一种基于NB-IoT的设备运行状态在线监测仪的制作方法

一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪
技术领域
1.本实用新型涉及一种用于监测工业设备运行状态的仪器，具体而言，涉及一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪，属于工业在线监测技术领域。


背景技术：

2.振动分析是对各类机械式工业设备进行故障诊断时常用的一种分析方法，有资料显示，目前约有六成以上工业设备的状态监测及故障诊断依赖于振动分析技术。特别是在一些自动化程度较高的制造业工厂中，其所使用的大型设备造价昂贵、其运行环境的安全性要求尤为突出，为了时刻保证设备的健康运行，因此越来越多、用于振动分析的振动传感器被接入到制造业工厂内并组建起了成规模的参数采集系统。
3.尽管上述操作能够在一定程度上实现对于工业设备的故障诊断，但是其仍然存在着诸多有待提升之处。
4.其一，现阶段工业应用过程中所使用到的振动传感器大多为有线式结构，其主要适用于分布集中、走线方便的应用场景，而对于厂区环境中的一些分散布置且供电不便的区域，对于这一类型的振动传感器的设置就存在较大的困难。为此，也有一些厂商开始尝试利用wi
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fi、蓝牙、zigbee等无线局域网通信技术来实现传感器间的信号传输，但经过验证后发现，这些通信技术普遍存在通信距离短、设置成本高、占用现有网络资源、抗干扰能力差等问题，并不能从根本上解决传感器间信号传输的技术难题。
5.随着研究的不断深入，一项新兴技术开始受到人们的关注，nb
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iot(narrowbandinternetofthings，窄带物联网)通信技术，构建于无线蜂窝网络，具有超大连接、低成本、功耗低和架构优等特点。可以说，nb
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iot技术的各项优点均与前述技术难点相对应，如果能够将nb
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iot通信技术应用于实际的故障诊断过程中，那么势必能够实现技术革新。
6.其二，除去振动加速度数据外，温度数据亦是判断工业设备运行状态的重要参数，而在现有技术中，对于温度数据的利用十分有限。在某些情况下，设备的振动可能并不明显、但温度变化显著，例如旋转设备的轴承润滑油质量未达标，设备运行时虽然其振动加速度数据并未体现出异样，但设备轴承位置的温度会出现十分显著的变化。因此，针对设备温度数据的采集和分析对于设备运行状态的监测同样具有重要意义。
7.综上所述，如何在现有技术的基础上提出一种全新的、综合性的、基于nb
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iot的设备运行状态在线监测设备，尽可能地提升监测效果、为后续的故障诊断提供便利，也就成为了本领域内技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.鉴于现有技术存在上述缺陷，本实用新型提出了一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪，具体如下。
9.一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪，固定设置于被监测工业设备上，其
特征在于：包括振动加速度数据采集单元、温度数据采集单元、微控制器、nb
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iot单元以及电源单元；
10.所述振动加速度数据采集单元用于采集被监测工业设备的振动加速度数据并转发；
11.所述温度数据采集单元用于采集被监测工业设备的温度数据并转发；
12.所述微控制器分别与所述振动加速度数据采集单元及所述温度数据采集单元二者信号连接、用于接收被监测工业设备的振动加速度数据及温度数据并进行数据分析，所述微控制器还借助所述nb
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iot单元与云端服务器双向信号连接、用于依据所述云端服务器下发的指令执行数据采集及数据分析作业并将数据分析结果上传至所述云端服务器；
13.所述电源单元分别与所述振动加速度数据采集单元、所述温度数据采集单元、所述微控制器以及nb
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iot单元四者电性连接、用于为各单元提供电力支持。
14.优选地，所述振动加速度数据采集单元由模数转换芯片、滤波器以及至少一个振动传感器组成；所述振动传感器与所述滤波器信号连接并通过所述滤波器信号连接至所述模数转换芯片，来自所述振动传感器的模拟信号经所述滤波器滤波后作为所述模数转换芯片的输入并被转换为数字信号。
15.优选地，所述模数转换芯片与所述滤波器二者均与所述微控制器信号连接，所述微控制器同时提供给所述模数转换芯片与所述滤波器二者时钟信号、分别控制所述模数转换芯片的采样频率和所述滤波器的截止频率，所述微控制器与所述模数转换芯片二者间通过spi总线实现信号连接。
16.优选地，所述温度数据采集单元为数字温度芯片，所述微控制器与所述数字温度芯片二者间通过i2c总线实现信号连接。
17.优选地，所述微控制器与所述nb
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iot单元二者间通过uart实现信号连接，所述微控制器所获取的原始振动加速度数据及温度数据与处理后的数据分析结果均经过所述nb
