显示平均震动幅度、离散量和离散阈值的数据，并将离散量和离散阈值进行比对来判定待测设备是否正常工作，当离散量大于离散阈值时进行警报；
数据存储模块，所述数据存储模块用于对平均震动幅度、离散量和离散阈值进行存储。
优选的，所述震动幅度的生成逻辑为：
数据处理模块将监测的时间分为多个相同时间段，并标定为TX，X表示时间段的编号，X＝1、2、3、4……X，X为正整数，每个时间段内的数据采集次数为N次，且每个采集点间隔的时间相同；
将金属应变片单次采集的实时阻值标定为温度传感器单次采集的实时温度标定为/>X表示时间段的编号，Y表示对应时间段TX内数据采集次数的编号，Y＝1、2、3、4……N，Y为正整数；
根据实时阻值计算总的阻值变化量并标定为/>根据实时温度/>来计算温度造成的阻值变化量并标定为/>X表示时间段的编号，Y表示对应时间段TX内数据采集次数的编号，计算公式为：
式中R0表示金属应变片的标准阻值，TC表示金属应变片的标准温度，α表示金属应变片的温度系数；
根据计算出对应时间点的震动幅度，并将该时间点的震动幅度标定为/>X表示时间段的编号，Y表示对应时间段TX内数据采集次数的编号，震动幅度/>的计算公式为：
式中GF表示金属应变片的应变系数。
优选的，所述数据处理模块根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的平均震动幅度标定为X表示时间段的编号，平均震动幅度/>的计算公式为：
优选的，所述综合处理模块根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的离散量标定为SX，X表示时间段的编号，离散量SX的计算公式为：
优选的，所述离散量阈值的生成逻辑为：
综合处理模块根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的震动阈值标定为ACX，X表示时间段的编号，震动阈值ACX的计算公式为：
式中ACX +、ACX -分别表示震动阈值ACX的上下限，δ表示波动系数；
综合处理模块根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的离散量阈值标定为SCX，X表示时间段的编号，离散量阈值SCX的计算公式为：
当离散量SX＞离散量阈值SCX时，则表明在该时间段内，待测设备的震动幅度AY X多次超出震动阈值ACX的上下限，待测设备的震动情况出现异常。
优选的，所述震动采集模块与数据传输模块集成在同一块集成电路板上，所述集成电路板的外部还设有壳体用于提供安装和保护。
优选的，所述集成电路板还包括支架和电池，所述支架一端与集成电路板固定连接，另一端与金属应变片的中部固定连接，用于为金属应变片提供支撑，所述电池与微控制器和射频芯片电性连接，用于对微控制器和射频芯片进行供电。
优选的，所述天线采用金属线天线，金属线天线由平行金属线均匀的印制在集成电路板表面构成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过安装温度校正模块，能够对金属应变片的测量结果进行温度补正，减少温度对测量精度造成的影响，同时，通过将总的监测时间分割为多个时间段，计算该时间段内关于震动幅度的离散量，并用离散量来表示待测设备在该时间段内震动幅度的波动情况，这样不仅能够对待测设备进行实时监控，还能够减少因待测设备的制冷设备短时间停止工作或增大功率导致的震动幅度超出预设范围而造成的误报警，提高警报的可信度。
附图说明
图1为本发明的模块示意图；
图2为本发明中金属应变片与RFID标签模块的连接示意图
图3为本发明中集成电路板的结构示意图；
图4为本发明中集成电路板的正视图。
图中：震动采集模块1、支架11、金属应变片12、温度传感器13、微控制器14、电池15、壳体16、数据传输模块2、射频芯片21、天线22、RFID读取模块3、数据处理模块4、综合处理模块5、监测平台6、数据存储模块7。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例：
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：
一种用于震动监测的RFID传感器，包括震动采集模块1、数据传输模块2、RFID读取模块3、数据处理模块4、综合处理模块5、监测平台6和数据存储模块7，其中：
所述震动采集模块1包括金属应变片12和温度传感器13，所述金属应变片12和微控制器14电性连接，当待测设备产生纵向震动时，金属应变片12会受力发生形变从而产生组织变化，微控制器14采用STM32F103C8T6系列的微控制器芯片，利用惠斯通电桥对金属应变片12的实时阻值进行测量，所述温度传感器13采用DS18B20系列的温度传感器，和微控制器14电性连接，用于对金属应变片12所处环境的实时温度进行检测，所述微控制器14用于采集多个时间点上金属应变片12的实时阻值和温度传感器13测量的温度值。
所述数据传输模块包括射频芯片21和天线22，所述天线22与射频芯片21电性连接，所述射频芯片21采用X-2K Dura系列的射频芯片，射频芯片21和微控制器14电性连接，用于将微控制器14采集的数据通过天线22以无线信号的形式发出。
进一步的，所述天线22采用金属线天线，金属线天线由平行金属线均匀的印制在集成电路板表面构成。
