（电工理论与新技术专业论文）基于zigbee技术的轴承温度监控系统.pdf

基于z i 班e e 技术的轴承温度监控系统 d e s i g no fm o n i t o r i n gs y s t e mf o rb e a r i n g s o nz i g b e e a bs t r a c t t e m p e r a t u r e b a s e d t h e q u a l i t yo f t h er o l l i n gb e a r i n g si sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h e r o l l i n gm i l l t os o l v et h ep r o b l e m so fb e a r i n g sb u m i n g ，r o l l e r sd a m a g ea n de x p l o s i o nw h e n b e a r i n gi sb r o k e nw i t hah i g ht e m p e r a t u r e ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mf o r t h eb e a r i n g st e m p e r a t u r e b a s e do nt h ez i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i tc a nd e t e c tt h et e m p e r a t u r e o nr e a lt i m ea n dg i v et h ea l a r mw h e ni na b n o r m a lc o n d i t i o n z i g b e e ，a san e wt e c h n o l o g y ，、析t l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wc o s t 1 0 w - p o w e ra n dl o w r a t e ，h a sb e e nu s e di nm o r ea n dm o r ef i e l d s ，s u c ha sm i l i t a r y ，i n d u s t r y ，m e d i c a l ，e t c t h i si sa l l e x c e l l e n tc h o i c ef o rt h ed a t at r a n s m i s s i o no f b e a r i n g st e m p e r a t u r e 1 1 1 en e t w o r kt o p o l o g yi s d e s i g n e db a s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fb e a r i n ga n dz i g b e e p r o t o c 0 1 an e t w o r ks t r u c t u r e 、衍t i lt h ec o r eo fs e n s o rn o d ea n dc o o r d i n a t o rn o d ei s c o n s t r u c t e d 1 1 1 ej n 513 9m o d u l eo fj e n n i cc o m p a n yi su s e dt od e s i g n e dt h ez i g b e ew i r e l e s s s y s t e ma n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sc o m p l e t e d n l ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei n s t a l l e di n t h eh e a r i n gb l o c ki sd e s i g n e di nal o w - p o w e rw a yb o mi nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o n t r o l s y s t e m ，b a s e do nm c ua t m e g a 8 ，c a nd i s p l a yt h et e m p e r a t u r es e tr e f e r e n c ea n dg i v et h ea l a r m i na d d i t i o n ，t h ep cc a l lb ec o n n e c t e dt oe s t a b l i s ha f r i e n d l yi n t e r f a c ef o rt h ed a t as t o r a g ea n d q u e r y t h er e s u l t sr e v e a lt h a ti tc a l lw o r kh a l fay e a rs a f e l ya n ds t e a d i l yw i t h o u tv o l t a g e s h o r t a g e a tp r e s e n t ，u s i n