（化工过程机械专业论文）设备运行状态无线监控网络平台构架与实验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t n 9 1 9 6 + 4 学科分类号5 1 0 5 0 1 5 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 6 7 9 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王洁学号2 0 0 9 0 0 0 6 7 9 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源企事业合作研究方向机电工程 论文题目 设备运行状态无线监控网络平台构架与实验研究 关键词设备安全，无线传感器网络，振动监测，温度监测 论文答辩日期 2 0 1 2 年5 月2 7 日t 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张连凯副教授北京化工大学机电工程 评阅人1张东胜副教授北京化工大学机电安全 评阗人2李方俊副教授北京化工大学流体污染控制 椭员会拂张有忱 教授北京化工大学 机械设计及摩擦学 答辩委员1 李威教授北京科技大学 机械设计与传动 答辩委员2张东胜副教授北京化工大学机电安全 答辩委员3赵军副教授北京化工大学力学分析 答辩委员4张莉彦副教授北京化工大学机械设计 答辩委员5李方俊副教授北京化工大学流体污染控制 答辩委员6陈东梁讲师北京化工大学火灾安全 答辩委员7张建文教授北京化工大学化学工程、安全工程 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 设备运行状态无线监控网络平台构架与实验研究 摘要 设备无线监控系统是在嵌入式产品和无线通信技术结合的基础上形 成的一种用于获取远程设备运行过程中的各种参数指标，以实现对各分散 的设备进行远程监管和控制的系统。当前，鉴于传统有线监控方式存在布 线麻烦和信息传输不及时等各种弊端，无线监控系统摆脱了这些局限，得 以迅速地发展和广泛地使用，并且来自国内外的业界专业人士目前在这方 面的研究中均取得了不少进步。 本课题对无线监控信号搭载传送方式和网络的结构形式进行了深入 的探讨和研究，结合过程设备在运行中需要监测的各类参数，给出合理的 系统解决方案，组建完整的无线监控系统，为多对象目标运行状态复合参 数监测奠定了深厚的基础。该系统具有数据采集、无线内网传输、数据显 示、预警和报表等功能，并且其网络结构具有组网灵活、无需综合布线、 与多种通信主干网融合、功耗低、自修复等多重优点，特别适用于既有建 筑和设施。 本文首先对设备无线监控系统的总体构架进行研究，根据项目的具体 情况给出合理解决方案，对无线监控系统网络拓扑和体系架构作分析；其 次，对系统的无线网络进行选择，了解目前应用广泛的i s a l 0 0 、z i g b e e 和w i r e l e s s h a i h ，并弄清楚三种无线协议之间的区别；再次，进行系统 无线网络的搭建，对测点进行选择，再分别对基于w i r e l e s s h a r t 标准和 北京化工大学硕士研究生学位论文 i s a l 0 0 协议的组网进行研究；最后，进行上位机软件的设计，并介绍系 统功能的实现与系统扩展。通过试验和运行，该系统各方面表现达到预期， 并通过进一步的试验证明了系统具有很好的可扩展性。 关键词：设备安全，无线传感器网络，振动监测，温度监测 a b s t r a c t t h en e t w o r kp l a t f o r mc o n s t r u c t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo fe q u i p m e n tw i r e l e s s m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t e q u i p m e n tw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m ，b a s e do nt h ec o m b i n a t i o no f e m b e d d e dp r o d u c t sa n dw 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 y , i su s e dt oo b t m n a l lk i n d so fr u n n i n gp a r a m e t e r so ft h er e m o t ed e v i c e ，i no r d e rt or e a l i z et h e c h a r g eo fd i s p e r s e dr e m o t ee q u i p m e n t a tp r e s e n t ，i nv i e wo ft h et r a d i t i o n a l c a b l em o n i t o r i n gm o d ee x i s t i n gd e f e c t so fw i r i n gt r o u b l ea n du n t i m e l y t r a n s m i s s i o n ，w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mh a sr a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d e a d h i b i t i o nw i t h o u tt h e s ed e f e c t s a n dt h ei n d u s t r yp r o f e s s i o n a l sf r o mh o m e a n da b r o a di nt h i ss t u d yh a v em a k i n gal o to fp r o g r e s si nt h i sf i e l da tp r e s e n t t h i st o p i cd o e sa ni n d e p t hd is c u s s i o na