專利名稱：一種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器領(lǐng)域，特別是一種機械振動監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
背景技術(shù)：
機械裝備特別是大型關(guān)鍵裝備的可靠性、可用性、安全性和可維護性關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率和人民的生命財產(chǎn)安全。為了能夠預(yù)防機械設(shè)備故障，越來越多的工業(yè)企業(yè)采用機械振動監(jiān)測系統(tǒng)對關(guān)鍵設(shè)備進行監(jiān)測，國內(nèi)外已先后推出過多種機械振動監(jiān)測系統(tǒng)，在一定的程度上保證了關(guān)鍵機械設(shè)備的安全和穩(wěn)定運行。現(xiàn)有成熟的機械振動監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)采用有線方式連接傳感器、信號調(diào)理設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，這種數(shù)據(jù)獲取方式存在連線較多、布線復(fù)雜、電纜易于損毀、成本高、可維護性差、缺少靈活性等缺點，對于大量移動和旋轉(zhuǎn)的設(shè)備或部件，有線連接方式更難以有效完成監(jiān)測任務(wù)。采用新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)監(jiān)測模式來構(gòu)建無線、分布式機械振動監(jiān)測系統(tǒng)可以彌補傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)的不足。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有易于部署、擴展靈活和易于維護等特點，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以將機械振動信號測點聯(lián)網(wǎng)，使機械裝備和監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合成為一個整體，構(gòu)成智能裝備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。經(jīng)出現(xiàn)的一些無線振動監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要是針對橋梁、高樓等一些大型的建筑結(jié)構(gòu)的低頻振動進行監(jiān)測，對于機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其節(jié)點的研究還較少有成果報道。已出現(xiàn)的一些機械振動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，大多直接采用現(xiàn)有的通用無線傳感器節(jié)點或?qū)ζ溥M行模仿，而這些通用節(jié)點不是專門針對機械振動監(jiān)測而開發(fā)，因而存在著以下亟待解決的問題
I、現(xiàn)有的大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及其節(jié)點大多數(shù)對同步精度要求不高甚至不要求多節(jié)點同步采集，而機械振動數(shù)據(jù)采集往往需要多個測點同步進行數(shù)據(jù)采集，要求節(jié)點具有高精度低功耗的時間同步協(xié)議和同步采集方法。2、現(xiàn)有節(jié)點大多數(shù)針對少量數(shù)據(jù)的采集與傳輸，而機械振動監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往需要將較大的原始數(shù)據(jù)塊向上級網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳輸過程中哪怕丟失一個片段都可能對分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響，因此必須解決大量數(shù)據(jù)在低功耗無線網(wǎng)絡(luò)中可靠傳輸?shù)膯栴}。3、現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大多數(shù)沒有配備振動信號傳感器或配備的傳感器頻帶較窄200Hz)，只能滿足橋梁、建筑物等低頻結(jié)構(gòu)振動信號的拾取，不能用于頻率相對較高的機械振動信號拾取。4、現(xiàn)有的節(jié)點絕大多數(shù)數(shù)據(jù)存儲空間較小、數(shù)據(jù)存取速度較慢。高速高精度數(shù)據(jù)采集必然在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，在連續(xù)數(shù)據(jù)采集過程中，存儲空間較小容易造成存儲溢出而丟失數(shù)據(jù)，存儲系統(tǒng)寫入速度過慢容易造成數(shù)據(jù)無法及時緩存而丟失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，它為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于機械振動監(jiān)測提供了基礎(chǔ)的硬件平臺。