gt h eo f f i i n em o n i t o r i n gm o d et od e t e c tt e m p e r a t u r ec a nn o td e t e c t d a t ao n l i n ea n di sn o te n o u g ha c c u r a t e a san e w t e c h n o l o g y ，t h ed e t e c t i o ns y s t e mf o r b e a r i n g st e m p e r a t u r eb a s e do nz i g b e ed e s i g n e di nt h i sp a p e ru s i n gt h eo n l i n em o n i t o r i n g m o d ec a no f f s e tt h e s ei n s u f f i c i e n c i e sa n dc a nm o n i t o rm a n yb e a t i n g st e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y k e yw o r d s ：b e a r i n g st e m p e r a t u r e ；z i g b e e ；j n 5 1 3 9 ；l o wp o w e r i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：赶缉堕继鱼勤丞；纽丛j 墼丝盂筮2 作者签名：望盈盈r 一日期：4 年月二互日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：卑年上月望日 日期：盈# 年上月4 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 状态监测技术 1 1 1状态监测技术的发展与系统构成 在工业生产中，机械设备性能的好坏关乎整条生产流水线的运行，甚至是影响到整 个生产企业的运作。一台设备从它诞生到进行安装、运行的诸多环节中，任何安全技术 方面的问题都可能导致设备带病作业，形成故障。对机械设备的运行状态进行技术检测 并指导维修成为当前机械工业生产中及其重要的环节。 状态监测技术就是运用当代科技的强有力的手段来连续监测关键或重要设备的状 态，对收集到的数据进行分析处理，以及时发现设备的运行故障先兆，为生产和维修提 供决策依据。机械设备状态监测是以设备及其群体为对象。，并建立在监测技术、信号处 理、识别理论以及计算机技术等多学科基础之上的综合性交叉科学。机械设备有三种状 态，即正常状态、异常状态和故障状裂。机械设备状态监测的目的就是要确定其所处 的客观状态。它包括采用各种检测、测量、监视、分析和判别方法，结合系统的历史和 现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评估，判断其处于何种状态，并对其状态进 行显示和记录，对异常状态做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分 析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。 状态监测系统，其核心功能分为三部分：数据采集，状态分析和监控决策。状态监 测系统可控制信号采集系统的数据采集及实时处理，并可显示、存储当前数据，保存突 发性故障信息，为分析故障提供依据。监视系统主要面向操作及运行管理工程师，有较 强的数据管理及人机交互功能。同时向诊断系统传送现场数据。需要时可启动诊断推理 系统，结合专家知识和机组既往资料对机组运行问题进行分析和辅助决策1 2 j 。 随着电子技术与计算机技术的发展，监控与诊断系统装置己经由最初的模拟式监测 仪表发展到现在的基于微机的实时在线监测与智能故障诊断系统和便携式检测分析系 统。计算机网络技术和现代信号处理等技术的发展，使监控系统从体系结构、控制方法、 产品系列、人机协作等方面都发生了重大变化，未来的监控系统必将更深层次地渗透通 讯和网络技术i j 4 j 。 目前在国际上，以美国为主的西方国家在在线监测与诊断技术的综合研究方面处于 领先地位一方面，美国的信号处理与数据分析技术发展较快，而这些处理机、分析仪和 数据采集系统是振动状态监测的基础和核心，是发展后续技术分析、故障诊断所不可分 割的部分；另一方面，美国的几家专业公司，如b e n t l y ，i r d ，b e i ，在监控系统研究方 基于z i g b e e 技术的轴承温度监控系统 面已经有了4 0 多年的历史，建立了庞大的数据库管理系统，并开展了专家系统的研究， 具有雄厚的数据与软件实力。由于国外的在线监测系统、现场诊断仪器及诊断管理软件 一般价格十分昂贵，且存在维护不便、因缺少汉化而使用不便等问题，因此还难以在我 国普及。国内许多高等院校、科研机构及工矿企业也都致力于研制自己的状态监测和诊 断系统，取得了一些成果，特别是在理论、方法上的研究和探索有了较大的进展。但实 用的产品化系统还发展不够，尤其是离多量的综合监测、数据分析、信息管理、故障诊 断集一体的高性能完善系统尚有较大的差距。目前在国内己形成了十多个水平较高，有 一定规模的诊断技术研究中心，如西安交大，哈工大，清华，浙大，上海交大，华中科 技，东南大学等单位的诊断技术研究机构。