（机械电子工程专业论文）无线通信技术在设备状态监测中的研究与应用.pdf

原创性声明 y 1 煳必 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 许俊走日期：彩年妇加日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 许彼走 日期：如辟妇如日 摘要 摘要 传统的设备状态监测系统一般都采用有线模式，但是在有些场合下，现场 条件恶劣，传感器布线不便、或者走线成本过高，都会限制系统的使用，而监 测仪器中，特别是传感器端，电缆的故障或破损也会影响仪器的正常使用，增 加了对维修工作的要求。针对这种情况，本文对无线通信技术的理论和实现方 式进行了研究，设计了一种面向机械设备振动信号采集和利用z i g b e e 无线通信 技术进行数据传输的无线远程监测系统，该系统集数据采集、传输和处理于一 体，克服了传统在线监测系统位于某些特殊工况下无法使用的缺陷，具有很大 的实用性。 本文主要完成了以下几方面的工作：( 1 ) 分析了设备状态监测和无线通信技 术的国内外研究概况，阐述了选题的目的和意义。( 2 ) 结合设备振动监测系统的 实际需求和设计原则，提出了基于z i g b e e 技术的无线远程监测系统总体方案， 阐述了系统的工作方式，分析了监测系统需要解决的关键技术和设计思路。( 3 ) 研究了当前主要的短距离无线通信技术，对短距离无线通信技术作了比较，选 定z i g b e e 技术作为无线数据传输的通信方案，并分析了z i g b e e 技术的特点和协 议架构。( 4 ) 选取了合适的i c p 加速度传感器以及无线通信芯片c c 2 4 3 0 ，设计了 传感器节点的数据采集模块和无线通信模块，重点对数据采集模块的前端调理 电路、a d 转换电路和c c 2 4 3 0 芯片的外围电路进行了研究，并给出了传感器终 端节点数据收发的软件设计。( 5 ) 设计了监测系统的星型网络拓扑结构，对节点 之间的通信过程进行了分析，在i a r 开发环境下完成了对传感器节点的程序编 译以及对i e e e 地址的编写，通过移植m s s t a t el r w p a n 协议栈实现了传感 器节点之间的无线通信。 研究结果表明，由集成芯片c c 2 4 3 0 和精简z i g b e e 网络通信协议所构建的 无线传感器节点具有良好的效果，为振动信号的无线远程数据采集提供了一种 手段，具有很好的工程意义。 关键词：无线传感器网络，状态监测，z i g b e e ，c c 2 4 3 0 a b s t r a c t a b s t r a c t u s u a l l y , m o s to ft h ee q u i p m e n ts t a t u sm o n i t o r i n gs y s t e ma d o p t st h ec a b l et o c o n n e c tt h ec a b l em o d e l ，b u ti ns o m ec a s e s ，s i t ec o n d i t i o n s ，s e n s o r w i r i n g i n c o n v e n i e n c eo rw a l kl i n ec o s tw i l ll i m i tc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s s y s t e mf o ru s i n g t r a n s m i s s i o nc a b l e sf a u l to rb r e a k a g ea l s oa f f o c t st h en o r m a lu s eo f a p p a r a t u s ，i n c r e a s e dt om a i n t e n a n c er e q u i r e m e n t si nm o n i t o r i n gi m m a n e n t b a s e do n t h i sc o n s i d e r a t i o n , o nt h ea n a l y s i so ft h ek e yt e c h n o l o g yo fz i g b e e ，t h et h e s i s p r e s e n t e dad e s i g ns c h e m eb a s e do no b j e c t - o r i e n t e dm a c h i n e r yv i b r a t i o ns i g n a