專利名稱：旋轉機械多點無線應力采集方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線應力采集方法與裝置，特別是一種旋轉機械的多點無線應力 采集方法與裝置，適用于對多處應力信號的實時同步采集，不同信號可有不同的采樣頻率， 并可根據(jù)應力信號變化率調整其采樣頻率。
背景技術：
目前，普通的旋轉機械應力采集系統(tǒng)多使用單個無線應力傳感器節(jié)點，安裝于軸 上需采集應力處，與應變片相連，并通過無線信號將應力值傳送到接收點，接收點與工控機 相連。這種單點采集系統(tǒng)難以適用于多軸、多組件復雜系統(tǒng)中多處應力信號的同步采集；且 其所使用無線頻段多為低頻段，易受現(xiàn)場環(huán)境中的電磁干擾，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托?轉機械應力采集的效果。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是針對已有技術存在的問題，提供一種可實時同步采集 多處應力信號、抗干擾能力強、功耗低、穩(wěn)定性強，維護方便的多點無線應力采集方法和裝置。技術方案本發(fā)明的旋轉機械多點無線應力采集方法是將若干無線應力傳感器 節(jié)點固定于旋轉機械軸系的需采集應力處，與應變片連接，無線應力傳感器節(jié)點與一個無 線接入點組成星型網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，接入點通過USB接口連接工控機，網(wǎng)絡基于IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議構建，采用動態(tài)時分多址媒體接入?yún)f(xié)議，具體采集與傳輸工作過程為 接入點根據(jù)各應力信號變化率設定采樣頻率、時分多址媒體接入?yún)f(xié)議中時隙大小、數(shù)目和 分配方案，設定時鐘同步，啟動傳感器節(jié)點按照時隙分配方案進行應力信號采集與傳輸，接 入點將接收的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到工控機，并根據(jù)各應力信號變化率調整其各自采樣 頻率。動態(tài)時分多址媒體接入?yún)f(xié)議遵循如下步驟1)無線接入點設定各傳感器節(jié)點的采樣頻率根據(jù)各傳感器應力信號變化率設 定對應傳感器采樣頻率，應力信號變化越快，相應采樣頻率越高；2)無線接入點根據(jù)工作環(huán)境的干擾強度、數(shù)據(jù)傳輸量、傳感器采樣頻率設定時隙 大小，根據(jù)傳感器節(jié)點數(shù)量以及傳感器節(jié)點采樣頻率設定時隙數(shù)量及其分配方案；當所有 時隙傳輸完畢，為一個系統(tǒng)傳輸周期；設一個傳輸周期內，第i個傳感器節(jié)點可使用Hi個時 隙，則
PN = Y^ni ^n0
/=1其中，N為所設定的時隙數(shù)量，ρ為傳感器節(jié)點數(shù)量，n0為用于其它網(wǎng)絡控制命令 傳輸?shù)臅r隙數(shù)，3)無線接入點將時隙分配方案通知各傳感器節(jié)點，并同時設定時鐘同步，啟動一個傳輸周期；4)各傳感器節(jié)點按時隙分配方案將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇尤朦c，完成一個系統(tǒng)傳輸 周期，回到步驟1)。本發(fā)明的旋轉機械多點無線應力采集裝置包括若干無線應力傳感器節(jié)點和一個 無線接入點，無線應力傳感器節(jié)點固定在旋轉機械軸系上若干需采集應力信號處，無線接 入點通過USB接口連接工控機，無線應力傳感器節(jié)點和無線接入點均采用2. 4GHz無線收發(fā) 芯片，該芯片采用IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議和權利要求2中所述的動態(tài)時分多址媒體接 入?yún)f(xié)議。所述的無線應力傳感器節(jié)點由應變橋路模塊、信號調理電路、MCU控制器、基于 IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的2. 4GHz無線收發(fā)芯片、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成， 應變橋路模塊連接信號調理電路，MCU控制器和信號調理電路、無線收發(fā)芯片連接，無線收 發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU控制器連接，電源模塊與信號調理電路、MCU 控制器、無線收發(fā)芯片和時鐘芯片連接。