研制成功的工程应用系统有哈尔滨工业大学 研制的微计算机化旋转机械状态监测与故障诊断装置，即m m m d 系列；华中科技大学开 发的故障诊断专家系统；南京汽轮高新技术开发公司的c r a s 随机信号与振动分析系统： 东南大学的z x p 1 0 5 系统；重庆大学的c d m s 信号处理故障诊断及振动分析系统；浙江大 学光科系、机械系、能源系分别开发的d m 7 0 0 1 ，o d e s ，t g 4 2 系统；西安交通大学的 旋转机械故障诊断系统等【4 引。 现今，国内外较典型在线状态监测方式主要有3 种： ( 1 ) 离线定期监测方式。测试人员定期到现场用一个传感器依次对各测点进行测试 并记录信号，数据处理在专用计算机上完成，或是直接在便携式内置微机的仪器上完成。 这是当前利用进口监测仪器普遍采用的方式。采用该方式，测试系统较简单，但是测试工 作较烦琐，需要专门的测试人员。由于是离线定期监测，不能及时避免突发性故障。 ( 2 ) 在线检测离线分析的监测方式。亦称主从机监测方式，在设备上的多个测点均 安装传感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理，在主机系统上由 专业人员进行分析和判断。这种方式相对第一种方式，该方式免去了更换测点的麻烦， 并能在线进行检测和报警但是该方式需要离线进行数据分析和判断，而且分析和判断需 要专业技术人员参与。 ( 3 ) 自动在线监测方式【6 】。该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状态，及时 进行故障预报，而且能实现在线的数据处理和分析判断由于能根据专家经验和有关准则 进行智能化的比较和判断，中等文化水平的值班工作人员经过短期培训后就能使用。该 方式技术最先进，不需要人为更换测点，不仅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但是软硬件的研制工作量很大。 大型设备状态监测技术趋向由离线定期监测方式、在线检测离线分析监测方式，发 展为自动在线监测方式是技术进步的必然趋势。随着人工智能理论的发展及其在实际中 大连理工大学硕士学位论文 的应用、数据处理软件的大量开发，今后设备状态监测技术正向多目标、多层次监测和 网络化方向发展。 1 1 2 滚动轴承的状态监测系统 旋转机械是机械设备中一个大的类别，它覆盖着动力、电力、化工、冶金、矿山及 机械制造等重要工程领域，如发电机、汽轮机、燃气轮机、风机、水泵、大功率调速型 液力偶合器等。这类大型机械设备往往是工厂的关键设备，其工况状态不仅影响该机器 设备本身的运行，而且还会对后续生产造成影响，旋转机械长期处于高速运行状态，由 于各种随机因素的影响，难免会出现一些机械故障，而旋转机械的任何一个小小的故障， 都可能引起连锁反应，严重时将会对国民经济造成重大的损失，甚至导致机毁人亡的事 故【7 8 】。 随着现代工业和科学技术的发展使得自动化程度进一步提高，旋转机械正朝着大型 化、高速化、连续化、集中化、自动化方向发展。因此，我国工矿企业中大型旋转机械 设备的数目越来越多，其在生产中的重要性不言而喻，关键设备的检测和诊断技术所带 来的社会效益和经济效益，也不断为人们所认识，具体包括【9 】： ( 1 ) 预防事故，保证人身和设备安全。 ( 2 ) 保障设备精度，提高产品质量。 ( 3 ) 推动设备维修制度的改革。设备故障诊断的研究是实现维修制度从定期维修 到预知维修或视情维修变革的根本保证。实行预知维修，对于降低企业生产 成本、提高企业综合经济效益和竞争力，有着十分重要的现实意义。 ( 4 ) 提高经济效益。设备诊断的最终目的是避免故障的发生，使零部件的寿命得 到充分的发挥，延长检修周期，提高维修的精度和速度，降低维修费用，获 得最佳经济效益。 滚动轴承作为各类旋转机械中最常用的通用零部件之一，对其进行故障监测和诊断 是国内外工程技术领域一直非常关注的课题【1 0 , 1 1 j 。滚动轴承是易损件，据统计旋转机械 的故障有3 0 是由滚动轴承故障引起的，它的好坏对机器的工作状态影响极大。与其它 机械零部件相比，滚动轴承有一个突出的特点，就是其寿命离散性大，即相同的材料、 相同的加工工艺和生产设备生产出来的一批轴承，即使在载荷、转速、润滑条件等相同 的外部条件下，其寿命仍然相差很大。轴承的这个特点使得在实际工程应用中，有的轴 承虽已大大超过设计寿命而依然完好无损地工作，而有的轴承远未达到设计寿命就出现 故障。所以，传统的按照设计寿命对轴承进行定时维修的做法，势必会造成以下情形： 对超过设计寿命而能完好工作的轴承进行拆卸维修，造成人力财力的浪费：对未达到设 一3 一 基于z i g b e e 技术的轴承温度监控系统 计寿命而出现故障的轴承，不能及时维修更换，使得机械设备在出现故障后的这段时间 内工作精度下降，或者未达到维修时间时就出现严重故障，导致机械设备无法正常工作 甚至出现严重的事故。 因此，滚动轴承的运行状况的好坏直接影响到整个机电设备系统的性能，实时监测 轴承运行状态，在轴承故障时及时采取措施，已成为各大钢铁厂迫在眉睫的问题。 目前旋转机械的故障诊断主要有以下几种方法【1 2 】： ( 1 ) 振动诊断法 振动诊断法以平衡振动、瞬态振动、机械导纳及模态参数为检测目标，进行特征量 分析、谱分析和时频域分析。其中时频域分析是最为成熟的振动分析方法，绝大多数转 子的故障信息都能够在振动信号的时域频域分析中发现，但由于振动诊断法分析复杂， 受环境影响因素大，目前还大多在实验研究阶段，实际应用不多。 ( 2 ) 油液分析技术 油液分析技术以光谱分析和铁谱分析为代表，利用各种常规、简易、精密或中和的 润滑油分析仪器和方法，对润滑油的理化性质特别是其内所含的机械磨损碎屑以及其它 微例进行定性定量的测量，从而得到有关零部件的磨损状态、机器工作情况以及系统污 染程度等方面的重要信息。 ( 3 ) 声学诊断法 声学诊断法以噪声、声阻、超声声发射为检测目标，进行声级、声强、声源、声场、 声谱分析。超声波诊断法、( s s d ) ，声发射诊断法( a e ) 应用较为广泛，近年来，机械噪 声盲源分离技术( b l i n d s o u r c e s e p a r a t i o n ) 逐渐应用发展起来，声学诊断在故障诊断中的作 用将会不断加强。 ( 4 ) 光纤检测法1 2 j 光纤检测是一种直接从轴承套圈表面提取信号的诊断技术。用光导纤维制成的位移 传感器包含有发送光纤束和接受光纤束。光线由发送光纤束经过传感器端面与轴承圈表 面的间隙反射回来，再由接收光纤接收并经过光电元件转换为电压输出。 ( 5 ) 温度分析法 许多机械设备的运行状态与温度有关，因此根据机械设备和周围环境温度的变化， 可以识别系统的运行状态的变化。温度诊断法是故障诊断最早使用的一种方法。现代工 业中温度测量主要采用热电阻、热电偶测温传感器，近年来红外测温技术逐渐发展起来， 但由于旋转机械中无线传输技术不成熟，红外测温又大多停留在离线定期监测方式，因 此，目前温度分析法正逐渐向自动在线监测方式发展。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 无线数据通信技术 1 2 1 几种无线通信技术的比较 随着廉价和高集成的无线模块的普及，以及其它无线通信技术如g s m 和w l a n 的 成功，无线联网技术以其成本低，使用方便在工控和自动化领域越来越多地引起关注。 目前几种短距离通讯技术正成为业界的焦点，它们分别是红夕i ( i r d a ) 、无线射频识 另i ( r f i d ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、无线局域网( w i f i ) 和z i g b e e 1 3 】。 上述几种无线通信协议各具特点，应用领域也有所不同，表1 1 列出了它们主要性 能的比较和主要应用领域。 表1 1 几种主流无线通信协议比较 t a b 1 1 c o m p a r i s o n o fs e v e r a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s 红外( i r d a ) ：该标准采用9 8 0 n m 的红外光传输数据信息，通信距离通常不超过1 0 m ， 并且，通信角度不能超过3 0 0 0 。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简 单易用成本低廉的特点。i r d a 用于工业网络上的最大问题在于只能在台设备之间连接， 并且存在视距角度问题。 无线射频识另i j ( r f i d ) ：是一种非接触式的自动识别技术。最简单的( r f i d ) 系统由标签 ( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和天线( a n t e n n a ) 3 部分组成，在实际应用中还需要其他硬件和软 件的支持。其通信距离一般只有几米。在零售业中，r f i d 被认为是条形码的终结者。 原为无线保真的缩写，现为无线局域网的代名词。 一5 一 基于z i g b e e 技术的轴承温度监控系统 蓝牙( b l u e t o o t h ) ：它是一种用于代替便携或固定电子设备上电缆或连线的短距离无 线通信技术。它工作2 4 g h z 的i s m 频段上，采用每秒1 6 0 0 次的扩频技术，通信距离 为1 0 m ，传输速率能达到3 m b p s 。在传输数据信息的同时，还可以传输一路语音信息， 是蓝牙技术的一个重要的特点。然而对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供 2 5 0 k b 的系统开销，增加了系统成本和集成复杂性。b l u e t o o t h 对每个“p i c on e t ( 微微 网) 只能配置7 个节点的限制，极大的制约了它在大型传感器网络中的应用。 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) ：它属于i e e e 8 0 2 1 l 规范。i e e e 8 0 2 1 1 最初在 1 9 9 7 年提出。主要目的是提供w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技术标准。 i e e e 8 0 2 1 1 流行的几个版本包括“a ”( 波段5 8 g h z ，带宽为5 4 m b p s ) 、“b ( 波段2 4 g h z ， 带宽为l1 m b p s ) 、“g ”( 波段2 4 g h z ，带宽为2 2 m b p s ) 。这种复杂性为用户选择标准化 无线平台增加了困难。其优异的带宽以大的功耗为代价，大多数便携w i f i 装置都需要 常规充电。这些限制了它在工业场合和其他监测领域的推广和应用。