（机械电子工程专业论文）基于zigbee和usb的机电设备智能点检管理系统的设计与开发.pdf

摘要 基于z i g b e e 和u s b 的机电设备智能点检管理系统的设计与开发 摘要 本文充分利用- j u s b 接口的即插即用、易于扩展、总线供电及z i g b e e 无线通信技术可靠性高、功耗低、成本低等优点，设计并开发了基于z i g b e e 无线技术和u s b 接口的多功能旋转机械状态监测与故障诊断系统。该系统 兼具离线点检和在线监测双重功能。 自主开发的硬件包括采集器、路由器和无线控制器。采集器可采集温 度及振动量。离线应用时，采集器通过u s b 接口与p d a 连接，利用u s b 接 口的通信和总线供电功能，即可实现点检；在线应用时，采集器、路由器 和无线控制器三者分别对应z i g b e e 僻x q 络中的从节点、路由节点和主节点， 可组成多种z i g b e e 网j 络拓扑结构。无线控制器通过u s b 接口连接- 至l j p c 机， 利用u s b 接口的易扩展。| 生$ 1 1 z i g b e e 的组网功能，可实现无线在线监测及组 建在线监测局域网。p c 机还可以连接至l j i n t e m e t 并通过g p r s g s m 模块连 接到g p r s g s m 网络，以构建大规模在线监测网络并实现远程监测与诊 断。 该系统具有体积小、重量轻、成本与功耗低、使用灵活方便的特点， 不仅实现了基于p d a 的点检功能，并且首次将z i g b e e 无线传感器网络技术 应用到旋转机械的状态监测中，可以低成本、方便地实现无线在线监测。 本系统能够满足大多数机电设备状态监测与诊断的要求并在实际应 用中取得了良好的效果，具有明显的先进性、实用性和经济性。为机电设 北京化t 大学硕二l ：学位论文 备状态监测、故障诊断提供了一种简便易用、成本低廉的解决方案，具有 重要的应用价值。 关键词：状态监测、故障诊断、z i g b e e 、数据采集、u s b i i 摘要 d e v e l o p m e n to fam u i j r i f u n c t i o nf a u l t d i g n o s i ss y s t e mb a s e do nu s b ia n dz i g b e e a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，am u l t i f u n c t i o nf a u l td i a g n o s i si n s t r u m e n tb a s e do nu s b i a n dz i g b e ei sp r e s e n t e d ，w h i c hf u l l yu s e st h ea d v a n t a g e so fu s bi n t e r f a c e a n dz i g b e et e c h n o l o g y , w i t ht h ed u a lf u n c t i o no fo f f - l i n es p o ti n s p e c t i o na n d o n l i n e c o n d i t i o nm o n i t o r i n g t h ei n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e dh a r d w a r ei n c l u d e st h ed a t ac o l l e c t o r , t h e r o u t e ra n dt h ew i r e l e s sc o n t r o l l e r t h ed a t ac o l l e c t o rc a na c q u i r et e m p e r a t u r ea n dv i b r a t i o n ，w h i c hc a n i n t e r f a c et op d av i au s bc o n n e c t e rt oi m p l e m e n ts p o ti n s p e c t i o n ，w i t ht h e p o w e rs u p p l yp r o v i d e db yt h eu s bh o s tp o r to f t h ep d a w h e nu s e df o ro n - l i n em o n i t o r i n g ，t h ec o l l e c t o rc a nb ef i x e do nt h e m a c h i n e ，w h i l et h ew i r e l e s sc o n t r o l l e rc o n n e c t i n gt ot h ep ct h r o u g ht h eu s b i n t e r f a c e ，w i t ht h er o u t e rb e t w e e nt h e m t h ec o l l e c t o r , t h er o u t e ra n dt h e w i r e l e s sc o n t r o l l e rc a nb u i l dz i