本發(fā)明的目的是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的，它包括有加速傳感器、處理器I、處理器II、采集模塊、電源模塊和存儲模塊，加速傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與采集模塊相連，采集模塊對數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器I，處理器I將數(shù)據(jù)存儲在存儲模塊中，并對數(shù)據(jù)進行處理，處理器I與處理器II進行數(shù)據(jù)交互，處理器II負責無線通訊協(xié)議的運行，完成節(jié)點自組網(wǎng)、時間同步和數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，電源模塊為處理器I、處理器II和存儲模塊供電。進一步，處理器I采用ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器STM32f 103，處理器I和處理器II板對板連接器插接，進行串口通信。進一步，所述采集模塊包括有程控放大器、抗混疊濾波器和16位AD轉(zhuǎn)換器，加速傳感器采集到的數(shù)據(jù)依次通過程控放大器、抗混疊濾波器和16位AD轉(zhuǎn)換器處理后通過SPI接口發(fā)送至處理器I。進一步，所述存儲模塊包括有Micro SD卡和小容量Flash單元。進一步，處理器I通過高速SDIO接口訪問Micro SD卡，通過SPI接口訪問小容量Flash單兀。進一步，所述處理器II采用CC2430低功耗射頻收發(fā)芯片，在芯片上集成有微處理器 8051。進一步，所述加速傳感器采用ADI公司的高性能低功耗MEMS測振加速度傳感器ADXL001-70g。進一步，所述電源模塊包括有充電電路、鋰電池和電源管理單元，通過充電電路為鋰電池充電，鋰電池通過電源管理單元輸出電源，電源管理單元的供電模式分為休眠模式和工作模式。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點
I、本發(fā)明采用低功耗的處理器I、處理器II和加速傳感器，支持多節(jié)點同步采集，處理器II提供了高精度低功耗的時間同步協(xié)議和同步采集方法；電源模塊分為兩種工作模式，在沒有工作任務(wù)時，處理休眠模式，有效降低消耗，提高使用時間。2、處理器II采用CC2430低功耗射頻收發(fā)芯片，在芯片上集成有微處理器8051，處理器II獨立負責無線傳輸，能夠滿足機械振動監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要將較大的原始數(shù)據(jù)塊向上級網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?，解決了大量數(shù)據(jù)在低功耗無線網(wǎng)絡(luò)中可靠傳輸?shù)膯栴}；
3、ADI公司的高性能低功耗MEMS測振加速度傳感器ADXL001-70g可以用于頻率相對較高的機械振動信號拾??；
4、本發(fā)明獨立配備有存儲模塊，通過SDIO高速接口完成與處理器I的數(shù)據(jù)交互，保證了數(shù)據(jù)存儲的效率和可靠性。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實現(xiàn)和獲得。


本發(fā)明的

如下。圖I為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為處理器I和處理器II的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，硬件由加速傳感器、處理器I、處理器II、采集模塊、電源模塊和存儲模塊組成。軟件部份為嵌入式實時操作系統(tǒng)。節(jié)點采用雙處理器架構(gòu)，處理器I負責數(shù)據(jù)采集、存儲和處理，處理器II負責無線通訊協(xié)議的運行，完成節(jié)點自組網(wǎng)、時間同步、數(shù)據(jù)收發(fā)等任務(wù)。處理器I和處理器II之間通過板對板連接器插接，兩個控制核心各司其職又分工協(xié)作，增強了節(jié)點的整體性能又能減小軟硬件模塊間的耦合性，方便硬件模塊的互換與升級。加速傳感器選用新型MEMS加速度傳感器來拾取振動加速度信號，無需復(fù)雜信號調(diào)理電路并可以有效減小節(jié)點的體積和功耗。采集模塊由獨立的16bit低功耗A/D轉(zhuǎn)換器搭配低功耗軌對軌程控放大器組成，以滿足機械振動數(shù)據(jù)的精確采集要求。存儲系統(tǒng)則以2GB容量的Micro SD存儲卡為介質(zhì)，通過處理器I的高速SDIO接口進行訪問，可以滿足機械振動監(jiān)測中大量數(shù)據(jù)高速實時存取的要求。處理器II為無線通信模塊，采用CC2430低功耗射頻收發(fā)芯片，它工作于免費的2. 4GHz頻段并支持低功耗低復(fù)雜度的IEEE802. 15. 4協(xié)議，片上集成有增強型微處理器8051，可以運行網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議實現(xiàn)靈活的自組織網(wǎng)絡(luò)。電源模塊則采用動態(tài)能耗管理、高效率DC-DC電路和充電電路配上大容量可充鋰電池。處理器I采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器STM32H03，負責振動信號的采集存儲和片上處理，并與處理器II進行串口通訊。