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度、低数据速率、低成本的双向无线 通信技术，可容纳节点数量大，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，相对 于现有各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的技术之一l l 训。 1 2 2z ig b e e 技术简介 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。该技术以低成本、低功耗、低延迟、低复杂度和 高可靠性等特点而备受关注。主要适合于自动控制和远程控制领域。z i g b e e 标准包括物 理层、介质访问层、网络层和应用层。具有如下特剧1 5 1 ： 功耗小。由于工作周期很短、收发信息功耗较低，因此在待机模式下，2 节5 号干 电池可支持1 个节点工作6 2 4 个月，在睡眠模式下，电池寿命可长达数年，其发射功率约 为l m w 。 成本低。模块价格低廉，且z i g b e e 协议是免专利费的。因为它工作在免执照的频 段，r 1 1 2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，极大地降低了成本。 时延短。延时短。z i g b e e 的响应速度快，从睡眠中激活只需要1 5 m s ，激活后进入 网络也只需1 5 m s 。 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避 免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数 据包都必须等待接收方的确认信息。 容量大。可采用星型、簇状或网状拓扑结构。在簇状和网状结构中，一个主节点 最多可管理2 5 4 个子节点，若采用级连，节点数可达至1 6 5 0 0 0 个。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 安全。提供了三级安全模式和高级加密标准( a e s l 2 8 ) 。 1 2 3z i g b e e 的适用条件和应用领域 z i g b e e 的应用目标主要是：工业控制( 如自动控制设备、无线传感器网络) 、医护( 如 监视和传感) 、家庭智能控制( 如照明、水电气计量及报警) 、消费电子设备的遥控装置、 p c 外设的无线连接等领域【1 6 】。通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用z i g b e e 技术。 ( 1 ) 设备成本很低，传输的数据量很小； ( 2 ) 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； ( 3 ) 没有充足的电力支持，只能使用一次性电池； ( 4 ) 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者困难； ( 5 ) 需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。 具体地，在工业领域传感器和z i g b e e 网络可作为决策辅助系统的重要组成部分， 使数据的自动采集、分析和处理更为容易。例如危险化学成分检测、火警早期检测和预 报、高速旋转机器检测和维护。这些低功耗应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态 更新，可最大程度地延长电池的寿命，减少网络维护成本。 在农业领域传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，依靠人力监测作 物的生长状况。采用了传感器和z i g b e e 网络后，农业将可逐渐转向以信息和软件为中 心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。各种信 息经由z i g b e e 网络传递到中央控制设备供决策和参考，从而有助于保持并提高农作物 的产量。 在日常生活领域，一般家庭可将z i g b e e 应用于以下装置： ( 1 ) 空调系统的温度控制器，灯光、窗帘的自动控制； ( 2 ) 老年人与行动不便者的紧急呼叫器； ( 3 ) 电视与音响的万用遥控器，无线键盘、滑鼠、摇杆，玩具； ( 4 ) 烟雾侦测器； ( 5 ) 智慧型标签。 因此，本系统选择z i g b e e 技术作为轴承温度无线通信技术是最为经济适用的。 1 3 选题背景及本文主要研究内容 通过以上综述，旋转机械的状态监测技术正在由离线定期监测方式、在线检测离线 分析监测方式向自动在线监测方式发展。而轴承故障的监测诊断建立在旋转机械的状态 监测基础上，通过比较轴承故障诊断的各种方法可以看出。温度分析法由于其简单易行 基于z i g b e e 技术的轴承温度监控系统 有着其他方法不可比拟的优点，能综合反映包括轴承润滑状态在内的诸因素，并且上述各 种轴承失效均反映为轴承的显著温升。因此采用测温法，便可对轴承的运行进行有效地监 测。 本课题是基于本溪钢铁集团浦项冷轧薄板厂的项目需求，该厂采用轧辊轴承运用冷 轧技术轧制钢板，据统计，一个轧辊轴承的平均寿命只有2 3 周，而且由于轴承损坏而造 成的经济损失非常大。因此采用滚动轴承在运行状态下的状态监测技术，随时发现轴承故 障并及时停机，以保证机械设备的安全运行是非常有意义的。本文在传统温度分析法的基 础上，结合无线通信技术z i g b e e ，提出一种轴承温度在线监测系统设计方案，采用自动 在线监测方式弥补了目前各大钢铁厂采用手持红外测温仪这种离线定期监测方式的不 足，在未来将会有越来越广泛的应用。 