基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統的制作方法
【專利摘要】一種基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，其特征是包括傳感與信號采集模塊、抗混疊電路、A/D采集模塊、SoC?FPGA系統模塊、數據處理模塊、SD存儲器、ZigBee無線射頻模塊、GPRS無線通信模塊、鋰電池充電模塊、電池電壓監測模塊以及微型振動發電機模塊。使用本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，可以有效解決有線監測系統帶來的成本高、布線復雜、靈活性差、維護困難等難題。該基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統可以應用于高速場合，而不僅僅用于低速、緩變信號領域。本發明采用高性能MEMS傳感器、設計的抗混疊電路、外拓大容量SD卡并引入壓縮感知技術，有效的解決了在監測高速齒輪箱過程中產生的大量數據會漏采、失幀等問題。
【專利說明】基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線傳感器【技術領域】，特別是涉及到高速齒輪箱振動監測系統，具體 是一種基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統。
【背景技術】
[0002] 齒輪箱作為大型回轉機械必不可少的部分，它的工況對整個設備的運行起著至關 重要的作用。由于齒輪箱設備結構復雜，工況特殊，導致存在極高的故障率，所以對齒輪箱 進行監測顯得極為重要。齒輪箱在工作時往往伴隨著振動的產生，發生故障時會引起振動 的異常增大，振動信號的能量分布發生變化，因此常利用振動分析法來診斷齒輪箱的故障。 針對齒輪箱的運行特性，傳統的有線監測系統主要對齒輪箱的振動特性進行監測，尤其是 對加速度的監測。但是有線監測網絡的缺點客觀存在：布線復雜、可靠性差、成本高以及缺 少靈活性等問題。
[0003] 目前無線傳感器網絡正廣泛應用于農業、醫學、橋梁、家居、機械等領域，但是齒輪 箱不同于普通機械設備，它高速、大功率的特點給監測帶來了很大的麻煩。主要有以下幾 點：①高速齒輪箱在監測中會產生大量數據，由于無線傳輸速率較低，如何保證數據能夠完 整的傳輸。②節點運行過程中的主要能耗在數據傳輸部分，高頻采樣會快速消耗節點能源 使節點失效。針對此問題，該如何選擇合適的無線通訊方式以保證系統的穩定性和低功耗 特性。③無線傳感器節點普遍采用電池供電，電池壽命有限，不斷更換電池會給環境造成污 染。但如果采用可充電電池供電的話，電池的充電方式該如何選擇，或者能否有其他能源替 代電池供電。
[0004] 在無線傳感器網絡中，由于節點存儲容量與節點能量等資源受限的特征，如何降 低采集的數據量，從而從根本上減少各個節點能量的消耗，本發明提出壓縮感知技術。
[0005] 壓縮感知是利用數據之間的相關性，極大地較少了網絡中數據的傳輸和存儲。針 對片上系統（SoC)開發周期較長和現場可編程門陣列（FPGA)可重用的特點，本發明采用高 速、低功耗SoC FPGA系統作為處理器，此系統不僅可以編程還有豐富的外設。
[0006] 目前市面上沒有一款無線傳感器節點滿足高速齒輪箱振動監測要求。因此，亟需 一種基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，該系統針對 有線監測網絡帶來的問題，本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統是一種分布 式、可編程的無線傳感器網絡節點系統，具有功耗低、成本低、實時性好、靈活性好、環境適 應性強、節能等特點，可以有效的解決傳統有線監測網絡的缺點。
[0008] 為實現上述目的本發明的技術方案為：
[0009] -種基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，包括傳感與信號采集模塊、抗混疊 電路、A/D采集模塊、SoC FPGA系統模塊、數據處理模塊、SD存儲器、ZigBee無線射頻模塊、 GPRS無線通信模塊、鋰電池充電模塊、電池電壓監測模塊以及微型振動發電機模塊，所述傳 感與信號采集模塊連接抗混疊電路，抗混疊電路通過A/D采集模塊與數據處理模塊連接， 數據處理模塊連接SoC FPGA系統模塊，SD存儲器連接數據處理模塊和ZigBee無線射頻模 塊，ZigBee無線射頻模塊通過ZigBee無線路由網絡和ZigBee協調器連接GPRS無線通信模 塊，GPRS無線通信模塊通過GPRS網絡連接工控計算機，ZigBee協調器通過USB接口與工控 計算機連接；鋰電池充電模塊、電池電壓監測模塊以及微型振動發電機模塊連接SoC FPGA 系統模塊。
[0010] 所述傳感與信號采集模塊為ADXL001傳感器，測振范圍為±70g，諧振頻率為 22kHz。
[0011] 所述SD存儲器為mini SD卡，將數據以FATFS文件格式讀寫入SD卡。
