面向机械振动监测的无线传感器网络节点的设计

1、中国科技论文在线面向机械振动监测的无线传感器网络节点的设计邸永峰，汤宝平，蔡巍巍作者简介：邸永峰（1984年-)，男，重庆大学机械工程学院机械电子工程硕士研究生。研究方向为无线传感器网络、测试计量技术和仪器. E-mail: diyongfeng9188College of Mechanical Engineering,Chongqing University;College of Mechanical Engineering,Chongqing University;College of Mechanical Engineering,

2、Chongqing University重庆大学机械工程学院;重庆大学机械工程学院;重庆大学机械工程学院40003015215155959;重庆大学A区机械工程学院;diyongfeng918823;bptang;cwwever邸永峰（1984年-)，男，重庆大学机械工程学院机械电子工程硕士研究生。研究方向为无线传感器网络、测试计量技术和仪器。;邸永峰;汤宝平;蔡巍巍DI Yongfeng;TANG Baoping;CAI Weiwei邸永峰高等学校博士学科点专项科研基金（20090191110005）；国家自然科学基金资助项目（50875272）1

3、.51.51.51*|*期刊*|*汤宝平,曹小佳,张国垒. 机械振动监测的无线传感器网络时间同步研究J. 中国机械工程，2010,21(10):1190-1193.2*|*期刊*|*Jennifer Yick,Biswanath Mukherjee,Dipak Ghosal.Wireless sensor network surveyJ.Computer Networks,2008,52(12):2292-2330.3*|*期刊*|*尚盈,袁慎芳,吴键,丁建伟,李耀曾.基于无线传感器网络的大型结构健康检测系统J. 数据采集与处理,2009,24(2):254-258.4*|*期刊*|*汤宝平,

4、贺超,曹小佳.面向机械振动监测的无线传感器网络结构J.振动、测试与诊断,2010,30(4):357-361.5*|*期刊*|*余娟.无线传感器网络及其在机械设备振动监测中的运用研究J.科技信息,2009,35:452-453.6*|*期刊*|*Andreas Vogl,Dag T.Wang,Preben Storas,Thor Bakke, Maaike M.V.Taklo,Allan Thomson,Lennart Balgard. Design,process and characterisation of a high-performance vibration sensor for

5、wireless condition monitoringJ. Sensors and Actuators A 153(2009) 155-161.*|1|邸永峰|DI Yongfeng|重庆大学机械工程学院|College of Mechanical Engineering,Chongqing University|邸永峰（1984年-)，男，重庆大学机械工程学院机械电子工程硕士研究生。研究方向为无线传感器网络、测试计量技术和仪器。|重庆大学A区机械工程学院|400030|diyongfeng91882315215155959|2|汤宝平|TANG Baoping|

6、重庆大学机械工程学院|College of Mechanical Engineering,Chongqing University|bptang|3|蔡巍巍|CAI Weiwei|重庆大学机械工程学院|College of Mechanical Engineering,Chongqing University|cwwever|面向机械振动监测的无线传感器网络节点的设计|Design of Wireless Sensor Network Node For Mechanical Vibration Monitoring|高等学校博士学科点专项科研基金（20090191110005）；国家自然科学基

7、金资助项目（50875272）- 7 -（重庆大学机械工程学院）摘要：针对机械振动信号监测的特点和现有无线传感器网络节点的不足，提出了一种基于MEMS加速度传感器的无线传感器网络大容量测振节点的设计。节点采用了模块化的设计思想，主要包括AVR微控制器、可编程逻辑器件CPLD、多通道16位AD转换器、SD卡存储器和MEMS传感器。初步解决机械振动信号采集和大容量存储的难题。通过实验验证了该设计方案的可行性。关键词：无线传感器网络；振动监测；MEMS传感器；16位模/数转换器；海量存储中图分类号：TP393Design of Wireless Sensor Network Node For Mec