g b e en e t w o r kb yp l a y i n gt h er o l eo ft h ee n d d e v i c e ，t h e r o u t e ra n dt h ec o o r d i n a t o r s e p a r a t e l y , i nw h i c ht h e y c a n c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rw i r e l e s s l yt h r o u g hz i g b e ep r o t o c o l ，f o r m i n ga v a r i e t yo ft o p o l o g i e s t h ep cc a nb ei n t e r f a c e dt ot h ei n t e m e ta n dt h e g p r s g s mm o d u l e ，c o n s t r u c t i n gl a r g e s c a l eo n l i n e c o n d i t i o n m o n i t o r i n g i i i 北京化工人学硕上学位论文 n e t w o r k t h ec o l l e c t o rc a nr e a l i z ew i r e l e s so n l i n em o n i t o r i n gw i t ht h ew i r e l e s s c o n t r o l l e r ( a n dt h er o u t e r ) o nt h eo n eh a n d ，i th a st h ed u a lf u n c t i o no fo f f - l i n e s p o ti n s p e c t i o na n do n l i n em o n i t o r i n g ，s a v i n gt h ec o s t ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h e w i r e l e s so n l i n em o n i t o r i n gu s e st h e2 4 gf r e ef r e q u e n c yb a n da n dt h en e t w o r k i sf l e x i b l ew i t h o u tc o m p l e xa n d e x p e n s i v ew i r i n gu n l i k e t h ew i r e dm o n i t o r i n g ， w h o s en e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sf i x e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i si n s t r u m e n tp r o v i d e sar e a s o n a b l ea n d l o w - c o s ts o l u t i o nf o rm a c h i n e r yc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ， w h i c hh a sa l s oa c h i e v e dg o o dr e s u l t si np r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dm e tt h e r e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lf i e l d ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l es t r u c t u r e ， s m a l li ns i z e ，l i g h ti nw e i g h t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n de a s yt ou s e k e yw o r d s ：c o n d i t i o n m o n i t o r i n g ，f a u l td i a g n o s i s ，z i g b e e ，d a t a a c q u i s i t i o n ，u s b i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者虢到琵 吼 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：立i 丕幺日期：卫丝：丛：丛 作者签名： 盈i 丕纭 日期：卫丝：丛：坠 导师签名：二陋一 曰期： 一主珈二盘垮一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 旋转机械状态监测的意义 所谓旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械，尤其是指主要部件作旋转 运动的、转速较高的机械。旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离心式压缩机、 发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。 故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。机器发生故障 的原因不同，所反映出的信息也不一样，根据这些特有的信息，可以对故障进行诊断。 但是，机器发生故障的原因往往不是单一的因素，一般都是多种因素共同作用的结果， 所以对设备进行故障诊断时，必须进行全面的综合分析研刭。 在石油、化工、电力等大中型生产企业中，作为关键设备的大型旋转机械，如压 缩机、汽轮机、发电机、风机、泵等现代化装置起着举足轻重的作用。它们通常大型、 高速且连续工作，其运行状况好坏直接影响企业的生产，一旦故障停机，将造成巨大 的经济损失和严重的乃至灾难性的后果【2 3 】。研究并应用先进的状态监测与故障诊断 技术不仅可以早期发现故障，避免恶性事故的发生，还可以从根本上解决目前设备定 期维修不足和维修过剩的问趔4 ，5 1 。 近年来，随着现代工业的发展，大型旋转机械需求数量不断增加，而且，这类机 械本身还不断向大功率、大容量、高转速、高效率和复杂化等方面发展，如何管理好 这些设备，确保工作过程的安全性和可靠性，避免事故发生，让设备发挥最大的经济 效益，已成为现代企业管理的重要目标之一。为此，要求通过对机器的监测能够尽早 识别较小的故障，并监视故障的发展，以便在整个系统较大破坏之前，及时实施补救 措施或有准备地停机【6 7 1 。 另一方面，对大型旋转机械进行状态监测，可以更有效的指导设备的维修管理， 将早期的事后维修方式和定期预防维修方式发展为视情维修，可以让机器在有限的使 用寿命期内创造最大的价值。因此，积极丌展对旋转机械振动监测与故障诊断的研究， 将产生巨大的经济效益和社会效益【引。 1 2 旋转机械监测诊断技术及其发展 1 2 1 国内外现状 进入2 0 世纪以后，随着工业的不断发展，机械设备的可靠性、可用性、可维修 北京化工大学硕一卜学位论文 性和安全性的问题日益突出，促使了人们对机械设备状态监测和故障诊断技术的研 究。同时随着信息传感、信号处理、现代测试等科技的进步，特别是计算机及网络技 术的飞速发展，促使了- f q 新的学科的诞生一一设备状态监测及故障诊断【9 】。 故障诊断技术是借助于现代监测和计算机分析等手段，研究设备在运行中或相对 静止条件下的状态信息，分析设备的技术状态，诊断其故障的性质和起因，并预测故 障趋势，进而确定必要的对策。 作为故障诊断技术理论的应用及承载方式，状态监测与故障诊断设备在故障诊断 技术的推广和实际应用中起着至关重要的作用。随着科学技术的不断发展，特别是电 子技术的不断进步，旋转机械状态监测及故障诊断设备不断问世，国内外己有很多产 品出现，不少重要旋转机械机组都配备了各种状态监测与故障诊断系统【2 】。 西方发达国家在设备的研制方面处于领先地位，开发研制了许多状态监测和故障 诊断系统【i o 。美国在该领域的技术实力最为雄厚，拥有众多专业公司，开发了许多用 于设备诊断的分析仪器及软件系统，如b e n t l yn e v a d a 公司的3 5 0 0 系统【1 1 1 3 】。但国外 的在线监测系统、现场诊断仪器及诊断管理软件价格大多十分昂贵，且维护不便、缺 少汉化，限制了它们在我国的推广【1 4 1 。 在国内，也有许多相关企业与高校、科研院所等合作开发了很多机械设备状态监 测与故障诊断系统，在故障诊断理论和方法等方面己有部分达到国际水平，但在传感 器，诊断仪器和计算机硬件方面离国际水平还有较大差距。近年来，清华大学、哈尔 滨工业大学、西安交通大学、浙江大学、东南大学等高校已陆续推出多种用于钢铁、 石化等大型企业中的旋转机械在线状态监测系统、便携式仪器分析系统等，如东南大 学设备监控与故障诊断研究所研制的“汽轮发电机组工况监测与故障诊断系统等。 这些系统大多是基于台式计算机或工控机开发的在线监测诊断系统，主要针对特定的 大型关键设备，监测功能齐全，并具有较强的分析与诊断功能，但不易携带，针对性 强、不够灵活，在使用上受到一定限制。 近些年来，旋转机械故障诊断技术主要向诊断的智能化、系统化、早期化和网络 化的方向发展【1 5 】。 1 2 2 监测诊断系统的分类 目前的监测诊断系统可以分为以下两类： 1 离线的监测诊断仪表 离线诊断分析仪表功能简单，便于携带，适合现场应用，投资较小且监测面宽， 并且对设备的影响较小【1 6 1 。例如目前我国在火电厂和核电厂推行的“点检制”，就采 用了离线监测的方式。设备点检是种科学的设备管理方法它是通过专业人员和仪 器，对设备进行定点、定期的检查，对照标准发现设备的异常现象和隐患掌握设备 2 第一章绪论 故障的初期信息，以便及时采取对策将故障消灭在萌芽阶段的一种管理方法【1 7 ，l8 1 。 点检定修是由日本引进美国的设备预防维修制发展而形成的是全员、全过程对设备 进行动态管理即在设备运行阶段以点检人员为责任主体的一种设备管理模式国际 上也称为t p m t h j 。 但是相对于在线系统来说，离线系统反应相对缓慢，对数据的处理麻烦，一般只 能提供简单的振动分析功能，因此还需要配备另外的分析系统【2 0 】。 2 在线监测诊断系统。 