l a c q u i s i t i o na n du s i n gw i r e l e s st e c h n o l o g yo fz i g b e ef o rd a t at r a n s m i s s i o nr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e mi n t e g r a t e s d a t ac o l l e c t i o n , t r a n s m i s s i o na n d p r o c e s s i n g , o v e r c o m et r a d i t i o n a la n do l l - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi ns o m es p e c i a l c o n d i t i o n s ，c a n n o tu s et h ed e f e c t so fg r e a tp r a c t i c a l t h i st h e s i sc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gm a i na s p e c t s ：( 1 ) i n t r o d u c et h er e s e a r c hs t a t u s o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de 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 ；e x p o u n d t h es i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c ( 2 ) o nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i b r a t i o n m o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n dt h ea c t u a ld e m a n d ；p u tf o r w a r dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e m o n i t o r i n gs y s t e m ；d e s i g nak i n do fg e n e r a lp l a no ft h ew i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nz i g b e e ( 3 ) a n a l y s e ss o m et e c h n o l o g yo ft h es h o r t - r a n g ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , a n dc o m p a r es e v e r a ls h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n ds e l e c tt h e z i g b e ea sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ( 4 ) s e l e c tp r o p e r w i r e l e s ss e n s o ri c pa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i p sc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l s i t u a t i o n ；d e s i g nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eo f s e n s o rb yr fc h i pc c 2 4 3 0 ；m a i n l yi n t r o d u c et h ef r o n t - e n dc i r c u i t ，a dc i r c u i to fd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h ep e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g