所述的無線接入點由MCU控制器、基于IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的2. 4GHz無線 收發(fā)芯片、PCB天線、USB接口電路、時鐘芯片與電源模塊構成，MCU控制器與無線收發(fā)芯片 和USB接口電路連接，無線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU控制器連接， 電源模塊與MCU控制器、無線收發(fā)芯片和時鐘芯片連接。有益效果本發(fā)明基于星型拓撲結構設計的動態(tài)時分多址協(xié)議，實現(xiàn)針對旋轉機 械應力信號的多點實時同步采集；無線接入點可根據(jù)所采集到的信號，自動調整傳感器節(jié) 點的采樣頻率，不同信號可有不同的采樣頻率，保證采樣效果的同時，降低了功耗；本發(fā)明 基于IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的無線技術，采用2. 4GHz無線頻段，開發(fā)了無線傳感器節(jié) 點和無線接入點，抗干擾能力強，傳輸距離適中，功耗低；本發(fā)明裝置結構簡單，穩(wěn)定性強， 可靠性高，安裝、維護方便，成本低，靈敏度高。


圖1是本發(fā)明的結構原理示意圖；圖2是本發(fā)明的多點無線應力采集方法流程示意圖；圖3是本發(fā)明的無線應力傳感器節(jié)點結構原理圖；圖4是本發(fā)明的無線接入點的結構原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明的多點無線應力采集裝置由若干無線應力傳感器節(jié)點、一個無線接入點和 工控機構成，其中傳感器節(jié)點安裝于旋轉機械軸系上若干應力信號采集處，接入點通過USB 連接工控機。無線傳感器節(jié)點與無線接入點組成星型網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡基于IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議構建，采用2. 4GHz無線收發(fā)芯片和動態(tài)時分多址媒體接入?yún)f(xié)議，無線 傳感器節(jié)點采集的應力信號最終通過無線接入點傳送到工控機。所述的無線應力傳感器節(jié)點由應變橋路模塊、信號調理電路、MCU控制器、基于 IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的2. 4GHz無線收發(fā)芯片、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成， 應變橋路模塊連接信號調理電路，MCU控制器與信號調理電路、無線收發(fā)芯片連接，無線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU控制器連接，電源模塊與信號調理電路、MCU 控制器、無線收發(fā)芯片和時鐘芯片連接。所述的無線接入點由MCU控制器、基于IEEE 802. 15. 4物理層的2. 4GHz無線收發(fā) 芯片、PCB天線、USB接口電路、時鐘芯片與電源模塊構成，MCU控制器與無線收發(fā)芯片和USB 接口電路連接，無線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU控制器連接，電源模 塊與MCU控制器、無線收發(fā)芯片和時鐘芯片連接。旋轉機械多點無線應力采集的方法是由傳感器節(jié)點采集應力信號，傳感器節(jié)點 與接入點之間通過2. 4GHz無線通訊通道連接，構成星型網(wǎng)絡拓撲結構，其中接入點為主節(jié) 點；傳感器節(jié)點與接入點之間的數(shù)據(jù)傳輸遵循如下動態(tài)時分多址媒體接入?yún)f(xié)議1、設定各傳感器節(jié)點的采樣頻率根據(jù)第i個傳感器應力信號變化率設定對應傳 感器采樣頻率^，應力信號變化越快，相應采樣頻率越高；2、接入點根據(jù)工作環(huán)境的干擾強度、數(shù)據(jù)傳輸量、傳感器采樣頻率等設定時隙大 小τ，根據(jù)傳感器節(jié)點數(shù)量以及傳感器節(jié)點采樣頻率設定時隙數(shù)量及其分配方案，即哪一 個傳感器節(jié)點可在哪些時隙進行數(shù)據(jù)傳輸。