8、hanical Vibration MonitoringDI Yongfeng, TANG Baoping, CAI Weiwei(College of Mechanical Engineering,Chongqing University)Abstract: Aiming at the characteristics of machinery vibration measurement and lack of existing wireless sensor network node, a wireless sensor network node based on MEMS sensor T

9、he node which use modular design methods contains AVR Microcontroller, CPLD,16-bit AD,SD card and MEMS sensor. It solves the acquisition of the mechanical vibration signal and the large storage capacity of wireless sensor network nodes. Experiment demonstrates the feasibility of design.Key words: WS

10、N; mechanical vibration monitoring; MEMS sensor; 16-bit AD; large capacity0 引言旋转机械在工业上应用越来越广泛，成为许多大型生产设备系列中不可缺少的关键设备。大型旋转设备的可靠性、可用性、可维修性和安全性的问题日益突出，机器振动监测技术显得尤为重要1。现有的机械振动监测系统普遍采用有线连接的方式，均难以避免布线复杂，成本高，电缆易于磨损，可维护性差，缺少灵活性等特点。一个可选择的 解决思路就是采用新兴的无线传感器网络监测模式来构建机械振动监测系统2。无线传感器网络具有无需布线，易于部署，网络自组织能力和局部信号处理等特

11、点，因此可以利用无线传感器网络将传统的串行处理，集中式处理的系统变成分布式处理3来解决以上问题。目前已有的无线传感器网络节点如Crossbow公司的节点Micaz采用8位ATmega128微处理器做控制核心。Micaz节点的数据采集可以通过处理器片内的一个10位AD转换器采集模拟量，也可以通过数据采集板的独立的AD转换器以更高的精度进行采集，同时数据采集板上集成了温度和光传感器。ATmega128片内的RAM有4K字节，其扩展的数据采集板MDA320提供了64K的EEPROM存储器。经过研究表明，这些传感器节点不适合机械振动信号的采集，原因有几个方面：其一，机械测试中所要求的采样频率通常在1k

12、Hz10kHz范围内，高频采样将产生大量的振动数据，现有的节点存储容量都很小，只适合于缓变量的采集与暂存4。其二，机械振动信号的要求比较高精度的采集，以便分析与发现微弱的故障信号，而现有的传感器节点大多数采用处理器片内AD转换器来采集模拟信号。处理器片内AD一般精度较低，且易受处理器的数字电路干扰，信噪比低，而且采样率较低，一般用来采集温度，光照等对精度要求不高的缓变信号。针对上述问题，本文提出了一种基于MEMS加速度传感器的无线传感器网络大容量测振节点的设计方案。1 节点总体方案设计由于无线传感器网络节点体积小，通常携带能量十分有限的电池，处理器模块作为节点的核心模块，其低功耗特性就显得非常

13、重要。因此，其低功耗特性就显得非常重要。因此，本节点采用了AVR微控制器+CC2430无线收发模块的结构，节点主要由微处理器板，数据采集板，编程调试接口板，无线射频板和传感器板组成。在硬件设计时充分考虑了不同的监测对象和监测模式对硬件的不同需求，硬件设计采取了模块化，可替换组合的设计思想，方便用户根据监测对象的需求和成本选用合适的硬件组合方案。图1 节点电路功能模块框图Fig.1 structural diagram of WSN node图1为节点电路功能模块框图，其中传感器板为无线传感器网络模式下的监测和传统监测方式之间提供了一个柔性连接机制，传统的压电加速度传感器在频响、线性度方面性能优

14、越，但是一般的压电加速度传感器都需要12V 左右的供电电压，在电池供电的系统中使用不方便，同时非ICP 型号的还需要配置前置放大器，体积较大。相对于压电传感器，价格低廉，体积微小的MEMS 加速度传感器在无线传感器显示了极大的优越性5。本节点设计中优先采用了MEMS 加速度传感器，同时预留了与传统传感器的接口。对于模数转换模块，考虑到处理器性能、节点成本和存储容量等方面进行了折中，采用了ADI公司的16位具有同步通信接口的ADS8344 AD转换器，同时对于如温度等一些缓变量的采集也可以选择片内的AD转换器。节点采用了双处理器核心的设计，有利于提高系统性能，也方便灵活的搭配与组合。为了满足高速