no fc h i pc c 2 4 3 0 ；p r o v i d et h e s o f t w a r ed e s i g no ft h es e n s o rt e r m i n a ln o d e ( 5 ) a n a l y z et h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nn o d e s ；p r o v i d et h es t a rt o p o l o g ys t r u c t u r eo ft h es y s t e m ；f i n i s hd o w n l o a d i n g p r o g r a mo ft h es e n s o rn o d e sa n dc o m p i l i n gi e e ea d d r e s si ni a rd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ；r e a l i z et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es e n s o rn o d e sb a s e do n i i a b s t r a c t m s s t a t e l r w p a np r o t o c o ls t a c k p r e l i m i n a r yr e s u l t ss h o wt h a t , w i r e l e s ss e n s o rn o d e ss t m c t u r e db yi n t e g r a t i n gc h i p c c 2 4 3 0a n ds t r e a m l i n en e t w o r kp r o t o c o lz i g b e ea r ee f f e c t i v ea n dl a yt h ef o u n d a t i o n o ff u r t h e rw o r kf o rt h ee q u i p m e n tc o n d i t i o nm o n i t o r i n gs y s t e ma n dg o o de n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，s t a t em o n i t o r i n g ，z i g b e e ，c c 2 4 3 0 i i i 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 国内外发展概况1 1 1 1 设备状态监测发展概况”1 1 1 2 无线通信技术发展概况3 1 1 3 嵌入式技术发展概况”4 1 2 课题的来源、目的和意义5 1 2 1 课题的来源5 1 2 2 课题的目的和意义”5 1 3 本论文的主要工作6 1 4 本章小结：”：7 2 系统总体设计方案8 2 1 系统设计目标与设计原则8 2 1 1 设计目标8 2 1 2 设计原则8 2 2 系统总体方案设计9 2 2 1 总体架构9 2 2 2 实现技术选择1 0 2 3 设计方法和思路”1 1 2 3 1 设计方法的确定11 2 3 2 设计环境的构建1 2 2 3 3 设计思路和步骤1 5 2 4 本章小结1 6 3 无线通信方案的确定1 7 3 1 无线通信技术基本理论1 7 i v 目录 3 1 1 传播与通信距离1 7 3 1 2 多址接入与多路访问1 9 3 2 几种短距离无线通信技术。1 9 3 2 1 短距离无线通信技术的特征1 9 3 2 2 短距离无线通信技术的应用- ”2 0 3 2 3z i g b e e 与其他无线通信协议的比较2 1 3 3z i g b e e 技术分析研究2 2 3 3 1z i g b e e 技术的特点2 2 3 3 2z i g b e e 技术的协议架构2 3 3 4 本章小结2 5 4 无线传感器节点的设计2 6 4 1 无线传感器节点概述2 6 4 1 1 无线传感器节点的构成2 6 4 1 2 无线传感器节点的设计原则2 7 4 2 传感器模块的设计2 7 4 2 1 传感器的选用指标：2 8 4 2 2 传感器的选用2 9 4 2 3 前端调理2 9 4 2 4a d 转换3 l 4 3 无线通信模块设计。