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iot单元被上传至所述云端服务器、所述云端服务器下发的指令也经过所述nb
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iot单元被传送至所述微控制器。
18.优选地，所述电源单元包括直流电源、升压芯片以及基准电源芯片，所述直流电源的电源输出端分别与所述升压芯片、所述数字温度芯片、所述微控制器以及所述nb
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iot单元四者的电源输入端电性连接，所述升压芯片的电源输出端分别与所述基准电源芯片、所述滤波器以及所述振动传感器三者的电源输入端电性连接，所述基准电源芯片的电源输出端与所述模数转换芯片的电源输入端电性连接。
19.与现有技术相比，本实用新型的优点如下：
20.本实用新型所提供的一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪，通过内置大容量电池的方式，不仅简化了安装部署、避免了仪器设置时复杂的电源布线、使得仪器能够很好地适应厂区环境中分散布置且供电不便的区域，而且实现了仪器的超低功耗、长效续航。
21.同时，本实用新型综合性地采集了工业设备的振动加速度数据及温度数据，配合仪器内置的分析算法，显著地提升了数据分析处理的实时性和准确性。而且，本实用新型结合了nb
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iot通信技术，能够通过设定时间的方式定期进行数据采集和上传，也可以依据云端服务器下发的指令进行数据采集上传和参数读写，从而进一步确保了仪器配置的灵活性。
22.此外，本实用新型的应用场景丰富、应用前景广阔，为同领域内的相关技术提供了参考依据，技术人员可以通过对本实用新型的技术方案进行适应性地调整和改动，将其应用于其他与工业设备运行状态监测及故障诊断相关的技术方案中。
23.以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
24.图1为本实用新型中设备硬件部分的结构框图。
具体实施方式
25.本实用新型提供了一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪，具体如下。
26.如图1所示，一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪，固定设置于被监测工业设备上，包括振动加速度数据采集单元、温度数据采集单元、微控制器、nb
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iot单元以及电源单元。
27.所述振动加速度数据采集单元用于采集被监测工业设备的振动加速度数据并转发。所述振动加速度数据采集单元由模数转换芯片、滤波器以及至少一个振动传感器组成；所述振动传感器与所述滤波器信号连接并通过所述滤波器信号连接至所述模数转换芯片，来自所述振动传感器的模拟信号经所述滤波器滤波后作为所述模数转换芯片的输入并被转换为数字信号。
28.所述模数转换芯片与所述滤波器二者均与所述微控制器信号连接，所述微控制器同时提供给所述模数转换芯片与所述滤波器二者时钟信号、分别控制所述模数转换芯片的采样频率和所述滤波器的截止频率，所述微控制器与所述模数转换芯片二者间通过spi（串行外设接口）总线实现信号连接、读取振动数字信号。
29.在本实施例中，所述模数转换芯片的型号为ad7767bruz
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1；它为高性能24位过采样sar型adc(模数转换器)，具有较宽的动态范围和输入带宽，功耗为10.5mw，适用于超低功耗数据采集应用，其具有24位分辨率、出色的snr（信噪比)、宽动态范围和高直流精度，非常适合在较宽的动态范围测量小信号变化的应用。所述滤波器芯片的型号为max7410eua；它为一种五阶、低通、低功耗、开关电容滤波器。所述振动传感器则采用压电型振动传感器；灵敏度为50mv/g
±
5%，量程范围
±
48g，频率响应1~10000hz
±
10%。
30.所述温度数据采集单元用于采集被监测工业设备的温度数据并转发。所述温度数据采集单元为数字温度芯片，所述微控制器与所述数字温度芯片二者间通过i2c（集成电路）总线实现信号连接、获取温度数据。
31.在本实施例中，所述数字温度芯片的型号为si7050；它是业界领先的低功耗和高准确度数字温度传感器，有带隙温度传感元件、高达14位的分辨率模拟数字转换器、信号处理、校准数据以及i2c接口等，在这一类型的所述数字温度芯片中，使用新的信号处理和模拟设计可使得传感器在一个宽泛的温度和电压范围内保持较高的精度，且电流消耗非常小。
32.所述微控制器分别与所述振动加速度数据采集单元及所述温度数据采集单元二者信号连接、用于接收被监测工业设备的振动加速度数据及温度数据并进行数据分析，所
述微控制器还借助所述nb
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iot单元与云端服务器双向信号连接、用于依据所述云端服务器下发的指令执行数据采集及数据分析作业并将数据分析结果上传至所述云端服务器。
33.在本实施例中，所述微控制器的型号为stm32l451ceu6；它为32位芯片，主频80mhz，flash容量512kb，内存容量160kb，拥有丰富的外设接口，如can、i2c、spi、usart、uart等，在低功耗模式下，最低电流k额达到na级别。所述nb