本文的主要研究内容如下： 第一章：绪论。通过调研国内外资料，分析旋转机械状态监测技术的发展与轴承故 障诊断技术，结合无线数据通信技术，指出基于z i g b e e 的无线轴承温度监测系统的优 越性及研究意义。 第二章：主要研究了z i g b e e 技术的原理、网络拓扑结构及协议特点。 第三章：在分析了轴承测温意义和原理的基础上，结合本钢浦项公司轴承工作环境 和要求，提出了系统总体框架结构，并确定了系统的z i g b e e 网络平台。 第四章：数据采集与传输模块研制。选择合适的z i g b e e 芯片，构建z i g b e e 网络传 输系统，介绍了数据采集与传输模块的硬件设计与网络数据传输的软件设计流程。并分 别从硬件和软件方面讨论了低功耗设计方案。 第五章：监控系统研制。设计了以a t m e g a 8 为核心的监控系统，实现了轴承温度 数据的在线检测，高温、欠压报警，并可通过按键进行参数设置。同时，建立友好的人 机交互界面，实现计算机在线监控。 第六章：实验结果及测试分析。对系统进行功率测试该测温系统预计可使用半年。 对轴承温度检测的准确性、密封性、使用性进行了说明与实验，实验结果表面，该轴承 测温系统稳定可靠。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2z ig b e e 网络结构及协议分析 2 1z i g b e e 网络中的结点和网络拓扑结构 2 0 0 0 年1 2 月，成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组，它致力于定义一种提供廉价的固定、 便携或移动设备使用的四低低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术， 主要负责制定物理层和m a c 层的协议，其余参照和采用现有的标准。z i g b e e 即为该技 术的商业化命名。这个名字源自蜂群赖以生存和发展的通信方式。蜜蜂通过跳“z 形 的舞蹈来传递新发现的食物源的位置、距离和方向等信息【l7 1 。 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。z i g b e e l 网络最基本的组成单元是设备，按其功能复 杂性分为全功能设备( f u l l f u n c t i o nd e v i c e ：f f d ) 和精简功能设备( r e d u c e d f u n c t i o n d e v i c e ：r f d ) 。按设备在网络中起的作用又可分为协调器( c o o r d i n a t o r 节点) 、路由器 ( r o u t e r 节点) 和终端设备( e n dd e v i c e 节点) 。z i g b e e 标准规定可以在一个单一的网络中容 纳6 5 5 3 5 个节点，所有的z i g b e e 网络节点都属于以上三种类型中的一种。协调器是网络 的中心，负责网络的发起和管理。终端设备根据需求实现特定的功能，例如数据采集和 发送等。路由器除了具备终端设备的功能外，还具有消息转发等功能。f f d 可以是协调 器、路由器或终端设备，i 强d 一般作为终端设备使用。一个f f d 可以同时和多个f f d 或 多个r f e 通信，而对于r f d ，它只能和一个f f d 通信。根据不同的网络拓扑结构，z i g b e e 设备间的通信规则有所不同l l 剐。 根据应用需求，网络分为三种拓扑结构：星型、簇型和网状。 x 心弼 扩小衍、。 一9 一 基于z i g b e e 技术的轴承温度监控系统 星型网络由一个协调器和若干个终端设备组成。网络中的终端设备只能和协调器通 信，因此，两个终端设备间的通信必须经过协调器。星型网络中也以有路由器，但是它 不能有子节点，也只能与协调器通信。这样，协调器肩负着所有数据转发任务，是网络 数据传输的一个瓶颈，可能会造成网络阻塞。这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路 由只有唯一的一个路径。c o o r d i n a t o r 有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不 需要使用z i g b e e 的网络层协议，因为本身i e e e8 0 2 1 5 4 的协议层就已经实现了星形拓 扑形式，但是这需要在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。 簇状形拓扑包括一个c o o r d i n a t o r 以及一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 节点。c o o r d i n a t o r 连接一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e ，他的子节点的r o u t e r 也可以连接一系列的r o u t e r 和 e n dd e v i c e 这样可以重复多个层级。簇状形拓扑中的通讯规则：每一个节点都只能和 他的父节点和子节点之间通讯。