當所有時隙傳輸完畢，為一個系統(tǒng)傳輸周期，記 為Τ，則T = Nt0設一個傳輸周期T內，第i個傳感器節(jié)點可使用Iii個時隙，則 N = +/I0,其中，N為所設定的時隙數(shù)量，ρ為傳感器節(jié)點數(shù)量，n0為用于其它網(wǎng)絡控制命令 傳輸?shù)臅r隙數(shù)，如時鐘同步等；3、將時隙分配方案通知各傳感器節(jié)點，并同時設定時鐘同步，啟動一個傳輸周 期；4、各傳感器節(jié)點按時隙分配方案將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇尤朦c，完成一個系統(tǒng)傳輸 周期；5、回到步驟1。下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步的說明圖1所示，對發(fā)電機組等旋轉機械多點應力采集裝置的實施例方框圖，它由四個 無線應力傳感器節(jié)點、一個無線接入點和工控機構成，無線應力傳感器節(jié)點固定在旋轉機 械軸系上四處需采集應力信號處，與應變片相連，無線傳感器節(jié)點與無線接入點組成星型 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡基于IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的2. 4GHz無線收發(fā)芯片和動態(tài)時 分多址媒體接入?yún)f(xié)議構建，無線接入點通過USB接口連接工控機，附圖2為多點無線應力采集方法流程，首先無線接入點設定采樣頻率、時隙大小、 時隙數(shù)量以及分配方案；然后進行時鐘同步并啟動一個傳輸周期，傳感器節(jié)點開始按照時 隙分配方案采集并傳輸應力數(shù)據(jù)；接入點接收信息并進行預處理，判斷應力變化率的改變 程度，并由此重新設定采樣頻率；接入點接受的數(shù)據(jù)最終通過USB接口傳送到工控機。在圖3中，無線應力傳感器節(jié)點由應變橋路模塊、信號調理電路、MCU控制器、基于 IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的2. 4GHz無線收發(fā)芯片、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成， 應變橋路模塊連接信號調理電路，MCU控制器與信號調理電路、無線收發(fā)芯片連接，無線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU控制器連接，電源模塊與信號調理電路、MCU 控制器、無線收發(fā)芯片和時鐘芯片連接。應變橋路模塊有四片應變片組成，構成全橋電路。 信號調理電路由濾波放大電路和零漂調節(jié)模塊構成，將應變橋路輸出的電壓信號轉換成標 準信號輸入MCU控制器。MCU控制器選用MSP430F1611低功耗芯片，該芯片集成8通道12位 A/D轉換器、48KB的Flash、IOKB的RAM。時鐘芯片選擇X1226，用于定時喚醒MCU控制器采 集應力信息。2. 4GHz無線收發(fā)芯片選擇MC13213低壓低功耗芯片，該芯片用于將MCU控制 器采集的應力數(shù)據(jù)通過PCB天線發(fā)送到無線接入點，其通訊速率為250kbps，傳輸距離IOOm 以上，該芯片提供的簡單媒體接入?yún)f(xié)議便于二次開發(fā)。電源模塊由鋰電池與TPS65010電源 管理芯片構成，為信號調理電路、MCU控制器、時鐘芯片和2. 4GHz無線收發(fā)芯片提供3. 3V穩(wěn) 壓電源。 在圖4中，無線接入點由MCU控制器、基于IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的2. 4GHz 無線收發(fā)芯片、PCB天線、USB接口電路、時鐘芯片與電源模塊構成，MCU控制器與無線收發(fā) 芯片和USB接口電路連接，無線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU控制器連 接，電源模塊與MCU控制器、無線收發(fā)芯片和時鐘芯片連接。USB接口電路由協(xié)議轉換芯片 FT232BM與相應外圍電路構成，用于工控機與無線接入點的連接，以便數(shù)據(jù)存儲與分析。其 他部分選型與傳感器節(jié)點相同。
權利要求