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iot模组的型号为中移物联m5311；它是一款高性能、低功耗nb
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iot无线通信模组，满足中国移动蜂窝物联网通用模组技术规范，且其尺寸仅为16mm
×
18mm
×
2.2mm，能够最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求。
34.就连接关系而言，所述微控制器与所述nb
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iot单元二者间通过uart（异步收发传输器）实现信号连接，所述微控制器所获取的原始振动加速度数据及温度数据与处理后的数据分析结果均经过所述nb
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iot单元被上传至所述云端服务器、所述云端服务器下发的指令也经过所述nb
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iot单元被传送至所述微控制器。
35.所述电源单元分别与所述振动加速度数据采集单元、所述温度数据采集单元、所述微控制器以及nb
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iot单元四者电性连接、用于为各单元提供电力支持。
36.在本实施例中，所述电源单元主要包括3.6v直流电源、3.6v到5v升压芯片以及3.6v到2.5v基准电源芯片，所述直流电源的电源输出端分别与所述升压芯片、所述数字温度芯片、所述微控制器以及所述nb
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iot单元四者的电源输入端电性连接，为四者提供3.6v电力供给，所述升压芯片的电源输出端分别与所述基准电源芯片、所述滤波器以及所述振动传感器三者的电源输入端电性连接，为三者提供5v电力供给，所述基准电源芯片的电源输出端与所述模数转换芯片的电源输入端电性连接，为所述模数转换芯片提供2.5v电力供给。
37.以下针对上述硬件结构描述，对本实用新型的工作原理及部分细节进行阐释。
38.本实用新型在上电或者休眠唤醒后，自动采集被监测工业设备的振动和温度数据，并进行数据分析和处理，随后通过nb
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iot模组上传相应数据；若上传过程中接收到指令，则在当前任务执行完毕后执行指令；在完成所有的任务后，本实用新型再次进入休眠状态。
39.在进行振动加速度数据采集时，本实用新型利用所述振动传感器作为信号源，依次通过所述滤波器和所述模数转换芯片检测振动的实时模拟输出信号；在进行温度数据采集时，本实用新型则利用所述数字温度芯片作为信号源并直接输出。被监测设备的振动加速度数据及温度数据经由所述微控制器的采集处理后，通过nb
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iot网络将原始数据及分析结果上传至云端。此处需要说明的是，在振动加速度数据的处理分析方面，本使用新型内置振动加速度处理分析算法，可以计算得到各种典型的振动特征值（如加速度均方根、加速度峰值、加速度峰峰值、峭度以及速度均方根等等），还可以依据多级阈值参数进行数据报警、可以将振动特征值数据上传至云端服务器以便历史数据分析。
40.在本实用新型的功耗设计方面，本实用新型采用高效能电池供电，利用程序控制电源通断，从而有效降低仪器运行时整体功耗。经过对本实用新型能量需求情况的量化测试得知，本实用新型休眠状态下的耗流约为4.8ua，正常工作状态下的耗流范围是70ma~200ma。
41.综合以上结构、细节描述，本实用新型的整体功能包括但不限于：振动加速度数据
采集、温度数据采集、振动特征值计算、电池电量计算、阈值告警功能、错误事件上报和远程指令下发与响应。
42.综上所述，本实用新型所提供的一种基于nb
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iot的设备运行状态在线监测仪，通过内置大容量电池的方式，不仅简化了安装部署、避免了仪器设置时复杂的电源布线、使得仪器能够很好地适应厂区环境中分散布置且供电不便的区域，而且实现了仪器的超低功耗、长效续航。
43.同时，本实用新型综合性地采集了工业设备的振动加速度数据及温度数据，配合仪器内置的分析算法，显著地提升了数据分析处理的实时性和准确性。而且，本实用新型结合了nb
‑
iot通信技术，能够通过设定时间的方式定期进行数据采集和上传，也可以依据云端服务器下发的指令进行数据采集上传和参数读写，从而进一步确保了仪器配置的灵活性。
44.此外，本实用新型的应用场景丰富、应用前景广阔，为同领域内的相关技术提供了参考依据，技术人员可以通过对本实用新型的技术方案进行适应性地调整和改动，将其应用于其他与工业设备运行状态监测及故障诊断相关的技术方案中。
45.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。例如，对本实用新型中振动数据和温度数据采集部分方案的替换，对微控制器、nb
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iot单元的等效替换等。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
46.最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。