如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息 将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方 式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个的 路由过程对于应用层是完全透明的。 网状拓扑包含一个c o o r d i n a t o r 和一系列的r o u t e r 和e n dd e v i c e 。这种网络拓扑形式 和簇状形拓扑相同。但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况 下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且 意味这一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。 通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络 层可以找到信息传输的最优化的路径。需要注意的是，以上所提到的特性都是由网络层 来实现，应用层不需要进行任何的参与。 2 2zig b e e 协议体系结构 z i g b e e 协议的体系结构由“层”来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定 的任务，并向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路通信。其体系结构 如图2 2 所示。 首先，z i g b e e 标准定义了一种网络协议，这种协议能够确保无线设备在低成本、低 功耗和低数据速率网络中的互操作性。z i g b e e 协议栈构建在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础之 上，8 0 2 1 5 4 标准定义了m a c 和p h y 层的协议标准。m a c 和p h y 层定义了射频以及相邻 的网络设备之间的通讯标准。而z i g b e e 协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的 标准。上面的示意图表示t z i g b e e 协议的层次架构。越向下越贴近硬件越向上越贴近软 件本身和应用1 9 1 。 图2 2z i g b e e 协议的体系结构 f i g 2 2 s y s t e ms t r u c t u r eo f z i g b e e ( 1 ) 物理层 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 两个物理层标准。我国采用2 4 g h z 频 段作为z i g b e e 的通信频段。i e e e 8 0 2 1 5 4 规范在该频段上定义了编号为ll 到2 6 的1 6 条信道，在实际工作时，传感器网络可以选择其中的一个信道传输信号。 g 墩 p h y 珏瀚 2 蝣筠口t 图2 3z i g b e e 在2 4 g h z 频段上的信道分布 f i g 2 3 c h a n n e ld i s t r i b u t i o n f o rz i g b e ei nt h e2 4 g h zf r e q u e n c yb a n d 基于z i g b o e 技术的轴承温度监控系统 z i g b e e 物理层具有六方面的功能激活和休眠射频收发器，检测信道能量，检测接收 数据包的链路质量，空闲信道评估，选择信道频率和收发物理层数据。 ( 2 ) m a c 层 z i g b e e 的m a c 层提供两种服务管理服务和数据服务。管理服务是指m a c 管理 实体服务接入点( m l m e s a p ) 支持上层与m a c 层之间的命令传输。数据服务是指m a c 层公共子层服务接入点( m c p s s a p ) 支持在对等m a c 的层实体之间传输数据。其主要功 能包括为网络协调器产生网络信标在各个信标帧之间实现同步使用免冲突载波检测多 址接x ( c s m a c a ) 机制访问信道为设备的安全性提供支持处理和维护保护时隙( g t s ) 机 制；在两个对等的m a c 实体之间提供一个可靠的通信链路。 ( 3 ) 网络层 z i g b e e 网络层的主要功能是提供一些必要的函数，确保m a c 层正常工作，并且为 应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供接口，网络层提供了两个必要的功能服 务实体一网络层数据服务实体( n l d e ) 和网络层管理服务实体( n l m e ) 。n l d e 通过网路 层数据实体服务接入点( n l d e s a p ) 提供两种服务：一种是通过增加一个适当的协议头， 从应用层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元( n p d u ) ；另一种是指定拓扑传输路 由，n l d e 能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备，该设备可能是最终 目的通信设备，也可能是在通信链路中的一个中间设备。通过这两项服务，z i g b e e 网络 中的节点就可以在网络层层面上建立通信联系。 网络层完成了z i g b e e 网络的大部分功能，包括网络的建立，拓扑，数据的通讯， 路由等等。应用程序就是构建在这个层次之上的。