对于大设备来说，离线监测由于其数据是离散的，无法做到发现早期故障征兆， 捕捉故障发生全过程，不能完全满足大设备状态监测的要求，在某些场合和情况下已 逐步被在线监测取代。在线系统是指利用现代传感技术、信息技术、计算机技术等各 个领域的技术综合构成的辅助运行系统，不仅能够提供分析故障所必须的频谱相位等 信息，还能够提供启停分析，报表分析，专家系统等多种功能，并且引入了数据库支 持，能够长时间保存机组运行状态信息等【2 1 1 。 早期的在线监测系统虽然弥补了离线监测数据离散的问题，但信息孤岛问题没有 解决，信息无法实现共享。现在，在线监测系统已经实现了企业局域网内部的信息共 享，即在工厂内部，可以实现信息在局域网内部传递，工厂内部的专业人员可以通过 局域网来实现监测【2 2 1 。随着网络技术的发展和i n t e r n e t 的普及，我们可以在更广 阔范围内实现设备信息的共享。集团公司的管理人员和专业人员可以在异地，实时地 掌握设备的运行情况，并实现远程的监测和远程分析诊断。从而促进了大设备的管理 工作，并使专家的经验更方便、有效地运用到更广泛的领域 2 3 , 2 4 。 在线监测系统虽然弥补了离线监测系统的缺陷，并且在性能上优越很多，但离线 监测的优点也是无法取代的，特别是在停机维修中进行的静态探查仍然是状态评价的 重要的内容。因此，离线系统和在线系统在目前都是不能被替代的。 1 2 3 旋转机械监测诊断系统的发展方向 1 在线监测系统网络化的发展对无线通信的需求 随着计算机技术的飞速发展及数字信号处理能力的r 益提高，现代机械设备状态 监测与故障诊断系统对振动信号的处理和分析同臻完善，且形成了一套比较成熟的理 论和方法。但现场数据采集环境大多比较恶劣，不利于操作人员的长期工作；而数据 处理环节需处在环境适宜的场所，最好远离现场的恶劣环境。所以采集装置和分析处 理装置地点不统一，存在矛盾。如何把现场采集到的数据准确、实时地传输到后端的 分析处理装置是首先需要解决的问题。 基于t c p i p 协议的以太网保证了设备状态监测系统中数据传输的实时性和可靠 性。数据库技术和网络技术的发展促进了旋转机械监测诊断系统开始向网络化及远程 北京化_ t 大学硕i ：学位论文 监测的方向发展【2 5 】。但是，在一些工业现场，有线网络的应用会受到布线的限制。有 一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，还有一些要求电缆完全屏蔽以防 止外界干扰，更有一些高速旋转设备无法通过电缆来进行数据传输。在这些情况下引 入无线通信子网是非常必要的。 随着无线技术的发展，无线通信在设备状态监测系统中应用的优势逐渐凸显。无 线通信可以更快捷地安装、可灵活移动且不需要重新配置，消除了线缆、降低了安装 成本，可大量节约资金，并避免了工厂中大量连线而造成的混乱局面。因此，采用无 线传输代替传统的有线传输便成为一种理想的解决方案。但实时性、可靠性、安全保 障与抗干扰能力等仍是无线通信技术在设备状态监测系统中应用必需克服的问题。 2 便携式监测诊断系统的发展 网络化在线系统能够完整的保存机组的当前以及历史的运行数据，为设备的状态 监测、寿命管理、故障诊断提供丰富的信息。但这种远程的在线系统通常需要数据库 服务器、应用服务器以及客户端的支持，不适合现场使用，因此在监测诊断系统朝网 络化、在线监测的趋势发展的同时，为适应现场应用，系统的便携性能也成为被关注 的一个问题1 2 6 j 。 目前现场应用的监测诊断设备大体可以归纳为两种：一种是独立的监测诊断仪 器，功能较强，但体积大，携带不够方便；另一种是基于单片机等微处理器的离线监 测诊断仪表，体积小，携带方便，但功能较弱，经验数据难以共享。所以功能较强， 携带方便且数据可以共享的离线监测诊断系统成为一个发展方向。 1 3 论文的研究内容与结构 1 3 1 研究内容 传统的监测诊断系统有诸多缺点，主要如下： 1 是一台独立的测试诊断装置，只能由仪器厂家来定义、制造和维修，用户 无法随意改变其结构和功能，灵活性差。 2 开发、维护费用高，开发、技术更新周期长，很难与其它仪器设备连接使 用，一般都是独立使用、手动操作，使用不方便。 3 用r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 进行通信，不方便与计算机进行数据交换通信。 4 整个系统只有一个主控制器，且m c u 功能弱。数据运算能力差，速度慢， 精度低【9 1 。 5 数据存储量小。所能记录的点数、参数个数少，每次采集的点数受到限制， 从而导致分辨率和精度低，细化功能差【2 7 】。 6 人机交互效果差，显示功能弱，工作模式简单，使用不方便。许多设备故 4 第一章绪论 障诊断仪只采用数字或字符显示，无法满足频谱分析的要求；也有的只有 测量某种数据或做某个频谱分析的功能，灵活性差。 7 体积大，携带不够方便【1 4 1 。 综上所述，目前的离线监测诊断设备存在体积大，携带不够方便或功能较弱，数 据不能共享的缺点；在线监测诊断系统一般按照现场总线标准经过电缆进行连接，存 在布线昂贵、复杂，网络结构一旦确定后不易变更，维护费用高等缺陷。所以本课题 针对以上问题，主要研究两个方向：一是设计开发功能较强，携带方便且数据可以共 享的离线监测诊断系统；二是研究无线通信技术在在线监测诊断系统中的应用。 