3 2 4 3 1 芯片选型3 2 4 3 2 无线射频芯片c c 2 4 3 0 3 3 4 3 3c c 2 4 3 0 外围电路设计3 4 4 4 传感器节点抗干扰设计3 6 4 5 传感器节点软件设计3 7 4 5 1 终端节点入网设计3 8 4 5 2 终端节点数据发送接收设计”3 9 4 6 本章小结4 0 5 无线通信网络拓扑结构及其实现4 1 5 1 网络拓扑结构的分类4 l v 目录 5 2 设备监测星型拓扑结构t 4 2 5 3 协议栈移植和无线通信的实现4 3 5 3 1 协调器的组网与数据收发实现”4 4 5 3 2 终端节点的入网与数据发送实现4 4 。 5 4 本章小结。4 6 6 结论与展望4 7 6 1 研究总结4 7 6 2 工作展望4 7 参考文献4 9 致 射5 5 附录5 6 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果6 0 v l 绪论 1 绪论 1 1 国内外发展概况 针对设备状态监测与故障诊断技术的研究是保障设备安全运行的基本措施 之一，能对设备出现故障的原因做出及时判断，对设备故障的发展做出早期预 报，并提出相应的对策和建议，可提高设备的现代化管理水平；保证产品的质 量，提高设备的可靠性；避免重大事故的发生，减少事故的危害性；降低设备 的维修费用，使企业获得巨大的经济效益【1 1 。 1 1 1 设备状态监测发展概况 早期的状态监测系统是以监测计算机为主体，加上辅助设备，如传感检测 装置、执行处理机构和被监测对象而共同构成的一个整体，这样的系统对监测 对象有很大的限制，而且大多都是面向单台或单一类型的设备，存在很大的局 限性。随着生产力的快速发展，由于设备的功能越来越多，结构越来越复杂， 自动化程度越来越高，单一类型的监测系统已经逐渐不能适应现代化企业的生 产需求，于是便产生了分布式系统，这种系统以计算机网络为基础，能够合理 配置系统资源，提高了监测水平和效率，但是早期的大多数分布式监测系统采 用总线结构进行数据通信，而且监测又局限于同一地点，所以不利于企业的现 代化生产生产管理【2 1 。 近些年来，设备远程监测与诊断技术的研究受到了国内外学者的密切关注 和重视。在经历了人工离线监测与诊断、单机集中式在线监测与诊断、远程分 布式在线监测与诊断几个主要发展阶段后，设备监测与诊断技术和i n t e m e t 相结 合，采用开放式体系结构，成为系统设计的主流和趋势，显示出强大的生命力 和广阔的应用前景。 现代远程监测系统受到计算机、互联网和通信技术的支持，借助这样的技 术构建的系统有很高的可靠性，操作管理人员可以依靠安装在现场的各种传感 器监测设备，在异地随时了解现场设备的生产情况，对现场设备进行监测。设 备状态远程监测模式与通信技术的发展密不可分，随着通信技术的发展，大致 出现了三种远程监测模式 3 1 ： 绪论 1 人工远程监测。这是比较原始的方式，包含了太多的人为因素，而且无法 实现实时在线监控，存在很多弊端。 2 有线网络远程监测。它是现代远程监测模式，也是现在使用最为广泛的一 种方式，但是这种方式在网络铺设上投资巨大，而且受距离限制，各采样点之 间的距离越远铺网的费用就越大。 3 无线通信远程监测。这种方式是新兴的监测模式，它最大的特点是打破了 距离的限制，免除了布线带来的种种麻烦，施工和维修成本低，而且可以放置 在危险的场合。 国外对设备状态监测的研究开始很早，发展到现在已比较成熟和先进。1 9 9 7 年美国斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于i n t e r n e t 的工业远程诊断 研讨会，国外许多大学和研究机构都在进行该领域的研究计划，许多国际组织 也纷纷通过网络开展设备监测诊断咨询和技术推广。许多大公司，如b e n t l y 公 司的计算机在线设备运行状态监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 ，可以通过网络动态 数据交换的方式向远程终端发送设备运行状态的相关信息。而美国罗克韦尔科 学中心联合加利福尼亚大学实验室与海洋研究中心共同研制的无线集成网络开 发平台系统【4 】，就包含了可自定义连接配置传感器的网络节点、无线数据传输 处理中心和互联网主机用户接口等部分，该系统可采集设备的振动、温度、压 力和声音等信号并作出处理，己成功应用于舰船、飞机、建筑物、供油管道和 水泵、发电机等旋转机构。 国内设备远程监测诊断技术的研究已取得初步成果。华中理工大学1 9 9 7 年 在因特网上设立了介绍远程诊断技术的宣传站点，并以实验室方式向用户提供 远程服务。西安交通大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、郑州大学等相继 展开针对工业领域的远程监测诊断研究工作。一些系统，如郑州大学的e m 3 0 0 0 已投入工业应用，企业也针对性的提出了使用要求。