n dr e s e a r c ho nt h ew i r e l e s ss i g n a l t r a n s m i s s i o na n dn e t w o r ks t r u c t u r a lf o r m i tg i v e sar e a s o n a b l es o l u t i o nt og e t a l lk i n d so fp r o c e s sp a r a m e t e r sn e e d e di nt h ee q u i p m e n tm o n i t o r i n ga n df o r m s c o m p l e t ew i r e l e s ss u r v e i l l a n c es y s t e m a n di tc a nb et h es o l i df o u n d a t i o no f c o m p o u n dp a r a m e t e r sm o n i t o r i n gw i t hm u l t i - o b j e c tt a r g e t t h es y s t e mh a s m a n yf u n c t i o n ss u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，w i r e l e s si n t r a n e tt r a n s m i s s i o n ，d a t a d i s p l a y , w a r n i n ga n dr e p o r t i n g ，i nt h em e a n t i m et h e i rn e t w o r kh a sm u l t i p l e a d v a n t a g e ss u c h a sf l e x i b l es t r u c t u r e ，w i t h o u ts t r u c t u r e dc a b l i n g ，f u s i n ga i i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 v a r i e t yo fc o m m u n i c a t i o n sb a c k b o n e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n ds e l fr e p a i r s oi ti sp a r t i c u l a r l ya p p l i c a b l et oe x i s t i n gb u i l d i n g sa n df a c i l i t i e s f i r s t l y , t h i st e x td o e st h er e s e a r c ho nt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko f t h ed e v i c e w i r e l e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dg i v e sr e a s o n a b l es o l u t i o n s a c c o r d i n g t h eo r o i e c t ss t , c i f i cc i r c u m s t a n c e s s e c o n d b ts e l e c t stheaccording t ot h ep r o l e c tss p e c l t mc i r c u m s t a n c e sb e c o n a l y , i ts e l e c t st i l e - w i r e l e s sn e t w o r ki nt h i ss y s t e md u r i n gi s a 10 0 ，w i r e l e s s h a r ta n dz i g b e e w h i c ha r ew i d e l yu s e d ，a n dm a k e sd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e s et h r e ew i r e l e s s p r o t o c o l s t h i r d l y , i tb u i l d sw i r e l e s sn e t w o r ki nt h es y s t e ma n ds e l e c t st h e s u r v e yp o i n t s ，a n dd o e st h er e s e a r c ho ni s a 10 0a n dw i r e l e s s h a r tn e t w o r k s t a n d a r dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h ep cs o f t w a r ei sd e s i g n e da n dt h er e a l i z a t i o n o fs y s t e mf u n c t i o n si si n t r o d u c e d t h r o u g ht e s t i n ga n dr u n ，a l la s p e c t so ft h e s y s t e ma c h i e v e so u re x p e c t a t i o ne f f e c t ，a n di t i sp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a s g o o ds c a l a b i l i t yt h r o u g hf u r t h e r t e s t s k e yw o r d s ：e q u i p m e n ts a f e t y , w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，v i b r a t i o n