1 3 2 论文结构安排 本文各章节主要内容如下： 第一章首先探讨了旋转机械状态监测的意义，然后简要介绍了旋转机械状态监 测和故障诊断技术发展，特别是相关监测诊断设备和系统的发展，最后针对现存监测 诊断系统的不足提出了本课题的研究内容并介绍了论文结构。 第二章根据旋转机械振动的特征和故障信息的来源，分析了系统的需求。在此 基础上比较各种备选方案并确定系统总体方案。然后比较、确定了在线监测的无线技 术，最后简要介绍了系统的总体机构及应用。 第三章介绍相关的嵌入式技术、数据采集原理。着重介绍了滤波器及抗混叠滤 波器、u s b 通信原理。最后介绍了数据采集系统部件配置的选择因素。 第四章介绍了系统的硬件设计。首先进行了传感器的选择，然后分别介绍了采 集器、路由器、无线控制器及p d a 的硬件。 第五章介绍了系统的软件设计，包括固件程序、驱动程序和主机软件。固件程 序对采集器、路由器、无线控制器分别做了介绍，主机软件着重介绍了p d a 应用软 件。 第六章根据国家标准对系统进行了相关测试，对其性能进行了验证。 第七章对课题进行了总结并做了进步的展望。 5 第_ 二章系统方案设计 第二章系统方案设计 2 1 旋转机械的故障及振动分析 2 1 1 旋转机械故障信息的来源 旋转机械的主要功能是由旋转部件来完成的，转子是其最主要的部件。旋转机械 发生故障的主要特征是机器伴有异常的振动和噪声，其振动信号从频域和时域反映了 机器的故障信息。 图2 - 1 转子振动故障诊断流科图 f i g 2 - 1r o t o rf a u l td i a g n o s i sf l o wc h a r t 为诊断旋转机械故障，须获取旋转机械的故障信息。旋转轴如果发生故障，就会 引起转子振动的异常变化，通过对振动信号的分析，就会发现这种异常变化。同时， 还要对旋转机械的结构、特性、运行记录等作详细了解，才有把握根据振动的异常变 化来推断故障原因。图2 1 为转子故障诊断过程示意图。可见，事i i i f 调查阶段就要掌 握与旋转机械有关的丰富信息。机器设计、制造和现场维护人员常会给我们提供十分 有用的信息。我国现行的管理水平、转子监测系统的引入并不排斥和取代现场操作人 员的经验和智慧。相反二者有机结合信息共享，才有利于设备管理和故障诊断工作更 好开展。 研究表明，振动信号中含有丰富的故障信息，通过对其进行时域、频谱及轴心轨 7 北京化- t 人学硕，l ：学位论文 迹的综合分析，分离出振动信号的主要时域部分、频率部分和轴心轨迹，从而得出各 种故障。 较为普遍采用的是频谱分析，不同故障情况其频率分布及幅值大小各有不同，是 旋转机械故障信息的主要来源。在机械设备诊断中，许多故障都会在振动信号中有所 反映，如不平衡、不对中、油膜涡动、热弯曲和部件脱落以及轴承松动、偏心等。一 般来说，这些故障的出现，振动信号的幅值就会变化，包括振动能量分布的变化，即 频谱的各倍频的幅值变化。如轴系对中不良会使振动信号的倍频成分发生变化，特别 是二倍频。但是这些振动信息并不能为故障诊断系统( 即计算机) 所直接使用，必须借 助予传感装置将其转换成电信号，并经过传输电缆送至监测仪表或计算机前置预处理 器中进行放大、滤波、积分等预处理，然后再转换成计算机能够识别的数字信息进行 特征提取、状态识别和决射2 引。 2 1 2 振动信号采集的原理及特点 1 旋转机械振动测量的基本原理 旋转机械振动测量的基本原理是根据振动的振幅大小与引起振动的力成正比的 关系来进行的。振动测试与动态分析包括：振动测量、信号调理、数据采集、动态信 号分析、显示记录等。振动测量是由传感器测得转子振动的振幅并转变为电信号，然 后经放大、滤波等信号调理环节对信号做适当调整，经过调理后的模拟信号经过数据 采集环节转换为数字量，再对数字信号进行处理分析，最后对测量结果进行显示记录 的全过程。 2 旋转机械振动信号采集有以下几个特点： ( 1 ) 实时性强。振动信号的状态监测要求实时性好，以便对故障能够做出准确的 判断，同时为便于分析，各测点要求同步采集。 ( 2 ) 精度高。振动大小的量级是微米级，正常运行时一般在几十微米。 ( 3 ) 数据量大。振动信号由于测点多，每次采集的数据点多( 一般每个测点每次采 样1 0 2 4 点) ，除了实时和历史分析以及趋势分析需要大量的数据外，事故追 忆分析时所要求的数据量更大。这给数据传输、尤其是网络传输带来困难。 2 2 总体方案设计 现在已有的状态监测产品分为离线诊断分析仪表和在线监测设备，两种设备应用 情况和场合有所不同，各有其优缺点。本课题一是要设计开发功能较强，携带方便且 数据可以共享的离线监测诊断系统；二是研究无线通信技术在在线监测诊断系统中的 应用。所开发的系统用于旋转机械的状态监测，希望其简单有效、应用方便且成本尽 第二章系统方案设计 量低廉。所以希望在开发的便携式监测诊断设备中引入无线通信的功能，在离线监测 时，由监测人员直接携带进行诊断分析；在需要在线监测时，可以直接将监测诊断设 备安装到现场，监测设备与p c 无线通信，实现在线监测功能。因为在线监测时，分 析处理、显示控制等功能都是由p c 完成的，前端的监测设备只负责完成数据的采集 及传输功能，所以希望开发的便携式监测诊断设备的采集部分与后端的分析处理、显 示控制部分分开。采集部分既可以与离线监测的分析显示部分连接用于点检，又可以 与p c 无线通信，实现在线监测。离线在线都可以用采集部分来完成数据的采集工作。 传统的采集方式是使用内置数据采集板卡或使用外置采集器通过r s 2 3 2 标准串 口或标准的并行端口进行传输，具有诸多缺点和不足。