基于ZigBee的机泵无线监测智能单元研究毕业论文.doc
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1、第一章 绪论1. 第一章 绪论1.1 课题背景及意义随着现代工业和科学技术的发展以及自动化程度的不断提高,机械设备本身技术水平和复杂度也得到大幅提高,生产系统中各设备之间的联系也越来越紧密,导致设备故障对生产的影响显著增加。已有研究成果证实,技术过程与工程系统中很多与过程异常变化或系统故障有关的问题以及可转化成为这类问题的事件,都可以在过程监控理论研究框架下得到解决1。因此,过程故障检测及其相关技术的研究,在现代化生产过程中有着深刻的价值和意义。当前的在线诊断系统多依靠传统的传感器、工业以太网等局域网实现数据的分布式采集和传输,系统的安装实施受现场条件的限制,而且信息检测点不易更改和扩充。人工
2、定时巡检的方式又过多地依靠人的操作准确性,对于恶劣和危险的环境,特别是在危险化学品生产系统中难以推广应用2。而应用无线传输技术可以解决这一难题,实现特殊地区特别是高危险区域的设备在线监测与诊断,减少或避免设备故障和安全事故的发生。将无线传感器网络技术应用于设备状态监测的无线传输过程,可以有效的摆脱工业现场的条件限制和环境威胁,并为状态监测和故障诊断提供准确的诊断数据。1.2 机泵状态监测系统的发展与现状机泵是石油化工生产建设上应用最广泛的机械设备。近些年来,随着机械工业的迅速发展,现代化的机械设备正朝着大型化、重载化、轻型化和高度自动化等方向发展。由于复杂度的提高,使得设备在结构、强度、可靠性
3、,以及材料、工艺等方面出现问题的可能性随之提高,设备损坏事件也时有发生。状态监测技术可以提高大型旋转机械的安全性,减少突发性事故,避免重大经济损失。大型旋转机械的状态监测技术研究已成为国家重点攻关项目。从50年代起,各种类型的传感器和测振仪相继出现,并开始应用于科学研究和实际工程中。之后的几十年,随着数字电路、计算机技术以及数字信号处理技术的发展,进一步推动了振动检测技术在机械设备上的应用。70年代到80年代,许多发达国家渐渐开始对机械设备的状态监测与故障诊断技术进行研究。80年代国内一些高校和科研单位开始进行机械设备状态监测与故障诊断技术的理论研究和小范围工程实际应用研究3。并且在冶金、化工
4、、机械、交通、电力及核工业等部门取得了一批卓有成效的成果,如哈尔滨工业大学研制的微计算机化旋转机械状态监测故障诊断装置“MMMD-III”、哈尔滨电工仪表所等单位联合研制的“200MW汽轮发电机组状态监测/分析及故障诊断系统2HX-10”等,目前全国已有数十个单位开展设备故障诊断技术的研究工作,各行业都很重视在关键设备上装备故障诊断系统,特别是具有智能化功能的故障诊断专家系统,并已经成功开发了20种以上的机组故障诊断系统。目前,国内外比较典型的状态监测方式主要有三种4:离线定期监测:测试人员定期到现场利用传感器对各测点进行测量,并记录信号,在专用的计算机上进行数据处理和分析。在线检测离线分析:
5、在设备上多个测点安装传感器,由现场微处理器进行各测点的数据采集和处理,然后在主机上由专业人员进行分析和判断。自动在线监测:该方式不仅实现了自动在线监测设备工作状态,及时进行故障预警的功能,而且可以在线进行数据处理和分析判断。 以上三种方式,离线定期监测的系统最简单,但是测试流程繁琐,需专人进行测试,且无法及时避免突发性故障。在线检测离线分析方式应用最广,较之前者省去了现场的人力,并能及时报警,但数据的分析和判断仍然需要专业技术人员的参与。自动在线监测是目前最先进的,不需要人为更换测点,不需要专门的测试人员,也不需要专业技术人员参与分析和判断,能够根据专家经验和有关准则进行智能化的分析和判断。但
6、是软硬件的研制工作量大。1.3 论文研究的主要内容本课题研究基于ZigBee的无线传感网络组建和优化技术,研制包括传感器、数据采集、数据处理和特征提取识别以及数据传输多功能集于一体的无线传感网络单元。并将该无线传感器网络应用于机泵状态监测系统,以提供有效的现场数据,保障工业现场的生产活动能够高效、安全的进行。1.4 论文研究的难点与创新点本课题对传统的状态监测系统做了改进与创新,构建振动信号的无线传感网络,实现振动信号的数据采集和无线传输,论文的主要难点及创新点如下:(1)通信方案本课题将基于ZigBee协议的无线传感器网络应用于机泵故障诊断及在线监测的数据采集。同时,采用WiFi技术将Zig
7、Bee网络与以太网连接到一起,从而实现现场数据与服务器之间的通信。采用无线传输方式来构建相应的无线传感器环境监测网络,能够较好地解决人工及有线方式的缺点。由于ZigBee网络具有自适应和自组织的能力,可形成相应的无线传输网络。因此,对于大面积数据采集及传输应用的现场监测,它的优势相当明显。(2)传感器设计在石油、化工等过程测量与自动化控制系统中,可能出现潜在的爆炸性环境,因此在本课题的设计中传感器选择本安型,以防止爆炸的发生。振动信号是旋转机械故障诊断中非常重要的参量,可以及时有效的监测机泵的运行状态。因此,本课题对振动传感器采用双传感器的设计,不仅扩大了加速度的测量范围,也保证了加速度范围较
8、低时能有更好的精确度。(3)数据分析处理以往的状态监测系统通常将现场采集的数据全部传输到服务器,进行实时的显示和分析。本系统利用基于ARM和FPGA的现场数据采集处理模块,进行数据分析和处理,提取信号的特征参数,并对设备的状态进行简易识别,然后依据状态采取双工传输方式,设备正常时传输特征参数,设备可能出现异常时才传输波形数据,降低了ZigBee网络的传输负载和能耗,提高了系统的传输效率。1.5 论文的结构安排本文共分5个章节,各章节的内容安排如下:第一章简述本文的研究背景,介绍了机泵状态监测系统的历史、现状和技术发展趋势。并概括了本课题的主要研究内容,相对传统的状态监测系统有哪些改进和创新。第