m o n i t o r i n g ，t e m p e r a t u r em o n i t o r i n g i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 无线通讯发展与现状1 1 1 1 电磁波的发现1 1 1 2 无线通讯的发展历程1 1 1 3 无线通讯的发展趋势2 1 2 设备无线监控发展与应用2 1 2 1 设备无线监控的发展3 1 2 2 设备无线监控的应用3 1 3 设备无线监控需要解决的问题5 1 3 1 无线监控系统的安全性5 1 3 2 无线监控系统的抗干扰性5 1 3 3 无线监控系统的实时性6 1 4 本文主要研究内容6 第二章设备无线监控系统总体构架研究9 2 1 项目的确立9 2 2 无线监控系统网络拓扑9 2 3 无线监控系统体系架构1 0 2 4 被测参数的选择11 2 4 1 设备中存在的不安全因素1 1 2 4 2 系统主要监测参数1 2 2 5 系统无线电波传播特性及信号维护1 3 2 5 1 系统所处环境中电波的传播特性分析一1 3 2 5 2 信号衰落的基本概念1 5 2 5 3 克服衰落的措施一1 8 2 6 j 、结19 第三章系统无线网络的选择2 1 3 1 无线传感器网络概述2 1 v 北京化工大学硕士研究生学位论文 ：；：! i s ；a 1 0 0 2 2 ：；3 z i g b e e 2 4 ：；4w i r e l e s s h a r t 2 5 3 5 三种无线协议的区别2 7 3 5 1w i r e l e s s h a r t 和z i g b e e 比较2 7 3 5 2i s a l 0 0 和w i r e l e s s h a r t 比较2 9 3 6 小结3 0 第四章系统无线网络的搭建3 1 4 1 测点选择3 1 4 2 基于w i r e l e s s h a r t 的组网研究3 1 4 2 1 系统流程31 4 2 2 系统结构3 2 4 2 3w i r e l e s s h a i h 层次模型结构3 4 4 2 4 系统主要技术指标3 6 4 3 基于i s a l 0 0 的组网研究：3 6 4 3 1 系统流程3 7 4 - 3 2 系统结构3 7 4 3 3 数据报文3 9 4 3 4 系统主要技术指标4 3 4 4 小结4 3 第五章上位机软件的设计4 5 5 1f a m e v i e w 简介4 5 5 2f a m e v i e w 连接设置4 5 5 3 数据库连接4 7 5 4 监控软件界面设计5 0 5 4 1 编辑模拟输入变量5 0 5 4 2 项目组态与功能设置5 3 5 4 3 系统监测画面5 6 5 5 小结5 9 第六章系统功能实现与延伸6 1 目录 6 1 硬件设施布置6 1 0 1 1 传感器安装6 1 6 1 2 变送器安装6 4 6 。1 3 网关安装6 5 6 2 数据采集与分析。6 6 6 3 系统扩展6 7 6 4 小结6 9 第七章总结与展望7 1 7 1 全文总结7 1 7 2 进一步研究与展望7 1 参考文献7 3 致谢7 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 9 作者和导师简介8 1 v i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 v l i i c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 一1 1 1d e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 1 1 1 1f o u n do f e l e c t r o m a g n e t i cw a v e s 。1 1 1 2d e v e l o p m e n tc o u r s eo f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 1 1 1 3d e v e l o p m e n tt r e n do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 2 1 2d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f w i r e l e s sm o n i t o r i n g 。2 1 2 1d e v e l o p m e n to f w i r e l e s sm o n i t o r i n g 3 1 2 2a p p l i c a t i o no f w i r e l e s sm o n i t o r i n g 3 i 3p r o b l e mn e e dt ob es o l v e di nw i r e l e s sm o n i t o r i n g 5 1 3 1s e c u r i t yo f w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m 5 1 3 2a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo f w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m 5 1 3 3t i m e l i n e s so f w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m 。6 14m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 6 c h a p t e r2s t u d yo fw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m f r a m e w o r k 。