通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ，简称u s b ) 具有总线供电、热插拔等优点。采用u s b 接口可以解决传统采集方 式存在的诸多问题，很容易就能实现低成本、高可靠性、多点的数据采集。这些优点 使得它在数据传输中得到广泛应用【2 9 。3 1 】。 蒋新胜等人就基于这种思想，提出来一种“基于u s b 接口的便携式故障诊断系 统”，设计了基于便携电脑u s b 接口的便携式故障诊断系统，该系统具有低功耗、数 据传输速率高、使用方便的特点 3 2 】，但是使用时，监测人员必须随身携带采集板和便 携电脑进行操作。 目前p d a 发展迅速，p d a 具有功耗低、体积小、重量轻、便于携带、功能较强、 集输入输出设备于一体的特点，已经用于电力设备巡检中【3 3 1 ，且基于p d a 的便携式 系统也出现了很多，如文献畔】研发的基于p d a 的工程机械设备现场检测与故障诊断 系统等。 因此本文将p d a 应用到便携式系统中，并且开发基于u s b 接口的数据采集器。 数据采集器和p d a 通过u s b 接口连接。这样就由p d a 和数据采集器作为数据采集 和分析的载体，构成手持式诊断分析系统，一可以满足现场使用的便携性能要求，二 是在离线系统中引入数据库的支持，在线系统数据库和离线系统数据可相互通讯，二 者互补，提高故障诊断分析的水平【2 0 】。另外，在数据采集器上增加无线通信的功能， 以便实现无线在线监测的功能。 2 3 无线通信协议选择 2 3 1 常用短距离无线技术 无线技术近些年来发展迅速，在工业控制领域也得到了广泛的应用。现在常用的 短距离无线技术有i r d a 技术、r f i d 技术、蓝牙技术、i f i 技术、u w b 技术、z i g b e e 技术等【3 5 。3 8 1 。下面分别予以简要介绍： 1 i r d a 技术 9 北京化工人学硕一l ：学位论文 i r d a 技术即通常所说的红外技术，用于为通常使用电缆进行连接的设备提供无 线连接功能。i r d a 是一项点到点、窄角度( 3 0 0 锥形范围) 的专门数据传输标准， 专为在0 至1 米的距离之间操作而设，速度为9 6 0 0b p s 至1 6m b p s 。i r d a 是一 种视距传输，无法穿透实心物体，两个通信设备之间必须对准，中间不能被其它物体 阻隔，并且只能用于两台设备之间的传输。与其它无线技术相比，其数据交换应用较 少。i r d a 主要应用于付款系统、远程控制应用或两台p d a 之间的同步操作【3 9 , 4 0 1 2 r f i d 技术( 射频识别技术) r f i d 是一种非接触式的自动识别技术。针对各种应用，有超过1 4 0 种不同的 r f i di s o 标准，可运行于低频、高频和特高频u h f 波段，其通信距离一般只有几米。 最简单的r f i d 系统由标签、阅读器和天线3 部分组成。标签进入磁场后，接收阅读 器发出的射频信号，凭借从感应电流中所获得的能量发送存储在芯片中的产品信息， 或者主动发送某一频率的信号，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行数 据处理。其用途包括跟踪运输途中和零售店货架上的产品存货【4 1 , 4 2 j 。 3 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是爱立信公司在1 9 9 4 年提出的一种短距离无线通信技术规范，采 用跳频扩频技术。主要具有以下特点： ( 1 ) b l u e t o o t h 无线技术运行于无需申请许可证的2 4g h z 波段 ( 2 ) 使用i m b s 速率以达到最大限制带宽。 ( 3 ) 从物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好 ( 4 ) 其理想的连接范围为l o 厘米到1 0 米，通过增大发送功率可以将距离延长至 1 0 0 米。 ( 5 ) b l u e t o o t h 无线技术适用于语音和数据应用。 虽已经历经历多年发展，但一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限 制及抗干扰能力差等问题的困扰，且互通性方面也存在问题。并且一个网络中最多可 容纳8 个节点，只能组成一对七的简单星型网，因而很难满足用户的要求。再者，蓝 牙的开发成本比较高，目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域【4 3 】。 4 w i f i 技术 、i f i ( w i r e l e s sf i d e h t y ，无线高保真1 是无线局域网的一种，通常指i e e e 8 0 2 1l b 产品，是利用无线接入手段的新型局域网解决方案，多用于办公室无线局域网或者校 园网用户与用户终端的连接。w i f i 依赖t c p i p 作为网络层，规定了协议的物理层和 媒体接入控制层，可实现几m b p s 到几十m b p s 的无线接入。与蓝牙技术同属短距离 无线通信技术，但电波覆盖范围略胜一筹，可达l o o m 左右，并且带宽、便携性良好。 