（机械电子工程专业论文）设备状态监测无线集成网络研究及工业应用开发.pdf

摘要 摘要 2 1 世纪全球制造业将通过基于互联网的智能电子维护、在产品整个寿命周 期内提供技术支持，这是提高制造业生产力和产品售后服务等领域达到全球领先 水平的关键。设备状态监测、预诊断、寿命评估、重新建模调度和过程跟踪，以 减少或消除停机时间，是智能电子维护的基础。自2 0 世纪8 0 年代以来形成的“传 感器变送器一仪器仪表一p c 专家系统”的有线集中监测模式几乎一成不变，本论 文率先在国内创建无线集成网络平台，解决设备状态监测节点内的多种传感器混 用、信号调理与数据处理和短程无线数据传输集成技术关键，实现设备状态监测 无线网络化。 本课题在美国罗克韦尔自动化公司的资助下针对w i n s1 结构的分析。搭建 了无线集成网络系统( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks y s t e m ) 的主、从节点。 节点内硬件结构包括传感器模块、微处理器模块、无线数据传输模块、电源模块 和接口。主节点由高档p c 机和无线数据传输装置组成；从节点由p c i 0 4 嵌入式 计算机、数据采集装置、无线数据传输装置组成。从节点内完成设备故障信息的 提取和机器学习算法，并将运算后的设备状态信息通过无线数据传装置传送到主 节点或其它从节点，同时也可以接受来自主节点的优化建模算法和设备状态参数 设置等信息。 本论文重点进行了以下几方面的研究： 1 、深入研究罗克韦尔自动化公司的w i n s1 系统结构。 2 、利用双端口r a m7 2 0 8 开发基于p c i 0 4i s a 总线的数据采集卡。 3 、利用p c i 0 4 嵌入式计算机、数据采集卡和无线数传装置等设备搭建从节 点系统。 4 、制定主、从节点通信协议，并完成通信程序的编写。 5 、利用有效值、峭度、时域平均分析等方法提取设备故障信息，并利用支 持向量机( s v m ) 理论进行机器学习算法研究。 实验系统运行证明了该方法构建无线集成网络系统( w i n s ) 的有效性。 关键词：罗克韦尔自动化节点p c i 0 4 嵌入式计算机无线集成网络系统支 持向量机 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t g l o b a lm a n u f a c t u r ew i l lu s ei n t e l l i g e n te l e c t r o n i cm a i n t e n a n c ea n d p r o v i d et e c h n i q u es u p p o r t i n gd u r i n gt h ew h o l ep r o d u c tl i f e - s p a nb a s e do i l i n t e r n e ti n2 1 s tc e n t u r y ，t h e s ea r et h ek e yt h a tw ei m p r o v em a n u f a c t u r e p r o d u c t i v i t ya n dp r o d u c ta f t e rs e r v i c ef i e l dt oa c h i e v i n gg l o b a lo n e u p s t a t u s e q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n g 、p r e d i a g n o s i s 、l i f ee v a l u a t i o n 、 r e - m o d e l i n gs c h e d u l i n ga n dp r o c e s st r a c kf o rr e d u c i n go re l i m i n a t i n g s t o p p i n gm a c h i n et i m ei st h eb a s eo fi n t e l l i g e n te l e c t r o n i cm a i n t e n a n c e l e n e a t ec e n t r a l i z e dm o n i t o r i n gm o d e lo f “s e n s o r t r a n s 皿i t t e r i n s t r u m e n t p ce x p e r ts y s t e m ”f o r m e ds i n c e1 9 8 0 sa l m o s th a sn o tb e e nc h a n g e d t h e p a p e rt a k et h el e a di nc r e a t i n gw i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r kf l a t ，s o l v i n g e q u i p m e n t c o n d i t i o n m o n i t o r i n g m u l t i s e n s o rm i