设备远程监测与诊断技术 在摆脱距离的束缚，异地及时查看设备的运行状态，改变企业的设备管理模式 等方面，显示了强大的优越性。但是由于这些系统庞大，铺线麻烦，维修成本 高，目前只在机械冶金，交通电力和石油化工等重要场合使用。 今天，通信技术日新月异，而无线通信技术更是取得了突破性的发展。同 时，随着嵌入式技术的广泛应用，各种处理器芯片的功能更加强大和可靠。这 些都为基于新一代无线通信技术的远程状态监测系统的研究设计提供了技术支 持和实现可能。在此条件下，利用嵌入式技术和无线通信技术构建远程状态监 2 绪论 测系统，可成功解决采用有线模式时所面临的种种弊端。 国内的设备状态监测技术仍然停留在有线模式和基于故障反应的独立维修 模式上，虽然也出现了一些无线传感器网络，但大多数都应用在温度、湿度等 环境监测领域，用在机械方面的还很少。如果能在设备状态无线监测体系，包 括节点内多种传感器混用、短距离无线数据传输和高级预测诊断等方面取得突 破，开发出具有自主知识产权的新一代分布式远程监测、调度和预警系统，使 其广泛应用在石油、化工、机械、冶金、交通、电力等工业生产领域，不仅有 利于国内制造业的生产创新，而且将为经济效益的提高做出很大贡献。 1 1 2 无线通信技术发展概况 2 0 世纪初无线通信技术进入了快速发展的黄金时期。4 0 年代香农、可捷尔 尼可夫等对无线通信理论做出了卓越的贡献，使得无线通信技术得到了很好的 发展。2 0 世纪下半叶，由于硬件技术突飞猛进，各种功能强大的电子元器件相 继问世，无线通信技术又有了质的飞跃【5 。6 1 ，广泛应用在各个领域。 近2 0 年来，移动通信标准大致经历了三代： 1 ) 第_ 代主要基于模拟信号处理，以英国t a c s ( t o t a la c c e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) ，美国a m p s ( a d v a n c 砚m o b i l ep h o n es e r v i c e ) 和北欧n m t 4 5 0 9 0 0 等模拟 f d m a 技术为代表，现已被淘汰。 2 ) 第二代的应用最为广泛，使得无线通信网络技术占据了现行无线通信服 务的大部分，如c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 等都为全球移动通信业的高速发展做出了巨大贡献，使全 球移动通信业向网络化、数字化和智能化的方向迈出了一大步。 3 ) 第三代主要指3 g 。它是基于扩频通信的技术，主要提供优秀的语音传 输和数据传输业务，是近年来研究的热点。3 g 目前还处于理论研究阶段，各国 都有不同的框架和体系结构，比较优秀的有北美的c d m a 2 0 0 0 标准，欧洲的 w - c d m a 标准以及我国具有自主知识产权的t d c d m a 标准。 移动通信技术基本上都是用于民用，随着传统有线网络带来的投资和使用 成本过高的问题日益突出，近年来工业无线通信技术也得到了迅速发展。本世 纪初新兴的工业无线通信网络技术是继现场总线之后，工业生产领域的又一个 技术热点。它是面向设备间短距离、低速率信息传输的无线通信技术，是降低 工业测控系统生产成本、提高工业测控系统可靠性和应用范围的无线通信技术， 3 绪论 也是未来几年工业自动化产品新的增长点 t j 。本课题基于工业无线通信技术构 建的设备远程监测系统，适合在环境恶劣的工业现场中使用，具有能耗低、抗 干扰能力强等技术特征，其与传统的有线监测与故障诊断系统相比，具有如下 一些优势【8 1 ： 1 ) 低成本：使用无线技术后，由于免除了布线带来的麻烦，使监测系统的 安装和维护成本大大降低。 2 ) 高可靠：使用无线技术将会避免在有线监测系统中，由电缆的连接器件 损坏而引发的大部分系统故障，使系统的维护修理更加容易。 3 ) 高灵活：使用无线技术后，现场设备摆脱了线缆的束缚，提高了监测仪 器的可移动性、网络结构的灵活性以及工程应用的多样性，用户可以根据工业 生产需求的变化，快速、灵活、方便地重构监测系统。 在一些恶劣的环境条件下，有线网络根本无法进行布线，这时无线通信技 术便发挥出了它的优势。伴随着无线通信技术的快速发展，现代化、网络化和 标准化要求逐渐出现在人们面前，各种无线通信技术标准纷纷被制订出来，如 u w b 、w i f i 、蓝牙和红外技术等，考虑到实现的方便性和工业现场使用性，本 课题的无线通信方式采用z i g b e e 技术。 1 1 3 嵌入式技术发展概况 嵌入式技术主要应用于专用的计算机系统，它以计算机技术为基础，以应 用为中心，并且软硬件可进行裁剪，同时对系统成本、功能、功耗，体积和可 靠性都有严格的要求1 9 1 。