面向機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

1、中國科技論文在線面向機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)邸永峰，湯寶平，蔡巍巍作者簡(jiǎn)介：邸永峰（1984年-)，男，重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程碩士研究生。研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、測(cè)試計(jì)量技術(shù)和儀器. E-mail: diyongfeng9188College of Mechanical Engineering,Chongqing University;College of Mechanical Engineering,Chongqing University;College of Mechanical Engineering,

2、Chongqing University重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院40003015215155959;重慶大學(xué)A區(qū)機(jī)械工程學(xué)院;diyongfeng918823;bptang;cwwever邸永峰（1984年-)，男，重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程碩士研究生。研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、測(cè)試計(jì)量技術(shù)和儀器。;邸永峰;湯寶平;蔡巍巍DI Yongfeng;TANG Baoping;CAI Weiwei邸永峰高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20090191110005）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50875272）1

3、.51.51.51*|*期刊*|*湯寶平,曹小佳,張國壘. 機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步研究J. 中國機(jī)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,吳鍵,丁建偉,李耀曾.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大型結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)J. 數(shù)據(jù)采集與處理,2009,24(2):254-258.4*|*期刊*|*湯寶平,

4、賀超,曹小佳.面向機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)J.振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2010,30(4):357-361.5*|*期刊*|*余娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的運(yùn)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|重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院|College of Mechanical Engineering,Chongqing University|邸永峰（1984年-)，男，重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程碩士研究生。研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、測(cè)試計(jì)量技術(shù)和儀器。|重慶大學(xué)A區(qū)機(jī)械工程學(xué)院|400030|diyongfeng91882315215155959|2|湯寶平|TANG Baoping|

6、重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院|College of Mechanical Engineering,Chongqing University|bptang|3|蔡巍巍|CAI Weiwei|重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院|College of Mechanical Engineering,Chongqing University|cwwever|面向機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)|Design of Wireless Sensor Network Node For Mechanical Vibration Monitoring|高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20090191110005）；國家自然科學(xué)基

7、金資助項(xiàng)目（50875272）- 7 -（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）摘要：針對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)和現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不足，提出了一種基于MEMS加速度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大容量測(cè)振節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括AVR微控制器、可編程邏輯器件CPLD、多通道16位AD轉(zhuǎn)換器、SD卡存儲(chǔ)器和MEMS傳感器。初步解決機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集和大容量存儲(chǔ)的難題。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；振動(dòng)監(jiān)測(cè)；MEMS傳感器；16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；海量存儲(chǔ)中圖分類號(hào)：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 引言旋轉(zhuǎn)機(jī)械在工業(yè)上應(yīng)用越來越廣泛，成為許多大型生產(chǎn)設(shè)備系列中不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備。大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的可靠性、可用性、可維修性和安全性的問題日益突出，機(jī)器振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)顯得尤為重要1。現(xiàn)有的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍采用有線連接的方式，均難以避免布線復(fù)雜，成本高，電纜易于磨損，可維護(hù)性差，缺少靈活性等特點(diǎn)。一個(gè)可選擇的 解決思路就是采用新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模式來構(gòu)建機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有無需布線，易于部署，網(wǎng)絡(luò)自組織能力和局部信號(hào)處理等特

11、點(diǎn)，因此可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)的串行處理，集中式處理的系統(tǒng)變成分布式處理3來解決以上問題。目前已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如Crossbow公司的節(jié)點(diǎn)Micaz采用8位ATmega128微處理器做控制核心。Micaz節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集可以通過處理器片內(nèi)的一個(gè)10位AD轉(zhuǎn)換器采集模擬量，也可以通過數(shù)據(jù)采集板的獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換器以更高的精度進(jìn)行采集，同時(shí)數(shù)據(jù)采集板上集成了溫度和光傳感器。ATmega128片內(nèi)的RAM有4K字節(jié)，其擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集板MDA320提供了64K的EEPROM存儲(chǔ)器。經(jīng)過研究表明，這些傳感器節(jié)點(diǎn)不適合機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的采集，原因有幾個(gè)方面：其一，機(jī)械測(cè)試中所要求的采樣頻率通常在1k