所述RFID读取模块4采用与对应射频芯片21配套的读取器并与数据处理模块4电性连接，用于将接收到的金属应变片的实时阻值和所处环境的实时温度发送到数据处理模块4进行计算。
所述数据处理模块4基于STM32F429系列芯片核心处理器与控制器构成，与综合处理模块5电性连接，用于根据金属应变片的实时阻值和所处环境的实时温度生成该时间点经过温度校正后的震动幅度，所述震动幅度的生成逻辑为：
数据处理模块4将监测的时间分为多个相同时间段，并标定为TX，X表示时间段的编号，X＝1、2、3、4……X，X为正整数，每个时间段内的数据采集次数为N次，且每个采集点间隔的时间相同，时间段TX的长度表示警报判定的触发间隔，数据采集次数N表示每个时间段TX内采集的样本量，采集次数N为正整数。
根据实时阻值计算总的阻值变化量并标定为，根据实时温度来计算温度造成的阻值变化量并标定为，X表示时间段的编号，Y表示对应时间段内数据采集次数的编号，计算公式为：
式中R0表示金属应变片12的标准阻值，T0表示金属应变片12的标准温度，α表示金属应变片12的温度系数，均能够通过厂家提供的产品手册得到并进行预设。
根据计算出对应时间点的震动幅度，并将该时间点的震动幅度标定为/>X表示时间段的编号，Y表示对应时间段TX内数据采集次数的编号，Y＝1、2、3、4……N，Y为正整数，震动幅度/>的计算公式为：
式中GF表示金属应变片12的应变系数，同样能够通过厂家提供的产品手册得到并进行预设。
当数据处理模块4采集到N个震动幅度后，根据这N个时间点的震动幅度生成对应时间段TX内的平均震动幅度，平均震动幅度用于表示对应时间段TX内所发生震动的平均水平，当平均震动幅度较高时，设备可能处于大功率运作状态，也可能内部零件发生松动导致设备随机振动增强，当平均震动幅度较低时，设备可能处于低功率运作、或是休眠等状态，所述数据处理模块4根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的平均震动幅度标定为X表示时间段的编号，平均震动幅度/>的计算公式为：
并将平均震动幅度发送到综合处理模块5。
所述综合处理模块5同样基于STM32F429系列芯片核心处理器与控制器构成并与监测平台6电性连接，内部存储有离散阈值SC，所述综合处理模块5用于根据平均震动幅度生成对应时间段内的震动阈值和离散量，并根据震动阈值生成离散阈值，震动阈值用于作为该时间段内震动幅度的范围标准，离散量用于表示该时间段内待测设备的震动状况，离散量阈值的生成逻辑为：
综合处理模块根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的震动阈值标定为ACX，X表示时间段的编号，震动阈值ACX的计算公式为：
式中ACX +、ACX -分别表示震动阈值ACX的上下限，δ表示波动系数，δ的值由使用者进行设定，当震动幅度处于震动阈值ACX的上下限之间时，认为待测设备处于一个正常的震动情况中。
综合处理模块根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的离散量阈值标定为SCX，X表示时间段的编号，离散量阈值SCX的计算公式为：
离散量阈值SCX表示待测设备在该时间段内处于正常震动情况下离散量的最大值，用于作为离散量的标准，与离散量进行比对从而判定设备的工作状态，离散量SX能够反映出对应时间段TX内设备的震动幅度比较于对应时间段TX内平均震动幅度/>的波动情况，当设备在该时间段TX内发生多次异常震动，便会使得离散量SX增加，若是只在短时间内发生偶尔的异常震动，可能是由于使用者不小心撞到待测设备，或是电压波动等情况导致，对该时间段TX内的离散量SX影响较小，从而减少误报的情况，能够更加准确地表示该时间段内待测设备的工作状况，综合处理模块5将离散阈值SC和离散量发送到监测平台6，所述综合处理模块5能够根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的离散量标定为SX，X表示时间段的编号，离散量SX的计算公式为：
所述监测平台6为PC电脑，与数据存储模块7电性连接，用于显示平均震动幅度、离散量和离散阈值SC的数据，并将离散量和离散阈值SC进行比对来判定待测设备是否正常工作，当离散量SX＞离散量阈值SCX时，则表明在该时间段内，待测设备的震动幅度AY X多次超出震动阈值ACX的上下限，待测设备的震动情况出现异常，对使用者进行警报，所述数据存储模块7为硬盘等存储设备，用于对平均震动幅度、离散量和离散阈值SC进行存储。
上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于，包括：
震动采集模块(1)，所述震动采集模块(1)包括金属应变片(12)和温度传感器(13)，所述金属应变片(12)和微控制器(14)电性连接，用于在产生纵向震动时自身产生形变，所述温度传感器(13)和微控制器(14)电性连接，用于对金属应变片(12)所处环境的实时温度进行检测，所述微控制器(14)用于采集多个时间点上金属应变片(12)的实时阻值和温度传感器(13)测量的温度值；
数据传输模块(2)，所述数据传输模块包括射频芯片(21)和天线(22)，所述天线(22)与射频芯片(21)电性连接，所述射频芯片(21)和微控制器(14)电性连接，用于将微控制器(14)采集的数据通过天线(22)以无线信号的形式发出；