x e du s e d 、s i g n a l p r o c e s s i n g 、d a t ap r o c e s s i n g 、s h o r td i s t a n c ew i r e l e s sd a t at r a n s m it t i n g i n t e g r a t e dt e c h n i q u ek e y i n n o d e ，a n dr e a li z i n ge q u i p m e n t c o n d i t i o n m o n i t o r i n gw i r e l e s sn e t w o r k t h ep a p e rr e a l i z e sp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t en o d eu n d e rt h ef u n do f a m e r i c a nr o c k w e l la u t o m a t i o nc o r p o r a t i o na n db a s e do nt h ea n a l y s i so fw i n s i c o n f i g u r a t i o n n o d eh a r d w a r es t r u c t u r ei n c l u d e ss e n s o rm o d u l e 、 m i c r o p r o c e s sm o d u l e 、w i r e l e s sd a t at r a n s m i t t i n gm o d u l e 、p o w e rs u p p l y m o d u l ea n di n t e r f a c e p r i n c i p a ln o d ei sc o m p o s e do ft o pg r a d ep ca n d w i r e l e s sd a t at r a n s m i t t i n gd e v i c e s ；s u b o r n i n a t en o d ei sc o m p o s e do fp c l 0 4 e m b e d d e dc o m p u t e r 、d a t aa c q u i s i t i o nb o a r d 、w i r e l e s sd a t at r a n s m i t t i n g d e v i c e s u b o r n i n a t en o d ec o m p l e t ep i c k i n gu pe q u i p m e n tf a u l ti n f o r m a t i o n a n dm a k i n gm a c h i n el e a r n i n ga r i t h m i t i c s ，a n dt r a n s m i t t i n ge q u i p m e n t c o n d i t i o ni n f o r m a t i o no p e r a t e dt op r i n c i p a ln o d eo rt h eo t h e rs u b o r d i n a t e n o d eb yt h ew a yo fw i r e l e s sd a t at r a n s m i t t i n gd e v i c e ，a tt h es a m et i m e ，i t c a nr e c e i v et h ei n f o r m a t i o no fo p t i m i z e dm o d e la r i t h m e t i ca n de q u i p m e n t c o n d i t i o np a r a m e t e rf r o mp r i n c i p a ln o d e t h ep a p e re m p h a s i so ns e v e r a lw o r kd e s c r i b e da s f o l l o w s ： i i a b s 打 a c t 1 、d e e p l y r e s e a r c ht h ew i n sl c o n f i g u r a t i o n o fa m e r i c a nr o c k w e l l a u t o m a t i o nc o r p o r a t i o n 2 、u s i n gd u a lp o r tr a mi d t 7 2 0 8t od e v e l o pd a t aa c q u i s i t i o nb o a r db a s e d o np c i 0 4i s ab u s 3 、u s i n gp c i 0 4e m b e d d e dc o m p u t e r 、d a t aa c q u i s i t i o n b o a r da n dw i r e l e s sd a t a t r a