12、Hz10kHz范圍內(nèi)，高頻采樣將產(chǎn)生大量的振動(dòng)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量都很小，只適合于緩變量的采集與暫存4。其二，機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的要求比較高精度的采集，以便分析與發(fā)現(xiàn)微弱的故障信號(hào)，而現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)大多數(shù)采用處理器片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器來采集模擬信號(hào)。處理器片內(nèi)AD一般精度較低，且易受處理器的數(shù)字電路干擾，信噪比低，而且采樣率較低，一般用來采集溫度，光照等對(duì)精度要求不高的緩變信號(hào)。針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于MEMS加速度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大容量測(cè)振節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。1 節(jié)點(diǎn)總體方案設(shè)計(jì)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，通常攜帶能量十分有限的電池，處理器模塊作為節(jié)點(diǎn)的核心模塊，其低功耗特性就顯得非常

13、重要。因此，其低功耗特性就顯得非常重要。因此，本節(jié)點(diǎn)采用了AVR微控制器+CC2430無線收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)主要由微處理器板，數(shù)據(jù)采集板，編程調(diào)試接口板，無線射頻板和傳感器板組成。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)模式對(duì)硬件的不同需求，硬件設(shè)計(jì)采取了模塊化，可替換組合的設(shè)計(jì)思想，方便用戶根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的需求和成本選用合適的硬件組合方案。圖1 節(jié)點(diǎn)電路功能模塊框圖Fig.1 structural diagram of WSN node圖1為節(jié)點(diǎn)電路功能模塊框圖，其中傳感器板為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模式下的監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式之間提供了一個(gè)柔性連接機(jī)制，傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器在頻響、線性度方面性能優(yōu)

14、越，但是一般的壓電加速度傳感器都需要12V 左右的供電電壓，在電池供電的系統(tǒng)中使用不方便，同時(shí)非ICP 型號(hào)的還需要配置前置放大器，體積較大。相對(duì)于壓電傳感器，價(jià)格低廉，體積微小的MEMS 加速度傳感器在無線傳感器顯示了極大的優(yōu)越性5。本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中優(yōu)先采用了MEMS 加速度傳感器，同時(shí)預(yù)留了與傳統(tǒng)傳感器的接口。對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，考慮到處理器性能、節(jié)點(diǎn)成本和存儲(chǔ)容量等方面進(jìn)行了折中，采用了ADI公司的16位具有同步通信接口的ADS8344 AD轉(zhuǎn)換器，同時(shí)對(duì)于如溫度等一些緩變量的采集也可以選擇片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器。節(jié)點(diǎn)采用了雙處理器核心的設(shè)計(jì)，有利于提高系統(tǒng)性能，也方便靈活的搭配與組合。為了滿足高速

15、高精度的數(shù)據(jù)采集，為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了以SD卡為存儲(chǔ)介質(zhì)的海量存儲(chǔ)系統(tǒng)。2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)2.1 MCU模塊為了提高系統(tǒng)的性能，本節(jié)點(diǎn)采用了雙處理器的模式。處理器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心模塊，用于完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理，執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理等工作。本系統(tǒng)采用了ATMEL公司的高性能，低功耗AVR微控制器，它采用先進(jìn)的RISC架構(gòu)，具有豐富的外設(shè)，包括32KB片內(nèi)可編程Flash，1KB的EEPROM和2KB的片內(nèi)SRAM，有8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，具有UART、SPI、I2C總線等接口，方便了無線射頻模塊和傳感器的接入和利用SD卡擴(kuò)展存儲(chǔ)容量。2.2 數(shù)據(jù)采集模塊2.2.1 CPLD模塊在通