一種旋轉機械多點無線應力采集方法，其特征在于將若干無線應力傳感器節(jié)點固定于旋轉機械軸系的需采集應力處，與應變片連接，無線應力傳感器節(jié)點與一個無線接入點組成星型網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，接入點通過USB接口連接工控機，網(wǎng)絡基于IEEE 802.15.4物理層協(xié)議構建，采用動態(tài)時分多址媒體接入?yún)f(xié)議，具體采集與傳輸工作過程為接入點根據(jù)各應力信號變化率設定采樣頻率、時分多址媒體接入?yún)f(xié)議中時隙大小、數(shù)目和分配方案，設定時鐘同步，啟動傳感器節(jié)點按照時隙分配方案進行應力信號采集與傳輸，接入點將接收的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到工控機，并根據(jù)各應力信號變化率調整其各自采樣頻率。
2.根據(jù)權利要求1所述的旋轉機械多點無線應力采集方法，其特征在于動態(tài)時分多 址媒體接入?yún)f(xié)議遵循如下步驟1)無線接入點設定各傳感器節(jié)點的采樣頻率根據(jù)各傳感器應力信號變化率設定對 應傳感器采樣頻率，應力信號變化越快，相應采樣頻率越高；2)無線接入點根據(jù)工作環(huán)境的干擾強度、數(shù)據(jù)傳輸量、傳感器采樣頻率設定時隙大小， 根據(jù)傳感器節(jié)點數(shù)量以及傳感器節(jié)點采樣頻率設定時隙數(shù)量及其分配方案；當所有時隙傳 輸完畢，為一個系統(tǒng)傳輸周期；設一個傳輸周期內，第i個傳感器節(jié)點可使用Hi個時隙，則
3.一種旋轉機械多點無線應力采集裝置，其特征在于該裝置包括若干無線應力傳感 器節(jié)點和一個無線接入點，無線應力傳感器節(jié)點固定在旋轉機械軸系上若干需采集應力 信號處，無線接入點通過USB接口連接工控機，無線應力傳感器節(jié)點和無線接入點均采用 2. 4GHz無線收發(fā)芯片，該芯片采用IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議和權利要求2中所述的動態(tài) 時分多址媒體接入?yún)f(xié)議。
4.根據(jù)權利要求3所述的旋轉機械多點無線應力采集裝置，其特征在于所述的無線 應力傳感器節(jié)點由應變橋路模塊、信號調理電路、MCU控制器、基于IEEE802. 15. 4物理層協(xié) 議的2. 4GHz無線收發(fā)芯片、PCB天線、時鐘芯片與電源模塊構成，應變橋路模塊連接信號調 理電路，MCU控制器和信號調理電路、無線收發(fā)芯片連接，無線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線 連接，時鐘芯片與MCU控制器連接，電源模塊與信號調理電路、MCU控制器、無線收發(fā)芯片和 時鐘芯片連接。
5.根據(jù)權利要求3所述的旋轉機械多點無線應力采集裝置，其特征在于所述的無線 接入點由MCU控制器、基于IEEE 802. 15. 4物理層協(xié)議的2. 4GHz無線收發(fā)芯片、PCB天線、 USB接口電路、時鐘芯片與電源模塊構成，MCU控制器與無線收發(fā)芯片和USB接口電路連接， 無線收發(fā)芯片輸出端與PCB天線連接，時鐘芯片與MCU控制器連接，電源模塊與MCU控制 器、無線收發(fā)芯片和時鐘芯片連接。全文摘要
一種旋轉機械多點無線應力采集方法與裝置，若干無線應力傳感器節(jié)點固定于旋轉機械軸系等需采集應力處，與應變片連接，傳感器節(jié)點與一個無線接入點組成星型網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，接入點通過USB接口連接工控機，網(wǎng)絡基于IEEE 802.15.4物理層構建，采用動態(tài)時分多址媒體接入?yún)f(xié)議，其工作過程為系統(tǒng)初始化，根據(jù)各應力信號變化率設定采樣頻率、時隙大小、數(shù)目和分配方案，設定時鐘同步，啟動傳感器節(jié)點進行應力信號采集傳輸，接入點將接收的數(shù)據(jù)傳送至工控機，并根據(jù)各應力信號變化率調整其各自采樣頻率。其優(yōu)點是結構簡單、功耗低、抗干擾能力強，各傳感器節(jié)點可有不同采樣頻率并可實時調整，可實現(xiàn)對多處應力信號的實時同步采集。
文檔編號H04J3/06GK101982810SQ20101027897
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權日2010年9月10日
發(fā)明者吳瑕, 張蕾, 朱真才, 李偉, 王重秋, 陳光柱 申請人:中國礦業(yè)大學