n s m i t t i n gd e v i c ee t ct oc o m p o s es u b o r d i n a t en o t e s y s t e m 4 、d r a w i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e np r i n c i p a ln o d ea n d s u b o r d i n a t e n o d e ，a n di m p l e m e n t i n gc o m m u n i c a t i o np r o g r a m - 5 、u s i n gt h em e t h o do f v i r t u a lv a l u e 、k u r t o s i s 、t i m ed o m a i na v e r a g i n ga n d s oo nt op i c ku pe q u i p m e n tf a u l ti n f o r m a t i o n ，a n dp r o c e s s i n gd a t ab y t h em e t h o do fs v mt h e o r y m ye x p e r i m e n th a sb e e np r o v e dt h a tt h e m e t h o do fc o n s t i t u t i n gw i r e l e s s i n t e g r a t e dn e t w o r ks y s t e m i sr e l i a b l e k e y w o r d s ：r o c k w e l la u t o m a t i o n ，n o d e ，p c i 0 4 e m b e d d e dc o m p u t e r ，w i r e l e s s i n t e g r a t e dn e t w o r ks y s t e m ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 2 l 世纪全球制造业将通过基于互联网的智能电子维护、在产品整个寿命周 期内提供技术支持，这是提高制造业生产力和产品售后服务等领域达到全球领 先水平的关键。设备状态监测、预诊断、寿命评估、重新建模调度和过程跟踪， 以减少或消除停机时间，是智能电子维护的基础。工业先进国家进行研究，每 年有大量论文发表和专利申请，自2 0 世纪8 0 年代以来形成的“传感器变送器 一仪器仪表一p c 专家系统”的有线集中监测模式几乎一成不变。为了克服有线集 中监测模式的缺点，适用基于互联网的前瞻性智能电子维护要求，美国近几年 来在无线集成网络平台、分布式集成网络传感器、洲际远程试验平台、基于心 理学的看门狗代理( w a t c h d o ga g e n t ) 集成电路等新一代核心智能技术方面取 得前瞻性的研究成果。对此我国研究人员和企业也做了长期的研究与开发，但 在有线集中监测系统方面仍是外国公司占据垄断地位，在无线分布式集成监测 网络方面尚未见任何报道。 本论文率先在国内创建无线集成网络平台，解决设备状态监测节点内的多 种传感器混用、信号调理与数据处理和短程无线数据传输集成技术关键，实现 设备状态监测无线网络化。通过基于模型的预诊断算法，按设备健康状态评估 结果重新建模、调度。使设备运行和维护智能化，实现制造业的智能电子维护 互联网服务。该研究提供的无线集成网络，突破目前流行的有线集中监测模式， 不仅有利于制造业制造系统的创新和经济效益的提高，而且能够开发出具有自 主知识产权的新一代智能化技术装备，广泛应用于舰船、机车、车辆、海上石 油平台、桥梁隧道和环境保护等方面的分布式远程监测、诊断、调度和预警网 络，为进一步引进、消化和吸收新一代核心智能技术及扩大应用领域奠定基础 l 】 1 2 国内外研究现状的分析 2 1 世纪制造业企业竞争的新的基本策略是将注意力放在集成产品设计、制 造和服务的电子智能化上。其中制造业必须应付全球性企业产品生命周期内的 技术支持，基于互联网智能电子维护是提高制造业生产力和产品售后服务等领 广东工业大学工学硕士学位论文 域达到全球领先水平的关键。目前许多制造业企业仍然在执行基于故障反映方 式的服务和维护活动，许多商用维护管理软件工具缺乏与生产控制系统的集成 性。改变这种情况的困难在于我们缺少有效的、预言性的诊断模式与工具，以 理解生产线和设备每天的动作。这就要求研究涉及生产和设备故障原因，开发 智能化与可创新组态的监视工具，根据状态监测结果，重新建模、调度和过程 跟踪，以减少或消除生产的停机时间。为了达到这个目标，智能诊断软件与网 络软件需要提供前瞻性的维护能力，诸如性能退化测量、故障恢复、自维护以 及远程诊断。发达国家对此投入大量人力从事智能电子维护和集成网络的研究， 美国威斯康星州一密尔沃基大学和密歇根( a n n a r b o r ) 大学的智能维护系统中心 ( i n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c es y s t e mc e n t e r ) 在理论和计算方法论方面处于领 先地位，它由2 0 所世界一流大学( 剑桥大学、东京大学、上海交通大学、多伦 多大学等) 组成跨学科的研究团队，得到美国政府和许多跨过公司的资助( 美国 英特尔、联合技术、g e 医疗系统、日本通产省等) ，研究基于互联网的监视、 预测、诊断和自维护智能系统。