16、常的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常是用CPU自帶的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集， 在CPU的控制之下將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，這樣就受限于CPU的性能，無法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)的采集，在高速采集系統(tǒng)中，通常采用雙口RAM方式，F(xiàn)IFO方式或者高速SRAM方式來滿足高速數(shù)據(jù)緩存，對(duì)于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，既提供了獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集板以16bit精度的數(shù)據(jù)采集，又可以由用戶在精度和速度要求不高的場(chǎng)合下選擇節(jié)點(diǎn)處理器片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器?？紤]到成本的問題，本系統(tǒng)采用了CPLD+SRAM的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集，其采集系統(tǒng)原理如圖2所示，改善了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理之間速度不匹配這一個(gè)瓶頸問題。采用高性能的Altera公司的MAX II系列

17、EPM570，采用了有源24M晶振輸入。MAX II器件是是目前業(yè)界成本最低的CPLD。這種體系結(jié)構(gòu)大大降低了系統(tǒng)功耗，體積和成本。圖2 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖Fig.2 structural diagram of data acquisitionCPLD在該系統(tǒng)中的主要作用是：1、分頻：CPLD模塊采用了24M的有源晶振，通過分頻輸出AD_CLK來控制ADS8344的采樣速率。2、控制：由CPLD來控制AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。3、FIFO：利用CPLD實(shí)現(xiàn)了FIFO數(shù)據(jù)緩沖器，在采集系統(tǒng)和CPU之間用FIFO充當(dāng)接口，這樣就不需要額外的數(shù)據(jù)地址線，減少了IO口的使用。2.2.2 AD轉(zhuǎn)換器模塊ADS83

18、44是一個(gè)8通道，16位逐次逼近型的具有同步通信接口的AD轉(zhuǎn)換器。在5v供電和100k的采樣率下的功耗僅為10mW。參考電壓VRE的的范圍從500mV到VCC。相應(yīng)的每個(gè)模擬通道的輸入電壓范圍為0V到VREF,采用2.7v至5v的單電源供電，掉電模式能夠把功耗減少到15uW。低功耗，高速率和片內(nèi)多路復(fù)用器使得ADS8344成為電池供電系統(tǒng)的理想選擇。ADS8344的八個(gè)模擬輸入通道可以配置成單端輸入或者差分輸入。在3.3V的工作電壓下時(shí)輸出靈敏度是16mV/g。ADS8344參考電壓采用了精密穩(wěn)壓REF3120，其輸出為2.048V，REF3120的小體積，低功耗和低壓降使得它非常適用于便攜式

19、和電池供電系統(tǒng)中。REF3120對(duì)任何容性負(fù)載都是穩(wěn)定的，且可以工作在一40125溫度范圍內(nèi)。2.2.3 傳感器選型在機(jī)械故障診斷應(yīng)用中，對(duì)加速度傳感器的要求是共振頻率最少為10kHz，最少30g的測(cè)量范圍，具有高的線性響應(yīng)和噪聲本底小于5mgRMS6。在傳感器的選擇上需要在成本和性能兩個(gè)方面進(jìn)行折中。對(duì)于振動(dòng)頻率相對(duì)較高的機(jī)械振動(dòng)檢測(cè)（采樣頻率通常在1kHz10kHz范圍內(nèi)），本方案采用了ADI公司的ADXL001加速度傳感器，采樣頻率可以達(dá)到22kHz, 低噪音本底（4mgRMS）和很出色的線性特性使得這款器件非常適合需要寬帶寬、低功耗的旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)與沖擊測(cè)量采集系統(tǒng)。ADXL001是首款

20、MEMS的高帶寬振動(dòng)和沖擊傳感器，與前幾代加速度傳感器相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是性能更好和帶寬更寬。ADXL001基于ADI公司專有的MEMS技術(shù)，可提供三種全程動(dòng)態(tài)范圍：70g,250g和500g，所用三種傳感器都具有較寬的帶寬（22kHz），頻率響應(yīng)可達(dá)到直流等級(jí)。ADXL001采用3.3V或5V電源供電。此外，ADXL001無需校準(zhǔn)，非常適合于要求高帶寬,小體積,低功耗和非常強(qiáng)健的性能的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊由于AD轉(zhuǎn)換模塊ADS8344采樣率高達(dá)100k，而基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信速率有限，最大速率僅250kbps,再加上節(jié)點(diǎn)工作的占空比非常小，采集到的很多振動(dòng)信號(hào)數(shù)