但是w i f i 技术标准复杂，各技术方案间存在差异和冲突，各技术提供商尚未达成一 致，技术的安全问题成为隐患。同时w i f i 能耗高，大多装置都需要较高的电池储备 和常规充电，限制了它在工业场合的推广和应用 4 4 , 4 5 】。 1 0 第二章系统方案设计 5 i n 糯【4 6 j i n 釉( u l t r aw i d eb a n d ，超宽带技术) 是一个新发展起来的无线通信技术。它通 过基带脉冲作用于天线的方式发送数据，不需要混频、过滤和射频中频转换模块，实 现了低成本、低功耗和高带宽性能。迄今为止，u w b 仅在美国获得管制批准。由于 没有统一的标准协议和缺乏全球各国管制批准，u w b 产品进入市场的脚步缓慢。理 想情况下，u w b 无线技术功耗小、价格低廉、高速、可使用广范围内的无线电频谱、 可穿透障碍物( 例如门) 传输数据和具有广泛的应用范围( 例如防御、工业、家庭等) 。 u w b 有可能在2 米范围内达到约0 5 0 0 m b p s 的数据率，在1 0 米范围内则能达到约 1 1 0 m b p s ，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理【4 7 ，镐1 。 6 z i g b e e 技术【4 9 , 5 0 1 z i g b e e 技术是继红外技术、蓝牙技术之后推出的第三代无线个域网标准。它是一 种短距离、低速率无线网络技术。z i g b e e 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳 z i g z a g 形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。借此称呼一种专注于低功耗、低成 本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月， 2 0 0 2 年下半年，英国l n v e n s y s 公司、日本三菱、美国摩托罗拉以及荷兰飞利浦等四大 公司加盟z i g b e e ，这一事件成为z i g b e e 技术的里程碑。目前联盟的成员涵盖了n 领 域以及其它行业的1 5 0 多家企业p 。 z i g b e e 是一种基于i e e e 批准的8 0 2 1 5 4 无线标准研发的近距离、低复杂度、低 功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它具有非常低的任务周期，非常高的通 信效率，很长的电池寿命，静态及动态的星型及网状结构，可以有非常多的节点单元。 在没有网络间通信时，它能够保持长时间静止状态。z i g b e e 的工作频段分为3 个，分 别为8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z 。各频段的使用范围、传输速率和信道数不同。具 体如表2 1 所示【蜊。 表2 - 1z i g b e e 频带和频带传输率 t a b l e2 - 1z i g b e et r a n s m i s s i o nb a n da n dt r a n s m i s s i o nr a t e z i g b e e 技术的特点如下【5 3 , s 4 1 ： 1 功耗低。两节五号电池可使用长达6 个月到2 年时间。 2 可靠性高。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。 3 成本低。因为z i g b e e 协议简单，且免收专利费，大大降低了成本，一般为同 类产品的几分之一甚至十分之一。 4 时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延 北京化工大学硕士学位论文 都非常短，通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 5 优良的网络拓扑能力。z i g b e e 具有星、网和丛树状网络结构能力。z i g b e e 设 备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔范围。 6 网络容量大。可支持多达6 5 0 0 0 个节点。 7 安全。z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的 a e s 1 2 8 。 8 采用a d h o e 组网技术。 一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。 相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的技术【5 5 1 。 z i g b e e 技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，因为其 具备工作频段灵活、实时性好、网络容量大、安全性高、可靠，省电、成本低、自组 织等诸多技术优势，自诞生之日起就被冠为世界发展最快、拥有广阔市场前景的十大 最新技术之一。z i g b e e 技术已经在通信行业得到了初步的应用，在未来几年，将得到 飞速地发展【5 6 1 。 