9 2 1p r o j e c te s t a b l i s h m e n t ，9 2 2w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mn e t w o r kt o p o l o g y 9 2 3w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e 1 0 2 4m e a s u r e dp a r a m e t e r ss e l e c t i o n 1 1 2 4 1u n s a f ef a c t o r si nd e v i c e 1 1 ：! 4 2m a i nd e c e c t i o np a r a m e n t e r s 1 2 2 5r a d i ow a v ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a i n t e n a n c e 1 3 2 5 1w a v ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si ns y s t e me n v i r o n m e n t 1 3 2 5 2b a s i cc o n c e p to fs i g n a lf a d i n g 1 5 2 5 3m e a s u r e st ov o e r c o m ef a d i n g 1 8 2 6c o n c l u s i o n 。1 9 c h a p t e r 3w i r e l e s sn e t w o r ks e l e c t i o n 2 1 3 1w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k so v e r v i e w 2 1 i x 北京化工大学硕士研究生学位论文 3 2i s a l 0 0 2 2 3 3z i g b e e 2 4 3 4w i r e l e s s h a r t 2 5 3 5d i f f e i - e n c eb e t w e e nt h et h r e ew i r e l e s sp r o t o c o l s “2 7 3 5 1c o m p a r ew i r e l e s s h a r tw i t hz i g b e e 2 7 3 5 2c o m p a r ei s a l 0 0w i t hw i r e l e s s h a r t 2 9 3 6c o n c l u s i o n 3 0 c h a p t e r4 w i r e l e s sn e t w o r kb u i l d i n g 3 1 4 1m e a s u r i n gp o i n t ss e l e c t i o n 3 1 4 2n e t w o r ks t u d yb a s e do nw i r e l e s sh a r t 3 1 4 2 1s y s t e mf l o w 3 1 4 2 2s y s t e ma r c h i t e c t u r e 3 2 4 2 3w i r e l e s s h a r th i e r a r c h i c a lm o d e ls t r u c t u r e 3 4 4 2 4m a i nq u a l i f i c a t i o n s 3 6 4 3n e t w o r ks m a yb a s e do ni s a l 0 0 3 6 4 3 1s y s t e mf l o w 3 7 4 3 2s y s t e ma r c h i t e c t u r e 3 7 4 3 3d a t ap a c k e t 3 9 4 3 4m a i nq u a l i f i c a t i o n s 4 3 4 4c e n c l u s i o n 4 3 c h a p t e r5p c s o f t w a r ed e s i g n 4 5 5 1f 锄e v i e wi n t r o d u c t i o n 4 5 5 2f a m e v i e wc o n n e c t i o n g 4 5 5 3d a t a i b a s ec o n n e c t i o n 4 7 5 4m o n i t o r i n gs o f t w a r ei n t e r f a c ed e s i g n 5 0 5 4 1a n a l o gi n p u tv a r i a b l ee d i t 5 0 5 4 2p r o j e c tc o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o ns e t t i n g 5 3 5 4 3m o n i t o r i n gi n t e r f a c e 5 6 5 5c o n c l u s i o n j 5 9 c h a p t e r6s y s t e m f u n c t i o nr e a l i z a t i o na n de x t e n s i o n - 6 1 x c o n t e n t s 6 【h a r d w a r ef a c i l i t i e s1 a y o u t 6 】【 6 1 1s e n s o r si n s t a l l a t i o n 6 1 6 1 2t r a n s m i t t e ri n s t a l l a t i o n 6 4 6 1 3g a t e w a yi n s t a l l a t i o n 6 5 6 2d a t as a m p l i n ga n da n a l y s i s 一6 6 6 3s y s t e me x t e n s i o n 6 7 6 。4c o n c l u s i o n 。