STM32H03單片機具有功能豐富的外圍接口，本發(fā)明應(yīng)用了兩個SPI接口分別用來控制程控放大器和A/D采集芯片，一個SDIO接口用來訪問Micro SD卡來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存取，兩個串口模塊分別用來調(diào)試和與無線模塊的通訊，以及多個IO接口來協(xié)調(diào)完成節(jié)點的功能。本發(fā)明的存儲系統(tǒng)以Micro SD為主要介質(zhì)，采用處理器的SDIO接口以4bit DMA的方式高速讀寫，較傳統(tǒng)單片機采用SPI接口訪問SD卡速度要快上許多。在設(shè)計中采用了PMOS管對SD卡的電源實行了動態(tài)管理，在節(jié)點休眠或者長時間無數(shù)據(jù)讀取時斷開SD卡的電源，以減少能耗，也可以在SD卡出錯時重新將其上電初始化而不需人工插拔SD卡。為了方便SD卡的文件管理，節(jié)點上移植了兼容FAT32的Fatfs嵌入式文件系統(tǒng)，方便了數(shù)據(jù)的讀寫操作和文件的管理。加速傳感器與采集模塊則主要完成振動信號拾取功能。加速傳感器采用了 ADI公司的高性能低功耗MEMS測振加速度傳感器ADXL001-70g，具有±70g的測振范圍，并具有22kHz的帶寬，適合于機械振動傳感器網(wǎng)絡(luò)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。節(jié)點選擇了低功耗軌對軌程控放大器PGA113對傳感器的輸出信號進行調(diào)理，它具有1、2、5、10、20、50等可選放大增益，通過3線半雙工SPI接口進行控制，將信號調(diào)理至合適的A/D采集范圍。采集模塊則采用16bit高分辨率的獨立A/D轉(zhuǎn)換器ADS8344，其具有最大IOOKHz的采樣頻率，受限于傳感器帶寬、SD卡的存儲速率和處理器性能，節(jié)點設(shè)計的最高采樣頻率為20KHz，采用SPI接口與處理器進行數(shù)據(jù)交換。節(jié)點采用了低功耗帶隙電壓參考源LM385-2. 5為A/D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓，對該模塊同樣采用了動態(tài)電壓管理方案，當節(jié)點處于低功耗模式時則給該模塊斷電。本發(fā)明的處理器II采用支持IEEE802. 15. 4協(xié)議規(guī)范的低功耗無線射頻通訊芯片CC2430，它集成了一個增強型8051微處理器內(nèi)核和一個工作于2. 4GHz頻段的無線收發(fā)器。與一些采用單個微處理器外加無線收發(fā)器設(shè)計的節(jié)點相比，這種無線收發(fā)和處理一體化的無線通訊芯片可以獨立運行通訊協(xié)議，將它作為一個相對獨立自治的整體集成到節(jié)點上，形成雙處理器架構(gòu)，減輕了主處理器的負擔，也增強了節(jié)點硬件模塊搭配組合的靈活性。本發(fā)明的電源模塊則采用了開關(guān)穩(wěn)壓電路和線性穩(wěn)壓器件組合的混合供電方案，這種互補的設(shè)計保證了較高的電源轉(zhuǎn)換效率及兼顧了敏感電路對電源質(zhì)量的要求。數(shù)字電路部分工作電流較大但對噪聲不敏感，采用開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片供電，保證了電源的高效率；傳感器和放大器等模擬電路要求電源紋波小，故采用低壓差線性穩(wěn)壓器件為其供電，由于這部分電路工作電流小，所以能量損耗也較小。節(jié)點采用了集成保護電路板的鋰聚合物電池，保護電路可以保護電芯免受過充、過放和短路造成損傷和爆炸等危險。板載USB接口通過TP4055鋰電池充電芯片向電池充電，瞬態(tài)抑制二極管PS0T05用來吸收USB線上可能引入的靜電沖擊以保護板上芯片。鋰電池通過開關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片RT8008-33為數(shù)字電路提供3. 3V的穩(wěn)壓電源，通過超低壓差線性穩(wěn)壓器件HT7133為模擬電路部分提供3. 3V的低噪聲穩(wěn)壓電源。本發(fā)明采用經(jīng)過裁剪定制的小型嵌入式實時操作系統(tǒng)U C/0S-II來協(xié)調(diào)管理節(jié)點的各種任務(wù)，并為節(jié)點開發(fā)了大量外設(shè)硬件打交道的底層驅(qū)動程序，包括AD轉(zhuǎn)換器、定時器、串口通信、SD卡讀寫和無線通信。同時，在節(jié)點實時操作系統(tǒng)定制了如命令交互與解析、時間同步、數(shù)據(jù)采集存儲、數(shù)據(jù)實時處理和網(wǎng)絡(luò)通信管理等應(yīng)用程序。本發(fā)明具有兩個處理器核心負責數(shù)據(jù)采集、處理和存儲等任務(wù)的處理器I和負責無線通訊任務(wù)的處理器
II。處理器I和處理器II各司其職又分工協(xié)作，通過串口來交換命令和數(shù)據(jù)，節(jié)點的軟件總體架構(gòu)如圖2所示，各軟件模塊采用松散耦合的原則設(shè)計以方便各功能模塊的維護和升級。本發(fā)明具體工作流程如下