9、二章构建了基于无线传感器网络的机泵状态监测系统,并阐述了课题研究中采用的关键技术基于ZigBee协议的无线传感器网络,并探讨了ZigBee和WiFi的干扰与共存。第三章详细介绍了无线传感器网络节点的设计,全面而详尽的描述了各个模块的设计理念和实现方式。第四章结合实际应用,分析和验证了基于ZigBee的机泵状态监测系统在实际运行中的效率。第五章对全文进行总结,并对后续应开展的研究工作给出了几点建议。第二章 系统结构及主要技术2. 第二章 系统结构及主要技术2.1 系统结构概述无线监测系统主要由客户端、现场服务器,以及现场的数据采集处理模块和无线通信系统等部分组成。数据采集处理模块负责采集传感器的
10、电压信号,并对其进行分析处理,提取有效的特征值。无线通信系统由ZigBee无线传感器网络和WiFi无线网络共同组成,其中前者用于各节点与协调器之间的数据传输,后者用于协调器与有线网络之间的数据传输。现场服务器负责存储和管理现场数据,响应客户端的请求,完成数据采集和分析处理等工作。无线监测系统结构图如图21 所示。现场服务器客户端3客户端4客户端1客户端2Router内部以太网外部以太网传感器数据采集处理模块传感器数据采集处理模块传感器传感器数据采集处理模块数据采集处理模块WiFiZigBee收发模块ZigBee收发模块ZigBee收发模块ZigBee收发模块ZigBee中心节点无线监测智能单元
11、无线监测智能单元无线监测智能单元无线监测智能单元图21 无线监测系统结构图Fig 21 Structure of wireless monitor system本课题主要研究无线监测智能单元的设计实现,并组建振动信号的无线传感网络。无线传感网络节点由传感器、数据采集处理模块和ZigBee收发模块组成,在ZigBee中心节点(即协调器)的组织下构成无线传感器网络。所有节点的数据最终汇聚到中心节点,通过WiFi网络传递给现场服务器。现场服务器也可以通过中心节点,向各个节点发送指令。多个传感器网络可同时存在,每个ZigBee中心节点负责一个网络,网络间互不干涉5。2.2 无线传感器网络技术2.2.1
12、 无线传感器网络概述第一代传感器网络可以追溯到上世纪70年代,它是由传统传感器采用点对点传输并连接传感控制器而构成。随着相关学科的不断发展和进步,逐渐形成了具备信息综合和处理的能力的第二代传感器网络。而从上世纪末开始,现场总线技术开始应用于智能化传感器网络,大量多功能传感器被运用,并通过无线技术进行连接,无线传感器网络逐渐形成6。无线传感器网络是新一代的传感器网络,具有非常广泛的应用前景,其发展和应用,将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响7。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时,将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术,商业周刊预测的未来四大新技术中,无线传感器网络也被列入其中。可
13、以预计,无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势,它的出现将会给人类社会带来极大的变革。虽然由于技术、成本等方面的制约,导致无线传感器网络还无法大规模商业应用,但是近些年来,随着微处理器体积越来越小,计算成本越来越低,已经有为数不少的无线传感器网络投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在环境的监测和保护、医疗护理、军事等领域。无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境,如井矿、核电厂等,工作人员可以通过它来实施安全监测8。它可以大幅降低检查设备的成本,并且由于可以提前发现问题,因此能够缩短停机时间,提高效率,并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段,但
14、已经表现出了巨大的应用价值,相信随着相关技术的发展和推进,必将发挥更大的应用价值。2.2.2 基于ZigBee协议的无线传感器网络ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。在ZigBee方案被提出一段时间后,IEEE 802.15.4工作组也开始了一种低速率无线通信标准的制定工作。最终ZigBee联盟和IEEE 802.15.4工作组决定合作共同制定一种通信协议标准,该协议标准被命名为“ZigBee”。ZigBee支持mesh型网络拓扑结构,网络规模可以比蓝牙设备大得多。ZigBee无线设备工作在公共频段上(全球2.4GHz,美国915MHz,欧洲868
15、MHz),传输距离为1075m,具体数值取决于射频环境以及特定应用条件下的输出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz时为250kbps,在915MHz时为40kbps,在868MHz时为20kbps。IEEE 802.15.4主要制定协议中的物理层和MAC层;ZigBee联盟则制定协议中的网络层和应用层,主要负责实现组网、安全服务等功能以及一系列无线家庭、建筑等解决方案,负责提供兼容性认证,市场运作以及协议的发展延伸。从而保证消费者从不同供应商处买到的ZigBee设备可以一起工作。完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成9,如表 21所示:表 2