目前已建立基于互联网维护技术的洲际远程实 验平台、电子工厂试验平台和电子建筑系统试验平台，并开发出一种机器用基 于心理学的看门狗代理集成电路，以提供产品功能退化评估和预测决策。美国 罗克韦尔国际公司则在技术研究和工程化方面领先，分别以罗克韦尔科学中心 的无线集成网络w i n s ( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks y s t e m ) 和罗克韦尔自 动化的电子化制造( e m a n u f a c t u r i n g ) 为代表。罗克韦尔科学中心是十个世界一 流实验室之一，以电子控制和通信技术著称于世。罗克韦尔自动化是世界前三 名的自动化公司，它兼购了国际著名的机械状态监控方案供应商e n t e ki r d 公 司和计算机化维修管理系统方案供应商p s d i 公司，从而实现制造业的设备状态 监控、诊断分析、重新建模调度和维修的互联网服务，可将生产一线设备运行 信息传输给企业资产管理( e a u ) 系统，并为企业资源规划( e r p ) 系统提供信 息。罗克韦尔科学中心联合加利福尼亚大学实验室与海洋研究中心共同开发无 线集成网络开发平台，包括可定制、装入传感器的网络节点以及商用数字无线 电话和互联网主机拥护接口。传感器包括加速度、温度、压力、地震和声音等， 网络节点最多可达1 0 0 个，两个节点之间最大距离大于i o o m 。数据传输速率 1 0 0 k b p s ，利用小范围内多跳数据传输技术支持节点间双向对等通信，将各节点 连接到基站和现场总线实现系统集成。嵌入式3 2 位微处理器完成传感器信号调 第一章绪论 理、频谱分析、基于模型的诊断算法和健康状态评估”1 。c 语言应用程序，通过 无线网络下载到现场传感器节点和互联网升级。目前已成功应用于舰船、飞机、 电动机、水泵等旋转机构、供油管道、建筑物等，基于w i n s 的微型卫星两次发 射成功，正将最新的可视化c o 聪技术与无冷却红外成像技术集成到w i n s 结构 中。每个网络节点有三部分组成：一个或多个测量传感器，将传感器数据转化 成高价值信息及完成本地控制处理能力的微处理器，与相邻节点通信及最终为 外部用户服务的无线通信装置。w i n s 网络与传统的无线数据网络不同：节点电 池能量有限；采用特殊的路由优化算法和时间域多路存取( t d m a ) 通信协议相 结合以降低能耗；节点允许多种不同传感器混用，数据与相关信号处理的时间 标记同步，协同处理，以便执行网络时间分配算法；每种发送通信量模式可预 测，允许协议有效调整；协议适用于高突发性、实时传输和内置电源管理等 t c p i p 协议难以应付的场合；单节点配置要求节点网络能够自发现 ( s e i f d i s c o v e r y ) ，自组态( $ e i f - c o n f i g u r a t i o n ) 和自恢复( s e l f - h e a l i n g ) ； 利用多跳( m u l t i h o p ) 数据传输，避免要求所有节点必须在基站范围内。w i n s 节 点容易放进现有系统或新设计系统中。我国设备状态监测和故障诊断技术从2 0 世纪8 0 年代开始，在引进美国亚特兰大科学仪器公司的f f t 分析仪的基础上， 许多大学和研究机构开展了深入的研究，取得了许多成果并开发出一些产品。 这些产品始终停留在”传感器变送器一仪器仪表 p c 专家系统”的有线集中监 测模式上日1 ，由于系统庞大，稳定性和准确性较差，只在石油化工、发电机组 等重要场合使用。国内市场从9 0 年代中期开始几乎由外国公司垄断，如恩泰克 ( e n t e k ) 公司、派利斯( p a l a c e t e k ) 公司等全球著名的工厂和机械状态监控 与分析方案供应商，在国内均已安装上千套系统。这些先进的商用故障分析和 维护管理软件目前仍然缺乏与生产控制系统集成的功能。由于我国半导体工业 基础限制，近期内无法实现多种传感器混用、数据处理和无线数据传输在网络 节点内的集成，因此目前尚未见到无线分布式设备检测系统的研究报道。综上 所述，国内设备状态监测和故障诊断技术仍然停留在有线集中监测模式、基于 故障反映式的独立的维修活动，如能在无线集成网络体系、节点内多种传感器 混用、高级预测诊断和短程无线数据传输集成方面取得前瞻性的突破，不仅有 利于国内制造业制造系统创新和经济效益的提高，而且将开发出具有自主知识 广东工业大学工学硕士学位论文 产权的新代技术装备广泛应用在海上石油平台，港口自动化、舰船机车、车 辆动态性能、桥梁隧道等方面的分布式远程监测、调度和预警网络。 罗克韦尔科学中心( r s c ) 已经设计一种原型无线传感器网络开发平台，该 平台非常全面，可以作为大范围应用的主机。无线网络传感器的设计已经被修 改以支持基于工况监视的应用，就是通过新建一个提供加速度表、压力与温度 传感器输入的传感器接口以及开发在嵌入式w i n s 处理器中运行的应用软件。