I)首先通過開關(guān)給系統(tǒng)上電，初始化處理器I和處理器II，初始化完成后進入主任務(wù)，等待網(wǎng)絡(luò)模塊完成節(jié)點的組網(wǎng)。當所有節(jié)點組網(wǎng)燈熄滅后表示節(jié)點組網(wǎng)成功，形成自組織網(wǎng)絡(luò)，準備接受網(wǎng)絡(luò)模塊傳來的任務(wù)指令，如果一段時間內(nèi)沒接收到任何任務(wù)指令，則節(jié)點進入睡眠模式以降低節(jié)點的能耗。2)上位機通過處理器II向節(jié)點發(fā)送采集指令，節(jié)點收到采集命令后，處理器I配置程控放大器和AD轉(zhuǎn)換器，然后開始對機械振動信號的采集和轉(zhuǎn)換。此時從傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過程控放大和抗混疊低通濾波器后，輸入到節(jié)點的AD轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。3)節(jié)點采用雙緩存技術(shù)將AD轉(zhuǎn)換器采集的原始數(shù)據(jù)直接保存到Micro SD卡，等待整個采集任務(wù)的完成。4)處理器I從SD卡中讀取采集到的原始振動信號進行片上處理，將處理后的數(shù)據(jù)重新存儲到SD卡中，并通過串口傳輸給無線模塊。處理器II將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點最后將數(shù)據(jù)上傳至上位機。5)上位機可以對節(jié)點進行功能選擇，如果沒有采集或者其他任務(wù)則發(fā)送休眠命令，令節(jié)點處于低功耗狀態(tài)。上位機中可以對剛傳輸上來的機械振動數(shù)據(jù)進行分析，如果分析出機械設(shè)備發(fā)生了故障則發(fā)送完整數(shù)據(jù)傳輸命令，節(jié)點則將原始數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行進一步的信號分析 最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于它包括有加速傳感器、處理器I、處理器II、采集模塊、電源模塊和存儲模塊，加速傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與采集模塊相連，采集模塊對數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器I，處理器I將數(shù)據(jù)存儲在存儲模塊中，并對數(shù)據(jù)進行處理，處理器I與處理器II進行數(shù)據(jù)交互，處理器II負責無線通訊協(xié)議的運行，完成節(jié)點自組網(wǎng)、時間同步和數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，電源模塊為處理器I、處理器II和存儲模塊供電。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于處理器I采用ARM Cortex-M3內(nèi)核微處理器STM32fl03，處理器I和處理器II板對板連接器插接，進行串ロ通信。
3.如權(quán)利要求2所述的ー種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于所述采集模塊包括有程控放大器、抗混疊濾波器和16位AD轉(zhuǎn)換器，加速傳感器采集到的數(shù)據(jù)依次通過程控放大器、抗混疊濾波器和16位AD轉(zhuǎn)換器處理后通過SPI接ロ發(fā)送至處理器I O
4.如權(quán)利要求2所述的ー種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于所述存儲模塊包括有Micro SD卡和小容量Flash單元。
5.如權(quán)利要求4所述的ー種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于處理器I通過高速SDIO接ロ訪問Micro SD卡，通過SPI接ロ訪問小容量Flash單元。
6.如權(quán)利要求I所述的ー種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于所述處理器II采用CC2430低功耗射頻收發(fā)芯片，在芯片上集成有微處理器8051。
7.如權(quán)利要求I所述的ー種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于所述加速傳感器采用ADI公司的高性能低功耗MEMS測振加速度傳感器ADXL001-70g。
8.如權(quán)利要求I所述的ー種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其特征在于所述電源模塊包括有充電電路、鋰電池和電源管理単元，通過充電電路為鋰電池充電，鋰電池通過電源管理単元輸出電源，電源管理単元的供電模式分為休眠模式和工作模式。
全文摘要
一種機械振動監(jiān)測專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，它包括有加速傳感器、處理器Ⅰ、處理器Ⅱ、采集模塊、電源模塊和存儲模塊，加速傳感器的數(shù)據(jù)輸出端與采集模塊相連，采集模塊對數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送至處理器Ⅰ，處理器Ⅰ將數(shù)據(jù)存儲在存儲模塊中，并對數(shù)據(jù)進行處理，處理器Ⅰ與處理器Ⅱ進行數(shù)據(jù)交互，處理器Ⅱ負責無線通訊協(xié)議的運行，完成節(jié)點自組網(wǎng)、時間同步和數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，電源模塊為處理器Ⅰ、處理器Ⅱ和存儲模塊供電。它為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于機械振動監(jiān)測提供了基礎(chǔ)的硬件平臺。
文檔編號H04W84/18GK102982671SQ20121044961
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者湯寶平, 劉四超, 黃慶卿 申請人:重慶大學(xué)