16、1 ZigBee协议栈组成Table 21 Structure of ZigBee protocol应用层应用汇聚层网络层数据链路层LLCMAC物理层应用层定义了各种类型的应用业务,是协议栈的最上层用户。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上,包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。数据链路层又可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。IEEE 802.15.4的LLC子层与IEEE 802.2的相同,其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE 802.1
17、5.4 MAC子层通过SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer)协议能支持多种LLC标准,其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除,确认模式的帧传送与接收,信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。物理层采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频)技术,定义了三种流量等级:当频率采用2.4GHz时,使用16信道,能够提供250kbps的传输速率;采用915MHz时,使用10信道,能够提供40kbps的传输速率;当采用868MHz时,使用单信道,能够提供20kbps的传输速率。ZigBee网络的
18、拓扑主要有星状、网状和混合状,如图 22 所示。全功能器件精简功能器件PAN协调器星型拓扑网状拓扑簇树型拓扑图 22 ZigBee网络拓扑结构Fig 22 ZigBee network topology星型拓扑具有组网简单、成本低和电池使用寿命长的优点;但网络覆盖范围有限,可靠性不及网状拓扑结构,一旦中心节点发生故障,所有与之相连的网络节点的通信将中断。网状拓扑具有可靠性高、覆盖范围大的优点;缺点是电池使用寿命短、管理复杂。混合状拓扑综合了以上两种拓扑的特点,这种组网通常会使ZigBee网络更加灵活、高效、可靠。2.2.3 ZigBee和WiFi的干扰与共存本课题采用了WiFi技术作为多个共存
19、的ZigBee网络与现场服务器之间的接入手段,既免去了繁琐的布线工作,也保证了足够的带宽。但是由于ZigBee和WiFi都主要工作在2.4 GHz的ISM 频段,它们之间势必会产生相互干扰,如何解决这一问题,使得这两种无线技术能够共存,对本课题的研究至关重要。IEEE802.15.4把Zigbee的2.4 GHz ISM频段划分为16个带宽为2 MHz的信道,如图 23所示。图 23 ZigBee信道在2.4GHz频段上的分布Fig 23 ZigBee channel distribution in the 2.4GHz frequency bandIEEE 802.11b/g工作在2.42.
20、4835GHz频段,这些频段被分为11或13个信道,具体情况根据不同国家或地区的法规有所不同。在美国,FCC 法规仅允许信道1到11被使用。在欧洲113被允许用在802.11b操作中(1、5、9和13经常被配置)。在日本,所有的14信道被允许用在802.11b操作中。在表 22 中列出了IEEE 802.11b/g在不同国家或地区的信道ID和中心频率。表 22 WiFi信道分布Table 22 WiFi channel distribution信道标识符频率(单位:MHz)国家或地区美国EMEA日本世界其它地区124122241732422424275243262437724428244792
21、452102457112462122467-132472-142484-无重叠的信道最多只有3 个,如图 24所示。假定WiFi系统工作在任一信道,则Zigbee和其信道频率重叠的概率为1/4。当Zigbee 和WiFi 同时使用相同频段通信时,会产生带内有色噪声干扰,导致传输分组冲突10。图 24 WiFi信道在2.4GHz上的分布(无重叠)Fig 24 WiFi channel distribution in the 2.4GHz frequency band(no overlap)在无线局域网中,选择未被其它设备占用的信道是避免干扰的最佳方法11。在设备工作时,可以对ISM 频段进行扫描
22、,根据具体的判断标准动态选择最佳的传输信道,避免占用同一信道,减小干扰。在信道资源足够的前提下,也可以为ZigBee设备和WiFi设备固定的选择互不重叠的信道。显然,此种方法更加便捷且易于实现。以欧洲的情况为例,若WiFi选择信道13,则ZigBee的16个信道中的前12个都是不与之重叠的。因此,在同一区域内还可以有12个信道互不重合的ZigBee网络同时存在,这对于一般的应用已经足够了。2.3 本章小结本章首先介绍了基于ZigBee技术的机泵状态监测系统的整体结构,然后对该系统开发中涉及到的关键技术无线传感器网络技术进行了概述,并结合本系统的特点和使用需求探讨了ZigBee与WiFi相互间的
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