该 应用软件的一个重要部分是利用传感器信号判定目标机器健康状态的算法。 目前阶段的所有嵌入式软件被限制在1 2 8 k b 的s r a m 存储器中进行操作，使 用1 m b 的闪存，主要用于程序和参数存储。该处理器是一个1 3 3 m h z 、3 2 位的 r i s c 处理器，该处理器用于所有应用程序包括高层通信协议与电源管理程序。 该处理器没有浮点运算单元( f p u ) ，所以定点算法必须用于优化速度。定点快 速傅立叶变换( f f t ) 正弦波查找表被初始化为常量，这样它们就可以被储存在 节点的闪存里。s r a m 空间储存了4 9 1 5 2 个原始样本( 采样速度4 8 k ，一秒钟采 集的数据) ，该样本必须被下降抽样与f f t 共享。设计诊断算法不仅要提供诊断 功能，还有在有限的存储器中高效的工作。指出所有的用于分析传感器信号在 每个w i n s 传感器节点中驻留的信号采集和诊断算法是很重要的。原始数据不 会送回到最终用户，仅仅是被送到诊断显示器。分布式、无线、微型传感器网 络允许使无数检测和控制实体世界的应用成为可能。罗克韦尔科学中心已经为 无线综合网络传感器建立了一个开发环境，包括可自定义、装载传感器的网络 节点以及移动的和互联网主机用户接口。w i n s 开发系统允许检查相关的微型传 感器网络的设计、开发和使用。无线分布式传感器网络包括通信节点的集合， 每个节点组成： 一个或更多测量环境的传感器 将传感器数据转换为高价值信息以及完成当地控制的处理能力 与相邻节点通信以及最终为外部用户服务的无线电通信设备 罗克韦尔科学中心联合加利福尼亚实验室的研究专家，已经在一定数量的 政府和工业赞助项目中开发出试验微型传感器网络的原型机开发平台。这个原 型机节点叫做“w i n s1 ”，是基于一个开放的、模块化的设计，使用了应用广泛 的流行的商业技术。计算超过1 0 0 个节点的无线传感器最终版本已经建立好。 4 第一罩绪论 这些节点结合传感器与部商业数字无线电话以及一个嵌入式商业r i s c 微处 理器集中在一个小智能装置里。 1 3 本课题的研究背景和研究意义 对军事用户来说。主要的注意力放在区域监视上。在安全与监视应用中， w i n s 将用大的分布式传感器阵列来替换单独的高价值传感器器材。w i n s1 更小 以及比目前的传感器器材更适合。新增加的稳定特征、自组织网络使w i n s 更易 于被任何军队在任何情况下部署。分布式检测有更进一步的能提供冗余和高可 靠信息以及在传感器节点间通过相干和不相干处理来定位现象能力的优点。 w i n s 将被用在传统的传感器网络应用中，进行大范围和周边监视以及将最终使 每个排、班到每个士兵能部署传感器网络来完成无数任务和自保护目的。罗克 韦尔w i n s 团队已经非常积极地与美国军队进行合作以实验和不断改进w i n s 在 沙漠、森林、城市地形中的性能。在城市中，通过对未知的军队和活动的车辆 提供连续的警戒，w i n s 将动态地改进军队的安全以至它们能分辨与监视交叉路 口、建筑物、屋顶。w i n s 面对的主要挑战，或实际的任何军事区域监视或安全 系统，就是感应信号的准确识别。罗克韦尔正在开发目前技术水平的摆动、声 音、以及磁信号分类算法来完成这个目标。为了得到更好的保障，罗克韦尔也 集成了最新的可视c m o s 技术与无冷却的红外线成像技术到w i n s 结构中。故障 现象的感应信号图象将被很快地传递到认识的人员和战场的指挥官，用于实时 命令执行。这些能力将提供非并行的战场安全与通知以及有助于分辨那些非友 方军队的伤亡目标。 w i n s 近年来已经被应用在一种论证特别低成本的“微型卫星”能很容易地 部署和通信的试验中。w i n s 的通信与处理器模块组成多个从“母卫星”来部署 多个卫星的试验的核心。这些卫星互相之间进行通信以及与地面站通信。基于 w i n s 的微型卫星的成本少于5 0 0 0 美元，它们比扑克排稍微大一点。微型电机 ( m e m s ) 切换网络服务于验证太空中m e m s 功效的卫星的有效负荷。 w i n s 象蓝牙( b l u e t o o t h ) 一样，是新一代智能化核心技术。前者用于设 备状态等监测，后者用于办公室、住宅家电之间通信。两者的市场前景都很好。 w i n s 应用领域和方案有；列车柴油机、电动机实时运行状态：列车底盘轴承、 弹簧；列车车箱烟火探测，每列车厢状态和故障预警均处于驾驶员监控之中， 广东工业大学工学硕士学位论文 避免列车事故，减少经济损失。可与全球定位跟踪器集成，构成列车运行实时 电子地图，像飞机实时运行状态一样有用。 w i n s 与美国f s i 系统公司红外摄像机组成监测系统，用于核电厂、高压主 变电站、高压蒸气和电缆管道、烟道、冶炼炉体裂缝等危险场合监控。油田、 输器管网、供水管网和s c a n d a 系统。此类应用地域广，目前仍用对讲机手工抄 表，数据不准，正准备改造成无人值守的自动系统。隧道、大坝、铁路路基、 山体滑坡等地质参数预警系统，防止重大灾难发生。尤其中国西南地区地质变 动，长江沿岸滑坡等灾难频繁发生。机场、重要仓库等无人值守大面积场所的 报警系统。大型设备如水泵、风机、制氧机、矿井提升机、大型船闸、吊机等 参数监测、寿命评估和故障报警。 