6 9 c h a p t e r7c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 7 1 7 1c o n c l u s i o n _ 7 j 7 2f u r t h e rs t u d ya n dp r o s p e c t 7 1 r e f e r e n c e s 7 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 7 a c a d e m i cp a p e r sp u b l i s h e dd u r i n gm a s t e r 7 9 t h ea u t h o ra n dm e n t o r p r o f i l e 8 1 北京化工大学硕士研究生学位论文 x i i 第一章绪论 1 1 无线通讯发展与现状 第一章绪论 人类从野蛮迈向文明的漫长过程中，通信手段和通信方式的不断进步是其中一个 很重要的标志，无线通信作为人类的各种通信方式中的一种，其最基本的特征是利用 电磁波在空中传递信号。无线通信的发展基于2 0 世纪物理学、电子技术和信息技术 的大发展，可以说它的发展是人类现代文明的代表和结晶【。 1 1 1 电磁波的发现 电磁波是人类在远距离实时接收和发送信息时所用的主要载体之一，人类在认识 电磁波的过程中，经历了漫长的时间。 法拉第( m f a r a d a y ，1 7 9 1 1 8 6 7 ) 毕生从事电磁现象研究，他发现了电磁感应定 律，提出了“电磁场”的概念，并用电力线和磁力线描述电磁场；伟大的理论物理学 家麦克斯韦( j c m a x w e l l ，1 8 3 1 1 8 7 9 ) 总结了法拉第等人的研究成果，于1 8 7 3 年发 表了一篇著名的论文，提出麦克斯韦方程组，奠定了光学、电磁学和电磁波传播的重 要理论基础；德国物理学家赫兹( h h e r t z ，1 8 5 7 1 8 9 4 ) 在1 8 8 8 年用实验证明了电磁 波的存在以及其传播速度等于光速；1 9 世纪术，人们已经认为电磁波的存在纠，及光于 电磁波的统一是不争的事实；到了2 0 世纪初，著名意大利发明家马可尼在英国用无 线电波收发装置实现了跨大西洋的电报传输，这一简单试验却成为无线电波在无线通 信中广泛应用的开端。 在无线通信技术广泛应用于社会各行各业中的今天，我们不得不承认它作为一种 通信手段已经深入到人类活动的方方面面，为科学和社会的进步以及人类生活的提高 做出了巨大贡献【2 j 。 1 1 2 无线通讯的发展历程 无线通信的发展经历了一个很漫长的过程：在古时候，对于人们来说，远距离通 信仅仅是一种梦想而已，那时候的人们口中的“顺风耳”听起来多多少少有些不切实 际的成分；而在1 9 世纪末，出现了一位无线电通讯之父马克尼，他的电报传输 成功试验向人类隆重地宣告了一个崭新的时代的来到；在1 8 8 9 年，斯戳格( s t r o w g e r ) 发明了自动电话交换机，并在美国l a p o r t ( i n d i a n a ) 安装了世界上首个商用的自动交 换机；到了2 0 世纪，具有代表性的人物柯捷尔尼可夫( k o t e j i b h h k o b ) 、香农( s h a n n o n ) 北京化工大学硕士研究生学位论文 等人对无线通信技术的发展均做出了卓越的贡献，无线通信技术进入了一个黄金时 期；直至2 0 世纪的下半叶，受益于突飞猛进的硬件技术以及各种全新的电子元器件 的纷纷面世，普通人们的家中才真正出现了无线通信设备f 3 】，至此，人们在生活中才 真正享受到无线通信带来的便利。 人们的生活正是因此而发生了改变。1 9 4 1 年，摩托罗拉生产出美军参战时唯一的 便携式无线电通信工具，那是一台5 磅重的手持对讲无线电样机。1 9 5 6 年，首个无线 电寻呼机诞生于摩托罗拉公司。1 9 7 9 年，a m p s 制模拟蜂窝式移动电话在芝加哥试验 成功，于1 9 8 3 年1 2 月正式投入商用。后来，人们从模拟转向数字蜂窝移动通信的研 究，便出现了以t d m a 技术为基础的g s m 系统，以及以c d m a 技术为基础的i s 9 5 标准，个人通信的概念开始深入人心。人们对通信技术的更高要求使得基于i m t - 2 0 0 0 的第三代移动通信技术( 3 g ) 与2 0 0 0 左右开始蓬勃发展，具有代表性的有欧洲提出 的w - c d m a 技术、美国提出的c d m a 2 0 0 0 技术和我国提出的具有自主知识产权的 t d - c d m a 技术【4 1 。而现在众多的无线通信新技术( 如u w b 、蓝牙、w i f i 等) 日趋 成熟，也将孕育出一系列更新的技术，推动无线通信发展到一个新的巅峰，为人们的 生活带来更多新鲜的元素和便利的方式。 1 1 3 无线通讯的发展趋势 除了传统的公众移动通信外，众多的无线通信技术，如w l a n 技术、w i m a x 技术、a dh o e 网络、u w b 技术等，呈现百花齐放的局面，移动通信网络的的结构由 现有电路交换网络向i p 网络过渡的趋势已不可阻挡。近年来，科技发展的速度越来 越快，我们身边不时出现以前无法想象得到的高科技产品，使我们的生活发生了曰新 月异的变化。无线通信技术的不断成熟不仅解除了人与人之间的通信障碍，在科技高 速发展的今天，它甚至将人与物、物与物之间无限制的连接起来，这意味着我们正在 迈向一个无所不在的“物联网”通信时代p j 。 1 2 设备无线监控发展与应用 机械设备无线监控是综合性很强的一门学科，需要对设备的安全监控非常熟悉， 并且对无线通信的知识也要非常了解。基于原有嵌入式产品和无线通信技术而形成的 无线监控系统能够获取远程设备运行过程中的各种参数的动态指标，可以进行远程监 管和远程故障诊断等操作，实现对设备的远程监控，进而提高对各分散设备的管理效 率f 6 】6 ，设备无线监控系统表现出来的卓越优势使其在人类生活的方方面面中都得到了 非常广泛的应用。 2 第一章绪论 1 2 。1 设备无线监控的发展 无线监控系统的英文名称是w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m ，在并不算漫长的几十年 之间，无线监控经历了大致五个发展阶段，如下： ( 1 ) 远程单机监控：即第一代的远程监控系统，其主要特点是集中控制和多用户联 机监控； ( 2 ) 基于企业内部网i n t r a n e t 的远程监控：其核心技术是基于w e b 的计算，这是一 种分布式的远程监控系统，其显著特征是集散化控制和局域网的形式； ( 3 ) 基于国际互联网i n t e r n e t 的远程监控：这是远程监控发展过程中的一个新阶段， 在这个阶段，计算机网络与设备监控两种技术首次结合起来了； ( 4 )