2 3 2 无线技术比较及选择 上面简单地介绍了6 种无线通信技术，表2 2 为几种短距离无线通信技术在通信 速率、通信特点和应用场合的比较【5 7 】。 表2 26 种无线通信技术的主要指标 t a b l e2 - 2k e yp a r a m e t e r so f 6k i n d so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s 经过以上比较可知，i r d a 技术具有指向性，无法穿透障碍物，r f i d 技术主要作 为识别等有限领域，并且以上两种技术只能用于两台设备之间的传输，无法满足组网 的要求。u w b 技术虽然带宽最高，但其功耗和成本都很高，在民用领域还处于研究 阶段，没有形成产品，也没有统一的标准。蓝牙技术比较复杂，功耗大，组网规模太 小且协议栈较大不适用于低端处理器。除此以外，以上四种技术通信距离近，基本都 第二章系统方案设计 在1 0 m 以内，不适合工业现场应用。w i f i 技术传输距离可达1 0 0 m ，但其优异的传 输速率是以大的功耗为代价的，大多数便携装置都需要较高的电池储备，并且技术标 准复杂，各技术方案间存在差异和冲突，各技术提供商尚未达成一致，技术的安全问 题成为隐患等缺陷都限制了它在工业场合的推广和应用。 z i g b e e 技术具有功耗低、成本低，实时性好、网络容量大、安全性高、可靠，自 组织等诸多技术优势，这使其成为目前无线数据采集系统组网的最好选择【4 9 1 。 综上分析，决定采用z i g b e e 技术作为在线检测的无线通信技术，但是z i g b e e 工 作在2 4 g h z 的情况下传输速率只有2 5 0 k b p s 5 8 】，无法满足数据高速传输的要求。若 有大量采集的数据则不能在短时间内完成传输，可能会限制本系统在少部分高转速机 械高频信号诊断分析上的应用，但可以适用于大部分旋转机械的诊断分析，不会影响 其通用性。 2 3 3z i g b e e 无线传感器网络瞪机删 微电子技术、计算技术、无线通信和微电子机械系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ，简称m e m s ) 等技术的发展进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展， 使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和短距离无线通信等多种功能。 无线传感器网络【6 i 】由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成。这些节 点可以自动采集环境中的数据信息，通过无线通信的方式形成多跳( m u l t i h o p ，即数 据经多个节点的传播) 的自组织网络系统，并将感知数据发送给观察者。无线传感器 网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息 处理技术、微电子技术、软件技术等多学科交叉的研究领域，具有鲜明的跨学科研究 特剧6 2 1 。 无线传感器网络的研究起步于2 0 世纪9 0 年代术期，从2 l 世纪开始，引起了学 术界、军事界和工业界的极大关注。近年来，无线传感器网络技术已经成为了学术研 究的热点。美国和欧洲相继启动了许多关于无线传感器网络的研究计划。美国所有著 名院校几乎都有研究小组在从事传感器网络相关技术的研究，加拿大、英国、德国、 芬兰、日本和意大利等国家的研究机构也加入了研究。我国也有不少科研机构和高等 院校也相继加入到无线传感器领域的研究中。目前，中科院在这一领域处于国内领先 的地位1 6 引。 无线传感器网络技术目前还处于研究阶段，其应用前景非常广阔。其发展对国家 安全、反恐、社会生活、经济发展等领域具有重要的战略意义和现实意义。随着研究 的不断深入和完善，无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 技术日 益走向成熟【硎。 无线传感器网络需要低功耗短距离的无线通信技术，z i g b e e 的技术特性决定它将 北京化t 大学硕 ：学位论文 是无线传感器网络的最好选择，所以现在越来越多的无线传感器网络采用z i g b e e 作 为的通信平台。z i g b e e 无线传感器网络的低功耗、易部署等特性，使它在无线监控、 工业自动化、家居智能化等领域成了应用研究的热点并得到了初步的应用【6 5 石7 】。 2 4 系统总体结构及应用 该诊断仪自主开发的硬件包括采集器、路由器和无线控制器，与p d a 或者p c 机 连接，可组成多种拓扑结构，并配合相应的软件，实现离线或在线监测的功能。采集 器用于完成数据采集工作，可采集温度及振动量。路由器和无线控制器用于在线监测 时与采集器无线通信。下面就不同应用做具体说明。 2 4 1 离线点检应用 采集器通过u s b 接口与p d a 连接，即可实现点检功能。其系统结构如图2 2 所 示。 p d a 的u s b 接口为u s bh o s t 口，可同时给采集器供电，采集器无需外供电或内 置锂电池。监测人员操作p d a 控制采集器进行采集，采集得到的数据通过u s b 接口 传回p d a ，p d a 实时进行处理、分析、显示。采集器和p d a 体积都很小，通过u s b 接口可方便地连接与分离，使用灵