z i g b e e 协议栈的主要工作内容就是 实现网络层的各种功能，并保证其标准性和兼容性。 ( 4 ) 应用层 z i g b e e 应用层是由应用支持层( a p p l i c a t i o ns u p p o ns u b l a y e r ：a p s ) 、z i g b e e 设备 对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t ：z d o ) 和厂商定义的应用对象组成。应用支持层是应用层 的一个子层，它的功能包括维持绑定和在绑定的设备之间传送信息。 z i g b e e 设备对象是z i g b e e 联盟定义的一个重要概念，它是一个特殊的应用对象， 负责多种网络管理工作定义设备在网络中的角色如终端设备发现网络中的设备，并决定 向设备提供何种服务支持协调器发起网络和路由器、终端节点加入已存在的网络初始化 网络节点以运行用户程序发起和响应绑定请求在网络设备之间建立应用层安全机制支 持孤点设备的重连或要求一个设备与网络断开。 应用层同样利用数据服务接入点和管理服务接入点为其提供数据服务和管理服务。 大连理工大学硕士学位论文 2 3zig b e e 协议a pi 为方便用户开发，z i g b e e 芯片生产商定义了z i g b e e 协议a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) i 蚕l 数。这些函数提供了应用程序访问z i g b e e 应用层和网络层的 接口，调用这些a p i 可以实现应用层和网络层的各种功能。j e n n i e 公司定义的部分a p i 协议种类和关系如图2 4 所示【2 0 j 。 图2 4z i g b e e 协议a p i 函数关系图 f i g 2 4 a p if u n c t i o nd i a g r a mf o rz i g , b e e 顾名思义，应用程序开发a p i 是开发z i g b e e 网络的框架函数，它提供了应用程序 与z i g b e e 协议栈之间的接口。a fa p i s 负责创建需要发送的数据结构，管理节点的描述 符。z d pa p i s 和b o sa p i 则分别提供了应用程序与设备对象、b o s 之间的接口。简单 操作系统( b o s ) 是j e n n i e 公司嵌入j n 5 1 3 9 的一个简单的任务管理系统，它负责程序中所 有任务的调度睇1 1 。 本文将会在4 3 1 节中具体介绍j e n n i c 公司定义的一系列a p i 函数。 基于z i g b e e 技术的轴承温度监控系统 3 温度监控系统总体设计 3 。1 轴承温度检测 ( 1 ) 轴承测温的意义 目前，我国运用的轴承主要有滑动轴承和滚动轴承两种。滑动轴承在我国占5 左 右，因滚动轴承比滑动轴承安全可靠，滚动轴承车在我国占9 5 之多，是轴承发展的方 向。滚动轴承主要由轴承内外环、滚子、密封装置、前后端盖和保持架等组成。通常， 其内环与机械传动轴的轴颈过盈配合联接，工作时随轴一起转动而外环安装在轴承座、 箱体或其它支撑物上，工作时一般固定或相对固定。但也有外环回转、内环不动或内、 外环分别按不同转速回转的使用情况。滚动体是滚动轴承的核心元件，它使相对运动表 面问的滑动摩擦变为滚动摩擦。滚动体的形式有球形、圆柱形、锥柱形、鼓形等。在滚 动轴承内、外环上都有凹槽滚道，它们起着降低接触应力和限制滚动轴承轴向移动的作 用。保持架使滚动体等距离分布并减少滚动体间的摩擦和磨损。如果没有保持架，相邻 滚动体将直接接触，且相对摩擦速度是表面速度的两倍，发热和磨损都较大滚动轴承发 热主要是由于滚子沿内外圈的滚动磨擦。滚动轴承热轴发生率要远低于滑动轴承，但一 旦轴承有故障，热轴发展迅速。因此，在热轴探测中滚动轴承热轴早期预报尤为重型2 2 1 。 热轴发生的历程主要有三个阶段四】： 第一阶段，异常升温。主要原因包括：轴承故障、润滑失效( 包括被污染、超过使用 寿命等) 及受到异常负荷或冲击负荷。极压型润滑脂特有的极压添加剂可延缓甚至避免 轴承进一步升温进入第二阶段。 第二阶段，润滑油膜被彻底破坏，轴承出现磨损，现象为轴温迅速升高。在这一过 程中，随着温度升高，润滑油粘度降低，造成轴承表面油膜变薄，进一步加剧了轴承的 摩擦升温。当轴承达到一定温度后，润滑脂熔化流失。这种恶性循环使轴温迅速升高， 直到润滑剂燃烧。 第三阶段，温度进一步升高，金属部件软化、变形发生出现“烧轴 现象【2 4 】，甚至 会抱死在轧辊上，使轧辊损坏，严重时将使轴承箱油温升高出现重大的爆炸事件，导致 严重的经济损失。 ( 2 ) 轴承温度检测方法 滚动轴承在运行的时候，温度会升高。轴承的运行温度综合反映了滚动轴承载荷、 转速、油润滑、机组工作异常、外温等因素。滚动轴承温度的升高是由于轴承内部摩擦、 碾压、振动、冲撞所引起的。 大连理工大学硕士学位论文 温度检测方法的分类，温度测量方法总体可以分为两类 2 5 1 ： 接触式测温方法 这类测温方法是将测温仪表的敏感元件与被测对象接触来完成温度测量的。因此这 种测量比较直观，可靠，测量仪表也相对比较简单。但由于敏感元件必须和被测对象接 触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温度场分布，从而造成测量误差，有的测温元 件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一 致，也会带来误差。在接触过程中，有的介质有强烈的腐蚀性