15、高精度的数据采集，为节点设计了以SD卡为存储介质的海量存储系统。2 节点硬件设计2.1 MCU模块为了提高系统的性能，本节点采用了双处理器的模式。处理器模块是无线传感器网络节点的核心模块，用于完成数据存储，数据处理，执行通信协议和节点调度管理等工作。本系统采用了ATMEL公司的高性能，低功耗AVR微控制器，它采用先进的RISC架构，具有丰富的外设，包括32KB片内可编程Flash，1KB的EEPROM和2KB的片内SRAM，有8通道10位AD转换器，具有UART、SPI、I2C总线等接口，方便了无线射频模块和传感器的接入和利用SD卡扩展存储容量。2.2 数据采集模块2.2.1 CPLD模块在通

16、常的数据采集系统中，通常是用CPU自带的AD转换器进行采集， 在CPU的控制之下将数据存入存储器，这样就受限于CPU的性能，无法对数据进行高速实时的采集，在高速采集系统中，通常采用双口RAM方式，FIFO方式或者高速SRAM方式来满足高速数据缓存，对于本系统的数据采集模块，既提供了独立的数据采集板以16bit精度的数据采集，又可以由用户在精度和速度要求不高的场合下选择节点处理器片内的AD转换器。考虑到成本的问题，本系统采用了CPLD+SRAM的方式来实现数据的高速采集，其采集系统原理如图2所示，改善了数据采集与数据处理之间速度不匹配这一个瓶颈问题。采用高性能的Altera公司的MAX II系列

17、EPM570，采用了有源24M晶振输入。MAX II器件是是目前业界成本最低的CPLD。这种体系结构大大降低了系统功耗，体积和成本。图2 数据采集结构图Fig.2 structural diagram of data acquisitionCPLD在该系统中的主要作用是：1、分频：CPLD模块采用了24M的有源晶振，通过分频输出AD_CLK来控制ADS8344的采样速率。2、控制：由CPLD来控制AD数据转换和存储。3、FIFO：利用CPLD实现了FIFO数据缓冲器，在采集系统和CPU之间用FIFO充当接口，这样就不需要额外的数据地址线，减少了IO口的使用。2.2.2 AD转换器模块ADS83

18、44是一个8通道，16位逐次逼近型的具有同步通信接口的AD转换器。在5v供电和100k的采样率下的功耗仅为10mW。参考电压VRE的的范围从500mV到VCC。相应的每个模拟通道的输入电压范围为0V到VREF,采用2.7v至5v的单电源供电，掉电模式能够把功耗减少到15uW。低功耗，高速率和片内多路复用器使得ADS8344成为电池供电系统的理想选择。ADS8344的八个模拟输入通道可以配置成单端输入或者差分输入。在3.3V的工作电压下时输出灵敏度是16mV/g。ADS8344参考电压采用了精密稳压REF3120，其输出为2.048V，REF3120的小体积，低功耗和低压降使得它非常适用于便携式

19、和电池供电系统中。REF3120对任何容性负载都是稳定的，且可以工作在一40125温度范围内。2.2.3 传感器选型在机械故障诊断应用中，对加速度传感器的要求是共振频率最少为10kHz，最少30g的测量范围，具有高的线性响应和噪声本底小于5mgRMS6。在传感器的选择上需要在成本和性能两个方面进行折中。对于振动频率相对较高的机械振动检测（采样频率通常在1kHz10kHz范围内），本方案采用了ADI公司的ADXL001加速度传感器，采样频率可以达到22kHz, 低噪音本底（4mgRMS）和很出色的线性特性使得这款器件非常适合需要宽带宽、低功耗的旋转机械振动与冲击测量采集系统。ADXL001是首款