[0012] 所述微型振動發電機模塊將高速齒輪箱運轉過程中的振動能轉化為電能存入儲 能裝置，當轉化的電能不夠用時，會自動切換到鋰電池供電模式。
[0013] 所述信號處理模塊引入了先進的壓縮感知理論。
[0014] 為了解決采集速率與傳輸速率不匹配的問題，采用外拓SD卡作為數據緩沖區。
[0015] 根據傳輸距離的長短，從保證信號傳輸的穩定性、靈活性以及降低成本的角度考 慮，選擇ZigBee技術搭配GPRS技術的混合無線傳輸方式。
[0016] 由于電池的充電方式以及需要不斷更換等問題制約了無線傳感器網絡節點的發 展，這里提出采用其他能源代替電池供電。由于監測對象是高速運轉的齒輪箱，這里選擇在 節點上添加一個微型振動發電機，將齒輪箱運轉過程中的機械能轉化為電能給節點供電。
[0017] 當上述采用的方法提供的電能不夠用時，采用電池供電。本節點采用可充電電池 并設計充電電路，保證電池可以循環使用。同時這個充電電路可以實時監測電池電量，防止 出現過充或過放電現象。
[0018] 由于節點能源主要消耗在數據上，所以本節點處理器部分采用低功耗、可編程的 SoC FPGA系統，并引入壓縮感知技術。
[0019] 本發明的有益效果是：
[0020] 使用本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，可以有效解決有線監測系 統帶來的成本高、布線復雜、靈活性差、維護困難等難題。該基于高速齒輪箱的無線傳感器 節點系統可以應用于高速場合，而不僅僅用于低速、緩變信號領域。
[0021] 本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統采用高性能MEMS傳感器、設計 的抗混疊電路以及外拓大容量SD卡，有效的解決了在監測高速齒輪箱過程中產生的大量 數據會漏采、失幀等問題。
[0022] 本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統采用ZigBee技術搭配GPRS技 術的混合無線傳輸方式，在保證降低節點成本、功耗的基礎上，保證了節點數據傳輸的穩定 性。
[0023] 本發明采用可編程的SoC FPGA系統，便于引入壓縮感知這種數據處理技術，同時 還帶有很多外設以拓展。壓縮感知以極低的采樣率獲取信號，并能夠以極少量信號真實地 還原出原信號，大大減少了數據的傳輸量。
[0024] 本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統還因地制宜，采用電池和振動能 混合供電的模式，有效的減少了環境污染，提高能源利用率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統的無線通信結構示意圖。
[0026] 圖2是本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統的無線傳感器節點結構 示意圖。
[0027] 圖3是本發明的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統的基于壓縮感知的數據 壓縮模式示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖對本發明作進一步描述：
[0029] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步的詳細描述。
[0030] 參見圖1、2, 一種基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，包括傳感與信號采集模 塊、抗混疊電路、A/D采集模塊、SoC FPGA系統模塊、數據處理模塊、SD存儲器、ZigBee無線 射頻模塊、GPRS無線通信模塊、鋰電池充電模塊、電池電壓監測模塊以及微型振動發電機模 塊，所述傳感與信號采集模塊連接抗混疊電路，抗混疊電路通過A/D采集模塊與數據處理 模塊連接，數據處理模塊連接SoC FPGA系統模塊，SD存儲器連接數據處理模塊和ZigBee 無線射頻模塊，ZigBee無線射頻模塊通過ZigBee無線路由網絡和ZigBee協調器連接GPRS 無線通信模塊，GPRS無線通信模塊通過GPRS網絡連接工控計算機，ZigBee協調器通過USB 接口與工控計算機連接；鋰電池充電模塊、電池電壓監測模塊以及微型振動發電機模塊連 接SoC FPGA系統模塊。
[0031] 傳感與信號采集模塊為ADXL001傳感器，測振范圍為±70g，諧振頻率為22kHz。
[0032] SD存儲器為mini SD卡，將數據以FATFS文件格式讀寫入SD卡。
[0033] 微型振動發電機模塊將高速齒輪箱運轉過程中的振動能轉化為電能存入儲能裝 置，當轉化的電能不夠用時，會自動切換到鋰電池供電模式。
[0034] 傳感器部分選用高性能的ADXL001傳感器，作為首款高帶寬振動和沖擊的MEMS傳 感器，具有寬帶寬、小尺寸、低功耗等特性。測振范圍達±70g，諧振頻率為22kHz。[0021] MEMS測振傳感器后接抗混疊電路，防止信號頻率發生混疊現象，本發明節點的截止頻率高 達 50KHz。