嵌入式系统将先进的电子技术、半导体技术、计算机 技术与各个行业的具体应用相结合，它一般由微处理器：外围硬件设备和软件 系统等部分组成，是一个高度分散、技术密集、不断创新的知识集成系统。随 着国内外嵌入式产品的不断开发和推广，如今的嵌入式技术已经广泛应用于仪 器仪表、通信终端、过程控制、航天航空和家用电器等领域。 随着计算机网络和无线通信技术的迅猛发展，人们感到发展小范围语音通 信和数据传输业务越来越必要，而且开展基于无线通信技术的设备远程监测诊 断系统的研究也是大势所趋，所以短距离无线通信标准顺应时代要求而产生， 并且正被人们研究应用于工业监测领域。这些短距离无线通信标准，大多都工 作在2 4 g h z 及其以上免费频段，发射功率小，设备成本低，具有很强的多分址 能力和抗干扰能力，它们和嵌入式应用系统相结合，为工业技术的快速发展奠 4 绪论 定了基础。 ： ， 嵌入式技术与无线通信技术相结合构成的嵌入式无线接入系统，近年来被 人们研究并广泛使用，它由两大类基本设备组成 1 0 - 1 1 l ： 1 ) 网络设备，包括了采用z i g b e e 、w l a n 和蓝牙等无线通信技术和提供 数据接入服务的网关设备，这些设备可应用于远程监测、手机通信和信息家电 等领域，它们的基本功能是在信息传输时，作为连接终端设备与控制中心的纽 带，并提供通信服务协议； 2 ) 智能终端设备，包括了传感器节点、手机和信息家电等具备一定的信息 处理和无线通信功能的终端设备。 本课题利用嵌入式技术和无线通信技术组建功能模块，构建设备状态远程 监测系统，能够成为传统有线模式的一种有益补充，可很好的解决在特殊工况 下，传感器布线不便，系统无法安装和维修成本高的问题，为企业降低设备管 理费用和提高经济效益提供可靠保障。 1 2 课题的来源、目的和意义 1 2 1 课题的来源 1 全矢谱技术体系构建及故障诊断基础研究 国家自然科学基金( n o ：5 0 6 7 5 2 0 9 ) 2 全矢谱技术及设备诊断工程应用研究 河南省杰出人才创新基金( n o ：0 6 2 1 0 0 0 5 0 0 ) 3 嵌入式软件开发技术与支撑平台研究 国家“8 6 3 ”项目子项目( n o ：2 0 0 4 从i z 2 4 2 0 ) 1 2 2 课题的目的和意义 在线监测系统或检测仪器可通过电缆进行安全可靠的数据传输，但在有些 场合下，现场条件比较恶劣，传感器布线不便、或者走线成本过高，都会限制 状态监测与故障诊断系统的使用；监测仪器中，传输电缆( 特别是传感器端) 的故 障或破损也会影响仪器的正常使用，增加了对维修工作的要求。而无线传感器 网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，在降低 安装和维修成本、方便使用方面具有一定的优越性。无线通信技术的大规模普 5 绪论 及是迟早的问题，在设备故障诊断中引入无线传感器网络一定程度上也是一种 趋势。 设备无线远程状态监测系统有着传统工作模式无可比拟的优越性。首先它 是对传统有线模式的一种有力补充，可对传感器布线不便和对人员无法到达的 危险场合进行有效的监测；其次它得到嵌入式技术和无线通信技术的支持，而 且选用芯片成本低，使无线传感器网络的大规模应用开发和普及成为可能；第 三由于采用无线模式，减少了施工和维修要求，具有一定的工程意义。同时， 它和设备管理系统结合在一起，使他们成为体系，将真正实现状态监测和设备 管理维护的现代化。 为此，本文在分析z i g b e e 无线传感器网络的特点和关键技术的基础上，提 出了一种面向状态监测中振动信号的采集与传输，采用z i g b e e 无线通信技术构 建无线传感器网络的设计方案。重点在分析z i g b e e 协议标准的基础上，提出了 以射频芯片c c 2 4 3 0 为核心，结合z i g b e e 技术的振动监测无线传感器网络节点 总体设计方案，论述了系统的构成和工作原理，对硬件电路和软件设计作了说 明。该z i g b e e 网络节点具有体积小、功耗低、可靠性高等特点，有很强的实用 性和新颖性，极大的方便了在现场条件恶劣，传感器布线不便的条件下完成对 设备振动信号的采集，为某些振动监测时布线困难开辟了可行的途径。本文的 研究为远程监测系统进一步的上层通信链路和中心服务器构建提供了基础，具 有一定的研究意义。 1 3 本论文的主要工作 本文设计了一个无线远程监测系统，传感器节点采集到数据后，以无线通 信的方式把信息传送到监测计算机上，然后再通过企业局域网最终到达中心服 务器。