2 1 实际全球制造业将通过基于互联网的智能电子维护，提高设备可靠性， 降低生产成本，实现零停机时间制造，并在产品整个寿命周期内提供服务。无 线集成网络w i n s 无疑是新一代智能化核心技术之一，并可将可视化c o m s 与无 冷却红外成像技术集成到w i n s 结构中。因此w i n s 不仅应用于制造业、交通运 输等民用行业，而且可广泛应用于军事、安全等目的。成为新一代智能化装备 的技术核心。 w i n s 的应用领域包括： 生产设备状态监测和预维护 生产线及大型设备如发电机组，制氧机、风机、水泵等关键设备的远程监 测、预维护和系统集成。 舰船、列车状态监测和调度 舰船、列车的主机、螺旋桨、列车底盘轴承状态监测、寿命评估和调度， 确保它们以最优速度安全抵达目的地。 建筑物应力状态监测和预警 大型水坝、隧道、桥梁和大厦的载荷、应力震动等结构参数监测、危险程 度评估和预报警远程网络。 海港、海上石油平台状态监测和控制 海港自动化机械如大型集装箱吊机、大型塔吊的平衡、同步、振幅等参数 监测，海上石油平台安全参数远程监测、寿命评估、重新建模和调度跟踪。 江河湖海等环境污染和水文参数监测网络 6 第一苹绪论 江河湖海等环境污染、水文参数分布式远程监测、分析和预报警网络。 飞机、大炮、汽车动态性能测试 飞机、大炮、汽车在加速、减速动态过程性能和结构参数测试网络。 供油、供气、供水管网泄漏监测和调控 供油、供气、供水管网泄漏监测网络，实现管网远程调度和控制。 1 4 本课题的主要研究内容 在深入阅读国内外无线集成网络系统的相关文献基础上，本文系统的介绍 了w i n s 的原理、系统构成方案及实施等。重点介绍了w i n s 的硬件平台设计、 相关硬件电路设计、网络结构设计，主、从节点通信的软件协议的设计及实现， 最后利用支持向量机理论对实验数据进行数学建模和分析，并得出结论。 本文共分为五个部分： 第一章绪论 介绍无线集成网络系统( w i n s ) 的国内外研究现状、研究背景和研究 意义。并给出了w i n s 的应用领域和应用前景。 第二章无线集成网络系统的原理和架构 介绍无线集成网络系统( w i n s ) 的工作原理、w i n s 的主节点、从节点 硬件结构及网络结构。重点介绍了罗克韦尔自动化公司研制的w i n s 1 软、硬件结构，并简要介绍了组成w i n sl 的处理器模块、无线电通信 设备模块、供电模块、传感器模块、传感器系统软件结构、系统应用 程序、用户接口、通信协议、无线网络和轴承故障诊断算法等。 第三章无线集成网络系统的硬件设计 介绍结合实际情况所做出的无线集成网络系统( w i n s ) 架构设计、实 验装置及相关设备原理。重点介绍了j q s o o l 电荷放大器、压电加速度 计、无线数传装置b c c 4 1 8 u h f 、p c i 0 4 嵌入式计算机、双端口r a m i d t 7 2 0 8 、1 6 位a d 9 7 6 a 的工作原理，并详细介绍了基于p c i 0 4i s a 总 线的数据采集卡设计、p c i 0 4 与带双端口r a m 的a d 卡通讯协议等。 第四章无线集成网络系统的软件设计 介绍无线集成网络系统( w i n s ) 的网络结构设计，主要介绍全分布式 网络结构的概念、w i n s 的主节点和从节点的主要功能及其操作系统的 厂乐工业大学工学硕士学位论文 选取；并详细介绍了主、从节点通信的c r c 校验原理、计算过程及相 关程序的编写；最后介绍了主、从节点通信的详细通信协议及收、发 帧格式和相关通信程序的实现等。 第五章无线集成网络系统的数学分析 介绍故障诊断技术的基本概念和故障诊断技术的发展史，并简单介绍 了目前流行的几种设备故障诊断技术。然后简单介绍了统计学理论和 支持向量机的基本原理，并结合无线集成网络系统利用峭度、有效值 和信号时域平均等方法提取故障特征，并建立基于支持向量机的机器 学习算法，从而得到分析结论。 最后，对主要研究成果及结论加以总结，并提出有待进一步研究和解决的问题。 1 5 本文的特色和创新 在国内率先创建无线集成网络开发平台，解决状态监测节点内的多种传感 器混用、信号调理与数据处理和短程无线数据传输的集成，通过基于模型的预 诊断和健康状态评估，实现设备在线监测、调度和维护的分布式无线网络化、 智能化。 第二章无线集成网络系统原理和架构 第二章无线集成网络系统原理和架构 2 1 无线集成网络系统原理概述 无线集成网络系统( w i r e l e s si n t e g r a t e dn e t w o r ks y s t e m ) 由主节点和从 节点组成。节点内硬件结构包括传感器模块、微处理器模块、无线数据传输模块、 电源模块和接口。传感器包括加速度、压力、温度集成传感器和外部通用传感器 两类，根据不同的控制对象进行匹配。微处理器完成传感器信号调理、采样，采 用下降采样( d o w n s a m p l i n g ) 方法，采样频率4 8 k ( 最高) ，通过频谱分析、模型 诊断等算法，将传感器的大量数据转变为与设备健康状态相关的少量特征参数。1 ， 支持无线数据传输。