21、據(jù)不能馬上發(fā)送出去，而通常單片機(jī)采用的內(nèi)置的存儲(chǔ)單元的RAM或小容量的FLASH存儲(chǔ)芯片，由于系統(tǒng)處理速度慢，存儲(chǔ)容量小等原因難以滿足振動(dòng)數(shù)據(jù)海量儲(chǔ)存的需求，所以需要一個(gè)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來暫存這些數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了大容量SD卡來暫存這些數(shù)據(jù)，解決了以上問題。SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代存儲(chǔ)設(shè)備。SD卡存儲(chǔ)容量高達(dá)32GB，很高的數(shù)據(jù)傳輸率，極大地移動(dòng)靈活性和安全性，掉電后仍然可以保存數(shù)據(jù)，被廣泛地用于便攜式裝置上使用。SD卡支持SD模式和SPI模式兩種通信方式，本系統(tǒng)采用了SPI通信方式，并移植了fatfs文件系統(tǒng)。2.4 無線射頻模塊CC2430是Chipcon公司推出的用來實(shí)

22、現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持ZigBee協(xié)議，CC2430片上系統(tǒng)的功能模塊集成了CC2420 RF收發(fā)器，增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU,本系統(tǒng)采用的CC2430-F128具有128KB的閃存，8KB的SRAM等高性能模塊，結(jié)合了TI業(yè)界領(lǐng)先的Zigbee協(xié)議棧之后，被認(rèn)為是市面上最具競(jìng)爭(zhēng)力的Zigbee解決方案。3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了多簇樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，層次化的路由協(xié)議。無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用了雙處理器的設(shè)計(jì)，AVR處理器與無線射頻模塊CC2430通過串口來完成來互，包括AVR振動(dòng)數(shù)據(jù)和CC2430無線模塊接收到的控制指令。CC2430無線模塊中定義了兩個(gè)程序，一個(gè)負(fù)責(zé)收發(fā)無線

23、消息，主要包括接收從終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的命令消息和發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控端。另一個(gè)負(fù)責(zé)AVR芯片通信，主要是通過串口發(fā)出控制命令和從串口接收采集到的數(shù)據(jù)。兩個(gè)應(yīng)用程序?qū)ο笸ㄟ^OSAL提供了消息機(jī)制進(jìn)行交互，相互協(xié)作共同完成節(jié)點(diǎn)上的程序功能。AVR芯片主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能，它根據(jù)主控制器芯片的命令進(jìn)行操作，采集完成后再把數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制芯片。圖3 振動(dòng)信號(hào)采集流程Fig.3 the acquisition of the mechanical vibration signal振動(dòng)信號(hào)采集流程如圖3所示,系統(tǒng)上電以后，需要完成硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)各個(gè)模塊的初始化。由于采用了雙處理器的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)的初始化

24、包括兩部分：AVR和CC2430的初始化。數(shù)據(jù)采集開始后，ADS8344對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，CPLD將采集到的數(shù)據(jù)送入SRAM進(jìn)行暫存，當(dāng)SRAM半滿時(shí)由CPLD向Atmega32微控制器發(fā)出中斷信號(hào)，AVR開始讀取數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在SD卡上，SD卡上的數(shù)據(jù)經(jīng)由串口USART發(fā)往無線射頻模塊。4 實(shí)驗(yàn)分析為測(cè)試本節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)中的性能，選用了ADI公司的ADXL001加速度傳感器，通過節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集板上的16位AD轉(zhuǎn)換器獲取振動(dòng)信號(hào)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖4所示。圖4 節(jié)點(diǎn)實(shí)物Fig.4 the photo of the node在實(shí)驗(yàn)中通過以1kHz采樣頻率對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集并將其存儲(chǔ)在SD卡上，然后在PC端對(duì)SD卡上的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖5所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)1個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集到的振動(dòng)沖擊響應(yīng)的時(shí)域波形及其幅值譜。圖5 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域波形及其幅值譜Fig.5 The time-domain wavefrom and amplitude spectrum of vibration sign