RFID读取模块(3)，所述RFID读取模块(3)与射频芯片(21)通讯连接，用于接收并读取射频芯片(21)所发射的无线信号，所述RFID读取模块(3)与数据处理模块(4)电性连接，用于将接收到的金属应变片(12)的实时阻值和所处环境的实时温度发送到数据处理模块(4)进行计算；
数据处理模块(4)，所述数据处理模块(4)与综合处理模块(5)电性连接，用于根据金属应变片的实时阻值和所处环境的实时温度生成该时间点经过温度校正后的震动幅度，再根据每个时间段内各个时间点的震动幅度生成对应时间段内的平均震动幅度，并将平均震动幅度发送到综合处理模块(5)；
综合处理模块(5)，所述综合处理模块(5)与监测平台(6)电性连接，用于根据平均震动幅度生成对应时间段内的震动阈值和离散量，并根据震动阈值生成离散阈值，震动阈值用于作为该时间段内震动幅度的范围标准，离散量用于表示该时间段内待测设备的震动状况，离散阈值用于作为离散量的标准，与离散量进行比对从而判定设备的工作状态，计算完成后综合处理模块(5)将离散阈值和离散量发送到监测平台(6)；
监测平台(6)，所述监测平台(6)与数据存储模块(7)电性连接，用于显示平均震动幅度、离散量和离散阈值的数据，并将离散量和离散阈值进行比对来判定待测设备是否正常工作，当离散量大于离散阈值时进行警报；
数据存储模块(7)，所述数据存储模块(7)用于对平均震动幅度、离散量和离散阈值进行存储。
2.根据权利要求1所述的一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于：所述震动幅度的生成逻辑为：
数据处理模块(4)将监测的时间分为多个相同时间段，并标定为TX，X表示时间段的编号，X＝1、2、3、4……X，X为正整数，每个时间段内的数据采集次数为N次，且每个采集点间隔的时间相同；
将金属应变片(12)单次采集的实时阻值标定为温度传感器(13)单次采集的实时温度标定为/>X表示时间段的编号，Y表示对应时间段TX内数据采集次数的编号，Y＝1、2、3、4……N，Y为正整数；
根据实时阻值计算总的阻值变化量并标定为/>根据实时温度/>来计算温度造成的阻值变化量并标定为/>X表示时间段的编号，Y表示对应时间段TX内数据采集次数的编号，计算公式为：
式中R0表示金属应变片(12)的标准阻值，T0表示金属应变片(12)的标准温度，α表示金属应变片(12)的温度系数；
根据计算出对应时间点的震动幅度，并将该时间点的震动幅度标定为X表示时间段的编号，Y表示对应时间段TX内数据采集次数的编号，震动幅度/>的计算公式为：
式中GF表示金属应变片(12)的应变系数。
3.根据权利要求2所述的一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于：所述数据处理模块(4)根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的平均震动幅度标定为X表示时间段的编号，平均震动幅度/>的计算公式为：
4.根据权利要求2所述的一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于：所述综合处理模块(5)根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的离散量标定为Sx，X表示时间段的编号，离散量Sx的计算公式为：
5.根据权利要求2所述的一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于：所述离散量阈值的生成逻辑为：
综合处理模块(5)根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的震动阈值标定为ACX，X表示时间段的编号，震动阈值ACX的计算公式为：
式中ACX +、ACX -分别表示震动阈值ACX的上下限，δ表示波动系数；
综合处理模块(5)根据时间段TX的编号将该时间段TX对应的离散量阈值标定为SCX，X表示时间段的编号，离散量阈值SCX的计算公式为：
当离散量SX＞离散量阈值SCX时，则表明在该时间段内，待测设备的震动幅度多次超出震动阈值ACX的上下限，待测设备的震动情况出现异常。
6.根据权利要求1所述的一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于：所述震动采集模块(1)与数据传输模块(2)集成在同一块集成电路板上，所述集成电路板的外部还设有壳体(16)用于提供安装和保护。
7.根据权利要求6所述的一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于：所述集成电路板还包括支架(11)和电池(15)，所述支架(11)一端与集成电路板固定连接，另一端与金属应变片(12)的中部固定连接，用于为金属应变片(12)提供支撑，所述电池(15)与微控制器(14)和射频芯片(21)电性连接，用于对微控制器(14)和射频芯片(21)进行供电。
8.根据权利要求6任一项所述的一种用于震动监测的RFID传感器，其特征在于：所述天线(22)采用金属线天线，金属线天线由平行金属线均匀的印制在集成电路板表面构成。
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