微处理器管理无线数据接收和发送，链路层协议采用节能的 时间域多路存取( t d m a ) 协议和特殊的路由优化方案，允许节点在没有通信任务 时关闭其接收器或发送器，在小范围内节点间的双向对等通信支持多跳数据传输， 避免要求所有节点都必须在基站范围内的要求。电源由电压4 位a d c 监测电池电 压，在底层软件控制下实现空闲或睡眠状态，并利用电源优化通信算法按发射距 离来匹配发射功率，节约能源。w i n s 系统的软件结构包括状态监测和诊断、通信 管理、人机界面和数据库”3 。状态监测与诊断模块完成节点内的数据采集、运行 时间和协同处理、按模型进行预诊断和健康状态评估。 w i n s 的一些独特要求： 外形小、重量轻 在温度变化大以及其它需要的环境状态下稳定工作 电池或其它单机电源 低功率运行以及访问内部电源控制机制 一个小的、低功率有足够量程的无线电通信设备 一个时实时执行的环境 快速算法集合与测试的高级语言编码能力 合理的成本 每个微型传感器节点的硬件使用一个开放的、模块化的设计，允许一定范围 的传感器组合。板上的接口是两个4 0 针的微型接口。该接口构成系统总线，提供 广东工业大学工学硕士学位论文 传感器电路板的电源与控制线，以及支持多种开放接口，例如r s 2 3 2 、s p i 和u s b 。 w i n s1 的节点包括一叠有微处理器组成的基本电路、无线电通信设备以及供电电 源，与所希望的传感器连接。 电路板主要通过在一块2 2 英寸的多层双面板上安装组件来建立。该板被包 装在盒子里，该盒子很容易容纳不同的传感器系列。w i n s 模块有公共接口，可以 按任何顺序堆叠。通常接口分为供电和接地，传感器板通过s p i 串口连接到a r m ， 无线电通信设备通过一个r s 2 3 2 接口来连接，无线电通信设备时钟也被分配，a r m g p i o 可用于特殊用途。i e e e 一1 4 5 1 传感器总线的功能能够由这种接口设计来支持。 无线集成网络系统网络结构如图2 - 1 所示。系统包括主、从节点，主节点可 通过d e v i c e n e t c o n t r 0 1 n e t 连接到以太网，将从节点返回的结果信息发送到远程 计算机，同时可将结果存入数据库。从节点用来得到现场数据信息，并进行相关 的数学运算”1 ，同时将运算结果通过无线发射装置发射到远程的主节点，从节点 间也可以通过无线发射装置相互通信。图2 - i 示意了1 个主节点和i 0 0 从节点。 f = fo 刨l 型-型 图2 1w i n s 系统网络结构图 ( f j g2 - i w l n ss y s t e ms t r u c t u r em e c h a n i s ms k e t c h ) 2 2w i n s 开发平台的硬件结构介绍 w i n s1 详细的硬件装置如表2 l 所示。它的节点硬件结构如图2 - 2 所示，一 般节点主要包括处理器模块、无线电通信设备模块、供电模块、传感器模块等组 成。 1 0 第二章无线集成网络系统原理和架构 表2 1w l n s1 硬件摘要 ( t a b l e2 - 1w 1 n s1h a r d w a r ea b s t r a c t ) 包 n e m a4 ( i p 6 2 ) 、i p 4 0 外部空间2 7 5 i n 2 6 2 5 i n 3 5 i n 内部5 块板组套，2 2 5 i n 2 2 5 1 n 处理器模块 处理器 i n t e ls t r o n g a r m1i 0 01 3 3 m h z ，1 5 0 m i p s 功耗最大； 3 0 0 m w ，典型： 2 0 0 m w 空闲： 4 0 m w ，睡眠： 1 0 0 m ， 频率 i s m 波段，9 0 2 9 2 8 m 控制器嵌入式6 5 c 0 2 ，3 2 ms r a mi m b 可启动闪存 其它4 位a d c 用于电池电压监测 供电模块 输入电压 4 一1 5 v 输出电压最大电流 1 5 v 1 5 0 m a ：3 o v 2 0 m a ：3 3 v 3 0 0 m a 传感器模块 地震地震检波器 声音话筒 磁场 h o n e y w e l 1h m c l 0 0 1 加速度表、温度、压力2 0 k h z 加速度计带宽，集成了温度和压力传感器 图2 2w l n s 系统节点硬件结构图 ( f j g2 - 2w i n ss y s t e mn o d eh a r d w a r es t r u c t u r es k e t c h ) 2 2 1 处理器模块 处理器模块是围绕i n t e ls t r o n g a p , ms a l l 0 0 嵌入式控制器建立的。s a l l 0 0 是一种多用途、3 2 位基于a r m 结构的r i s c 微型处理器，它是目前最有效率的处理 器。该处理器提供一个1 6 k b 的指令高速缓存寄存器、一个8 k b 的数据缓存寄存器、 串行i 0 以及j t a g 接口，所有这些都集成到一块单独的芯片里。编程与数据存储 由1 2 8 k 的s r a m 和1 m b 可启动的闪存完成。一个r s 2 3 2 接口已经被；b n 至t j 模块中， 用于连接外部设备。处理器有三种状态：正常、空闲和可以被控制来减少电源消 耗的睡眠状态。 