毕业论文-基于无线传感器的振动检测

摘要

无线传感网络是随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展而产生的。以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革，无线传感器网络就是由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络具有众多类型的传感器，可以探测包括地震、电磁、温度、湿度、光强度、压力、加速度等等一系列的现象。丰富的功能为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。本文所使用的是美国克尔斯博公司生产的无线振动套件，其附带的加速计可以测量最高10G的加速度。已经成功应用于对高压输电线路、船舶动力舱、机械转轴上的滚珠轴承的振动监测。

本文所做的工作是在TinyOS下使用nesC语言进行应用程序开发，搭建起一个具有基本功能的基于无线传感器网络的振动监测系统。我们将一个三轴加速计、一块模数转换器板和一个XM2110无线电板连在一起形成一个基本的数据采集节点，使用MIB520板作为网关节点。由此搭建起一个无线传感器网络并实现了基本的振动数据采集功能。同时使用克尔斯博公司的XServe软件对数据进行收集、分析和转发。

实验结果验证了基于无线传感器网络的振动监测系统进行现实应用的可行性和它的良好性能。向我们揭示了无线传感器网络美好的发展前景。

关键词：无线传感器网络，信息感知，微操作系统，振动监测

Abstract

Wireless sensor network (WSN)was born with the fast development of MEMS、System on Chip、wireless communication and low-power embedded technology.Its low-power, low cost, the characteristics of distributed and self-organization has brought a revolution in information perception.Wireless sensor network is deployed in the monitoring area by a large number of low-cost micro-sensor nodes, forming a multi-hop ad-hoc networks through wireless communication.

Wireless sensor networks have many kinds of sensors that can detect a series of phenomena including seismic, electromagnetic, temperature, humidity, light intensity, pressure, acceleration and so on.

The rich functionality has brought the WSN a bright future.This article uses the vibration tool kit made by Crossbow technology from the U.S.A. its accelerator can measure at most 10G of acceleration,and was successfully deployed in the monitoring of high-voltage transmission lines, ship engine compartment, and ball bearings on the machinery shaft.

What we do was to develop applications with nesC language in TinyOS and built a vibration monitoring system with basic functions based on WSN. We have put a triaxial accelerometer, a ADC board and a XM2110 radio board together to form a basic data collector mote, and used a MIB520 board as gateway. With them we built a WSN and chieved the basic function of the vibration data collection. Then we use Xserve to gother, analysis and transmit data.

Experimental results demonstrate the feasibility of practical applications of the WSN based vibration monitoring system, and show the Bright prospects of wireless sensor networks.

Keywords：wireless sensor network,information perception, TinyOS, vibration monitoring

目录

摘要...................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................. II 目录.................................................................................................................. I II 1 绪论.. (1)

1.1 选题意义 (1)

1.2 技术背景 (2)

1.3 本文工作 (2)

2 系统设计 (4)

2.1 需求分析 (4)

2.2 硬件结构 (5)

2.3 软件结构 (8)

2.4 功能流程 (16)

3 关键技术 (17)

3.1 振动数据采集 (17)

3.2 XMesh网络协议 (19)

3.3 数据处理 (22)

3.4 数据格式转换 (23)

4 测试 (25)

5 结论 (27)

致谢 (28)

参考文献 (29)

1 绪论

1.1 选题意义

当代社会的工业生产中，设备的机械化，自动化，信息化，智能化程度都日新月异的发展和进步着。设备规模越来越大，结构越来越复杂，功能越来越多，性能越来越高；这极大地提高了生产效率，改变了人们的生活方式。同时这些设备一旦产生故障也将造成重大的经济损失，有时还会带来人员伤亡和严重的环境污染。

传统的维护方式是出了故障再修理或者定期检修，但是现代工业体系中的设备往往具备大型化，连续化，高速化，自动化的特性[1]。一旦产生故障就会使整条生产线停顿，甚至对生产设备造成严重损伤，由此带来的经济损失将是不可承受的。而传统的定期检测需要大量技术娴熟经验丰富的技术员，但是此种方式往往带来检修过剩及生产线的不必要停顿。这将给企业带来额外的损失和经济负担，同时此种方法并不能及时发现机械故障。因此基于传感器的即时监测技术应运而生，这种系统可以随时监测系统运行状态。出现故障前兆立刻报警，大大减少了不必要的检修并提供有效的故障预测信息，使得预测性维护成为可能。

然而早期的在线监测系统非常昂贵，需要铺设大量的线路和专业的操作人员。而这些对于中小型企业和对故障检测及时性要求不是那么高的系统来说性能过剩，同时其昂贵的成本将许多用户挡在门外。随着电子信息产业和硬件制造技术的发展基于无线传感器网络的振动监测系统成为了可能。

基于无线传感器网络的监测系统不需要铺设大量的线路，因此可以以较低的成本组建起一个监测网络，同时在性能与成本之间达到一个均衡。振动监测对于许多现代工业设备有重要意义，各种设备中的电机及轴承在正常运转时拥有稳定的振动周期。当轴承出现磨损时便会在其振动信号中表现出异常，通过对采集到的振动信号进行时域及频域分析可以建立对应的故障信号数据库。可以在磨损出现时快速鉴别分析是何种故障，为预测性维护提供了可靠的信息。同时无线传感器节点可以在严酷的环境内长时间稳定工作，此项技术已经应用于发电机组，船舶动力舱，生产线上的机械设备以及对建筑的振动监测。同时通过精心设计的电源管理协议，基站端定时唤醒节点进行数据采集。采集完成后立刻睡眠，使得节点上的5号电池可以在高能耗电源模式下维持数月，在低能耗模式下维持1-2年。解决了无线传感器的电力供给问题，不必频繁的更换