本文研究的主要内容就是构建无线传感器节点的硬件平台，规定合理的 数据格式和通信协议，在此基础上选用c c 2 4 3 0 无线收发芯片搭建节点硬件平 台，通过移植m s s t a t el r w p a n 协议栈实现了基于z i g b e e 技术的无线传感器 节点间的通信。具体的章节安排如下： 第一章，绪论，主要介绍了相关技术的研究背景和现状，阐述了课题研究 的目的和意义。 第二章，在分析系统设计原则和实际需求的基础上，构建了基于z i g b e e 技 6 绪论 术的无线远程监测系统总体方案，阐述了系统工作方式，并提出了该系统需解 决的关键技术和设计思路。 第三章，分析了当前主要的短距离无线通信技术及理论，对几种短距离无 线通信技术作了比较，最终选定z i g b e e 技术作为无线数据传输的通信协议，并 简单分析了z i g b e e 技术的特点和协议架构。 第四章，结合实际情况选取了合适的传感器以及无线通信芯片，采用射频 芯片c c 2 4 3 0 设计了基于振动信号采集的无线传感器节点，并给出了传感器节点 的软件设计。 第五章，对节点之间的通信过程进行了简单分析，设计了系统的星型拓扑 结构，在i a r 开发环境下使用m s s t a t el r w p a n 协议栈并编程实现了传感器 节点之间的无线通信。 第六章，总结本论文所做的工作，针对现有方案的不完善之处，提出了下 一步的工作展望。 1 4 本章小结 本章主要介绍了设备状态监测和无线通信技术的研究背景和国内外发展概 况，阐述了课题研究的目的和意义，提出了一种基于z i g b e e 技术的无线远程状 态监测系统，并对论文主要研究工作进行了阐述。 7 系统总体方案设计 2 系统总体设计方案 2 1 系统设计目标与设计原则 2 1 1 设计目标 设备状态无线监测系统的设计目标是设计一个应用无线传感器网络实现机 械设备振动信息采集的远程监测系统。该系统要求传感器节点在监测区域内构 成网络，采集所需的振动数据，并将采集到的数据已无线的形式传送给监测计 算机，使用户能够通过服务器终端查询所需的数据。 其需求可以简单归纳为： 1 ) 感应和收集数据能力，能对设备的振动参量进行采集； 2 ) 数据存储处理和无线传输能力，数据经过简单处理后以无线的形式发送 到中心服务器数据库，可随时查看； 3 ) 远程访问能力，用户可以远程监测无线传感器节点的使用状态； 4 ) 能够应用于条件恶劣和传感器布线不便的设备上。 2 - 1 2 设计原则 构建无线传感器网络远程监测系统时，保证系统功能的实现是最重要的， 功能实现之后才考虑以后性能的提升和功能的扩展。因此本设计按以下几个原 则进行 1 2 - 1 3 】： 。 1 ) 系统性能指标 要保证系统性能稳定和可靠，就要考虑输入信号的各种特性，如输入信号 的强弱、动态范围以及通道数，此外还需考虑无线通信的距离，数据量的大小 和数据传输的速率等因素。 2 ) 系统结构 系统结构是否合理，直接影响到系统的性价比和可靠性。所以设计时要考 虑硬件和软件功能的合理分配；此外还要考虑系统的整体布局及接口特性，如 数据的编码格式、硬件的各种接口和采用什么样的通信方案等。 3 ) 系统抗干扰能力 8 系统总体方案设计 设计系统时抗干扰能力是不能忽视的。由于传感器可能工作在恶劣的工业 现场环境中，以及元器件选择等因素，各个方面的干扰都会影响到数据的采集 和传输，所以设计中要充分考虑到可能出现的各种情况，并采取相应的技术措 施，尽可能减少故障，保证系统具有良好、持续的运行能力。 4 ) 系统功能扩展能力 系统的功能实现后，就该考虑系统的性能升级和功能扩展。因为随着对各 个行业技术研究的不断深入，对系统的需求变化也会发展很快，所以为了使系 统能随时满足用户的需求，系统的设计应具有良好的开放性和可扩展性。 2 2 系统总体方案设计 2 2 1 总体架构 总体设计方案如图2 1 所示，组建无线传感器网络对工业设备振动量进行监 测采集，并诊断设备运行情况。 该设备状态无线远程监测系统主要包括三部分f 1 4 】： 1 ) 基于传感器终端节点的无线数据采集系统； 2 ) 基于z i g b e e 技术的无线数据传输系统； 3 ) 基于监测计算机的数据处理和以太网数据传输系统。 具体内容包括：z i g b e e 传感器终端节点、z i g b e e 路由器节点、监测计算机 以及中心服务器。在加速度传感器构成的传感器终端节点的基础上，将采集到 的数据以z i g b e e 无线通信的方式发送到协调器，协调器通过串口与监测计算机 相连，监测计算机对数据分析处理后通过以太网发送到计算机中心服务器，工 作人员能随时查看数据并采取相应措旖。 传感器终端节点主要依靠工业级的加速度传感器进行数据采集，可采集被 监测设备的振动信号，采集了相关参数数据后，通过z i g b e e 无线通信方式传送 到与监测的计算机串口连接的协调器节点上。 