[0035] 處理器選用具有高性能、可編程的SoC FPGA系統為核心，既有豐富外設又可以進 行復雜的算法運算，并在此基礎上引入壓縮感知數據處理方法。
[0036] 參見圖3，壓縮感知就是在采集數據的同時對數據進行壓縮，只需遠少于"香濃采 樣定律"所要求的采樣數就能精確重構原始信號。此時采樣速率不再取決于信號帶寬，而取 決于稀疏性。壓縮感知包括對信號的稀疏表示、設計測量矩正以及重構算法這三部分。
[0037] 為了減少系統功耗，本節點采用MCU自帶A/D轉換，通過改變ADC時鐘頻率以及采 樣時間可以獲得所需采樣率。
[0038] 因為高速齒輪箱在監測過程中會產生大量數據，由于無線通訊速率較低，這里選 用SD卡作為數據緩沖區。為了減小節點面積，選用mini SD卡。節點將采集到的數據存入 SD卡，再通過無線模塊將SD卡里的數據慢慢發送出去。將數據以FATFS文件格式讀寫入 SD卡，可以有效的管理數據。
[0039] 由于無線傳感器節點采用電池供電，電池電量有限，所以在設計過程中得盡量選 擇低功耗元器件以減少能量損耗。針對低功耗這一要求，本發明節點ZigBee技術搭配GPRS 技術的混合無線傳輸方式。短距離傳輸時米用ZigBee通訊模式，長距離傳輸時米用GPRS 通訊方式。ZigBee通訊模式優勢在于低功耗，而GPRS模塊優勢在于它的高速率。
[0040] 無線傳感器節點采用電池供電，本節點采用可充電鋰電池供電，并設計了充電電 路和電壓監控電路。實時監測電池電量，能夠防止過充和過放電而導致電池損壞。
[0041] 在一些復雜環境中，電池的充電方式制約著無線傳感器節點的發展。本發明因地 制宜，選用微型振動發電機，將高速齒輪箱運轉過程中的振動能轉化為電能存入儲能裝置。 當轉化的電能不夠用時，會自動切換到鋰電池供電模式。
[0042] 本發明為了節點運行起來更智能化，節點上外接了多個發光二極管，可以實時顯 示節點運行狀況。
[0043] 本發明的無線傳感器網絡節點具體工作流程如下：首先打開電源，初始化各模塊 設備；傳感器模塊將采集到的數據經過抗混疊電路輸入A/D轉換器，此時系統邊采集邊壓 縮數據；再通過SPI接口以DMA方式將數據寫入SD卡；通過串口將SD卡內數據讀入ZigBee 模塊或者GPRS模塊，再發送給上位機，對數據進行重構并進行監控、保存、處理等操作；當 節點在一段時間內采集不到數據，無線模塊會自動關閉，使節點進入休眠狀態，當有數據 時，由處理器啟動無線模塊；在整個系統運行過程中，供電電源采用轉換能源供電為主，電 池供電為輔的供電模式。
[〇〇44] 上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的構 思和范圍進行限定，在不脫離本發明設計構思前提下，本領域中普通工程技術人員對本發 明的技術方案作出的各種變型和改進，均應落入本發明的保護范圍，本發明請求保護的技 術內容已經全部記載在權利要求書中。
【權利要求】
1. 一種基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，其特征是包括傳感與信號采集模塊、 抗混疊電路、A/D采集模塊、SoC FPGA系統模塊、數據處理模塊、SD存儲器、ZigBee無線射頻 模塊、GPRS無線通信模塊、鋰電池充電模塊、電池電壓監測模塊以及微型振動發電機模塊， 所述傳感與信號采集模塊連接抗混疊電路，抗混疊電路通過A/D采集模塊與數據處理模塊 連接，數據處理模塊連接SoC FPGA系統模塊，SD存儲器連接數據處理模塊和ZigBee無線 射頻模塊，ZigBee無線射頻模塊通過ZigBee無線路由網絡和ZigBee協調器連接GPRS無線 通信模塊，GPRS無線通信模塊通過GPRS網絡連接工控計算機，ZigBee協調器通過USB接口 與工控計算機連接；鋰電池充電模塊、電池電壓監測模塊以及微型振動發電機模塊連接SoC FPGA系統模塊。
2. 根據權利要求1所述的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，其特征在于所述傳 感與信號采集模塊為ADXL001傳感器，測振范圍為±70g，諧振頻率為22kHz。
3. 根據權利要求1所述的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，其特征在于所述SD 存儲器為mini SD卡，將數據以FATFS文件格式讀寫入SD卡。
4. 根據權利要求1所述的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，其特征在于所述微 型振動發電機模塊將高速齒輪箱運轉過程中的振動能轉化為電能存入儲能裝置，當轉化的 電能不夠用時，會自動切換到鋰電池供電模式。
5. 根據權利要求1所述的基于高速齒輪箱的無線傳感器節點系統，其特征在于所述信 號處理模塊引入了先進的壓縮感知理論。
【文檔編號】H04W84/18GK104091432SQ201410329233
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】陳捷, 錢黎明, 洪榮晶, 王 華 申請人:南京工業大學, 南京工大數控科技有限公司