20、MEMS的高带宽振动和冲击传感器，与前几代加速度传感器相比，其最大优点是性能更好和带宽更宽。ADXL001基于ADI公司专有的MEMS技术，可提供三种全程动态范围：70g,250g和500g，所用三种传感器都具有较宽的带宽（22kHz），频率响应可达到直流等级。ADXL001采用3.3V或5V电源供电。此外，ADXL001无需校准，非常适合于要求高带宽,小体积,低功耗和非常强健的性能的工业应用领域。2.3 数据存储模块由于AD转换模块ADS8344采样率高达100k，而基于Zigbee的无线传感器网络的通信速率有限，最大速率仅250kbps,再加上节点工作的占空比非常小，采集到的很多振动信号数

21、据不能马上发送出去，而通常单片机采用的内置的存储单元的RAM或小容量的FLASH存储芯片，由于系统处理速度慢，存储容量小等原因难以满足振动数据海量储存的需求，所以需要一个大容量的数据存储器来暂存这些数据。本系统采用了大容量SD卡来暂存这些数据，解决了以上问题。SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代存储设备。SD卡存储容量高达32GB，很高的数据传输率，极大地移动灵活性和安全性，掉电后仍然可以保存数据，被广泛地用于便携式装置上使用。SD卡支持SD模式和SPI模式两种通信方式，本系统采用了SPI通信方式，并移植了fatfs文件系统。2.4 无线射频模块CC2430是Chipcon公司推出的用来实

22、现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它支持ZigBee协议，CC2430片上系统的功能模块集成了CC2420 RF收发器，增强工业标准的8051MCU,本系统采用的CC2430-F128具有128KB的闪存，8KB的SRAM等高性能模块，结合了TI业界领先的Zigbee协议栈之后，被认为是市面上最具竞争力的Zigbee解决方案。3 节点软件设计本系统采用了多簇树型拓扑结构，层次化的路由协议。无线传感器节点采用了双处理器的设计，AVR处理器与无线射频模块CC2430通过串口来完成来互，包括AVR振动数据和CC2430无线模块接收到的控制指令。CC2430无线模块中定义了两个程序，一个负责收发无线

23、消息，主要包括接收从终端节点发送过来的命令消息和发送数据到监控端。另一个负责AVR芯片通信，主要是通过串口发出控制命令和从串口接收采集到的数据。两个应用程序对象通过OSAL提供了消息机制进行交互，相互协作共同完成节点上的程序功能。AVR芯片主要实现数据采集和存储功能，它根据主控制器芯片的命令进行操作，采集完成后再把数据发送给主控制芯片。图3 振动信号采集流程Fig.3 the acquisition of the mechanical vibration signal振动信号采集流程如图3所示,系统上电以后，需要完成硬件平台和软件架构各个模块的初始化。由于采用了双处理器的设计方法，系统的初始化

24、包括两部分：AVR和CC2430的初始化。数据采集开始后，ADS8344对振动信号进行采样，CPLD将采集到的数据送入SRAM进行暂存，当SRAM半满时由CPLD向Atmega32微控制器发出中断信号，AVR开始读取数据并将其存储在SD卡上，SD卡上的数据经由串口USART发往无线射频模块。4 实验分析为测试本节点应用于机械振动监测中的性能，选用了ADI公司的ADXL001加速度传感器，通过节点的数据采集板上的16位AD转换器获取振动信号，无线传感器网络节点实物如图4所示。图4 节点实物Fig.4 the photo of the node在实验中通过以1kHz采样频率对振动信号进行采集并将其存储在SD卡上，然后在PC端对SD卡上的振动数据进行分析。如图5所示为无线传感器网络1个节点所采集到的振动冲击响应的时域波形及其幅值谱。图5 振动信号时域波形及其幅值谱Fig.5 The time-domain wavefrom and amplitude spectrum of vibration sign