2 2 2 无线电通信设备模块 无线电通信设备模块使用数字无线电话芯片。该芯片实现9 0 0 m h z 的射频r f 通信连接。该芯片有一个嵌入式6 5 c 0 2 微型控制器，执行所有要求直接序列射频 通信的控制与监视功能以及与处理器模块的数据交换。该无线电通信设备在i s m 频率波段的4 0 频道里的一个中运行。由控制器选择。编程与数据储存由3 2 k b 的 s r a m 和1 m b 的可启动闪存完成。嵌入式操作系统已经被开发出来以支持多路访问 网络，只占用很小的a r m 处理器资源。该板也提供一个4 位的电池电压监视a d c 。 该无线电通信设备的r f 部分被包装成一个小的多芯片模块，一个螺旋天线接口， 通过电源优化通信算法，能以多种发射功率级别( 在卜i o o m w 之间) 工作。 2 2 3 供电模块 供电模块提供了输入为4 - 1 5 v 标准的电压输出：3 3 v ，3 0 v 与1 5 v 。3 o v 与1 5 v 供电能通过接口总线的针来切换。目前，w i n s 的节点将使用两节9 v 电池 1 2 第二章无线集成网络系统原理和架构 持续运行1 5 个小时。电池的寿命可以通过降低数据采集和通信的工作周期来得到 巨大延长。 整个w i n sl 传感器节点功耗的峰值是1 w ，处理器消耗3 0 0 m w ，无线电通信设 备处于发送模式时消耗6 0 0 m w ，处于接收模式时消耗3 0 0 m w ，传感器变送器消耗少 于l o o m w 。适当的系统控制保证很少达到峰值功耗。一个设备必不可少的功能是它 们在底层软件控制下能被置于空闲或睡眠模式以增加系统的运行寿命。w i n s1 网 络的节点被安装用于监视机械运行一秒钟的数据采集周期，数秒的处理数据和发 送信息，以及1 0 小时的低功耗睡眠。这种非常低的工作循环延长电池的使用寿命 至几个月。 2 2 4 加速度计： 目前罗克韦尔自动化公司已经制造出来一个加速度计板，用在机械振动测试。 该板包括一个高速加速度计，采样速度4 8 k h z 。w i n si 加速度表面板也为温度与 压力传感器提供输入。 2 3w l n s 开发平台的软件结构介绍 无线集成网络系统的软件结构如图2 3 所示。它由传感器层、微处理器信息 层、p c 信息层组成。图中传感器层按监测对象进行匹配。微处理器信息层由a r m 微处理器完成信号调理、信号采集和数据处理，将大量的采集数据转变成少量特 征数据并发射出去。p c 信息层在w i n d o w s 环境下，完成c 语言用户应用程序开发、 数据库和系统集成及大范围无线电管理等功能。用户程序可通过无线网络装载到 节点内，软件可通过互联网升级。w i n s 系统网络结构包括一个主节点( 基站) ，最 多1 0 0 个从节点通过网关与现场总线d e v i c e n e t ( i e c 6 2 0 2 6 标 准) c o n t r o l n e t ( i e c 6 1 5 8 标准) 连接，再经e t h e r n e t 连接数据库，实现大控制系 统的集成；或者基站通过r s 一2 3 2 与p c 机连接成小系统，实现设备状态监测网络 化”3 ：或者通过工业标准无线调制解调器扩大监测和预警网络范围。 关键的w i n s1 软件功能被组织到以下几层里。 2 3 1 监视硬件抽象层( h a l ) h a l 提供初始化、外部通信、程序装载与调试以及中断处理的例程。一个分 组协议解释例程将从无线电通信设备或外部r s 2 3 2 接口到达内部任务的数据打包。 程序装载可以通过一个附加的设备或无线电通信设备来激活。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 2 运行环境 这个分布在每个节点上的实时内核提供了底层分布式w i n s 网络基础结构。通 信协议的底层控制链同传感器驱动作为该层的主机。 图2 - 3w l n s 系统软件结构图 ( fig2 - 3win ss y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r es k e t o h ) 2 3 3 系统应用程序 执行信号处理计算以及高层网络功能( 安排时序。路由) 。使用常规的高级编 程语言( 象c 语言) 编写，通过r f 网络，新的应用程序可以下载到装配在现场的 1 4 第二章无线集成网络系统原理和架构 传感器节点。 2 3 4 用户接口 驻留在个人电脑中的应用程序允许用户执行不同的任务以及与传感器网络交 互。通过一个网关，一个网络通信接口支持网络信息的显示与记录。所有驻留在 a r m 处理器模块中的软件结构和软件实体，d c t 模块，传感器模块和台主计算机。 同时提供支持远程无线电设备。几种开发工具驻留在个人电脑和a r m 中，用于软 件编码和测试。我们假定用户将获得a r m 系统开发者工具包或类似的编译器来开 发基于c 语言的应用程序。 2 3 5 通信协议 种节能的时间域多路存取( t d m a ) 方案已经被作为w i n s1 链路层协议来实 施。t d m a 方案允许节点没有通信任务时关闭它们的接收器与或发送器。一种多中 继器的路由