当传感器终端节点离监测计算机距离过远时需要将数据先发送给z i g b e e 路 由节点，再转发到协调器节点上。 监测计算机将传送来的数据进行简单分析处理后，把数据通过以太网发送 给计算机中心服务器，并保存在中心服务器的数据库中，以供进一步的分析和 处理使用。 9 系统总体方案设计 无z 线i g b 网e 络e 圆圈圈 z i g b e 络e 篇 | 等 酋 i设备 i i 传感器 i节点 i 冒 i设备 i i 嚣 冒 l设备 i 图2 1 无线远程监测系统总体架构 i 传感器 节点 冒 i设备 2 2 2 实现技术选择 关键技术点主要包括以下几个方面： 1 ) 工作方式：在线监测； 2 ) 传感器类型：i c p 加速度传感器a 6 0 1 ； 3 ) 数据采集方式：各个节点的工作状态由上位机控制。采用t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 多址分时接入) 的工作方式，每个时间段上只有一个节点 接入工作。为了节省功耗，每个节点工作间隔以分钟为单位，正常工作传输时 只传送特征值( 如加速度单峰值) ，同时传感器节点存储一组当前波形数据，若 上位机请求可上传此波形数据； 4 ) 结构：采用最简单的星型拓扑。星型时，每个区域或机组有若干无线传 1 0 系统总体方案设计 感器节点，节点采集到振动数据后，与监测计算机通信，监测计算机与工业以 太网相连。若通信距离不够，就要连接路由器采用中继接力的方式进行数据传 输，节点设计中预留对此通信方式的支持；路由器节点和无线传感器节点采用 同样的软硬件结构，只是在传感器节点要连接传感器而路由器节点不需要此环 节。 5 ) 实施方式：分布实施，各无线传感器节点采用同样的软硬件模块，传感 器节点采用在i c p 加速度传感器的基础上，加上数据采集和传输模块的方式进 行。每个传感器节点相当于一个网络节点，利用z i g b e e 无线通信技术组网，这 种方式单个的传输距离可达l o o m ，如果转接路由器，即可延长传输距离0 5 1 ，根 据现场条件和需要，传感器节点最多可达5 0 个。 2 3 设计方法和思路 2 3 1 设计方法的确定 随着仪器仪表的智能化和多功能化，大多数系统的设计都是一个复杂而综 合的任务，其设计靠一个单元电路、一段基本程序是解决不了问题的，本课题 的设计也是这样。 设计时先对设计对象做出全面的定义和说明，然后将设计对象连同各项技 术指标分解为一批相互独立的子任务，这些子任务可以由多人分工负责，各个 部分完成后再将结果汇总起来进行整合，对错误或不合理的地方进行整改，即 可完成整个设计任务【l6 1 。本设计中采用这种新产品研发中自项向下、逐级分解 的设计方法，其思想可用图2 2 加以说明。 该方法具有以下三个特点： 1 ) 符合设计人员的思维过程； 2 ) 便于多个子系统的协同，实现并行设计； 3 ) 能将先期工作的关键约束传递到后续设计阶段。 通过对整个设计任务的分解，设备状态无线监测系统可以被分解成三个子 系统，即基于传感器终端节点的无线数据采集系统、基于z i g b e e 技术的无线数 据传输系统、监测计算机数据处理和以太网数据传输系统。但是无论多少子系 统，都无非是硬件设计和软件设计，在这种情况下，通过软硬件的协调来优化 设计方案，可以提高产品的质量和性能，降低开发成本。 系统总体方案设计 图2 2自顶向下、逐级分解设计思想 2 3 2 设计环境的构建 1 电子线路设计工具p r o t e l p r o t e l 一直以来都是国内流行的电子线路自动设计工具，它最初是由一款基 于p r o t e lf o rd o s 的软件发展而来的，目前使用最广泛的两个版本是p r o t e l9 9 s e 和p r o t e ld x p 。p r o t e ld x p 是a l t i u m 公司在2 0 0 2 年推出的一款基于w i n d o w sx p 的优秀电路设计软件，功能强大，使用方便，深受广大电子工程师的喜爱。p r o t e l d x p 集成了多种工具软件，主要由以下两部分组成【1 7 l ： 1 ) 原理图设计系统。它既可以设计电路原理图，也可以用来绘制电路仿真 原理图。 2 ) 电路板( p c b ) 设计系统。它和原理图设计系统关系密切，二者通过同 步器来实现设计的同步，生成的p c b 文件可以直接送到工厂进行加工。 在本设备状态无线监测系统中主要利用原理图设计系统和p c b 设计系统进 行硬件方面的设计。 2 硬件平台c 5 l i 心3 本文设计的设备状态无线远程监测系统采用的无线传感器网络硬件研究平 1 2 系统总体方案设计 台为成都无线通