基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统的制作方法
【专利摘要】一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，其特征是包括传感与信号采集模块、抗混叠电路、A/D采集模块、SoC?FPGA系统模块、数据处理模块、SD存储器、ZigBee无线射频模块、GPRS无线通信模块、锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块。使用本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，可以有效解决有线监测系统带来的成本高、布线复杂、灵活性差、维护困难等难题。该基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统可以应用于高速场合，而不仅仅用于低速、缓变信号领域。本发明采用高性能MEMS传感器、设计的抗混叠电路、外拓大容量SD卡并引入压缩感知技术，有效的解决了在监测高速齿轮箱过程中产生的大量数据会漏采、失帧等问题。
【专利说明】基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感器【技术领域】，特别是涉及到高速齿轮箱振动监测系统，具体 是一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统。
【背景技术】
[0002] 齿轮箱作为大型回转机械必不可少的部分，它的工况对整个设备的运行起着至关 重要的作用。由于齿轮箱设备结构复杂，工况特殊，导致存在极高的故障率，所以对齿轮箱 进行监测显得极为重要。齿轮箱在工作时往往伴随着振动的产生，发生故障时会引起振动 的异常增大，振动信号的能量分布发生变化，因此常利用振动分析法来诊断齿轮箱的故障。 针对齿轮箱的运行特性，传统的有线监测系统主要对齿轮箱的振动特性进行监测，尤其是 对加速度的监测。但是有线监测网络的缺点客观存在：布线复杂、可靠性差、成本高以及缺 少灵活性等问题。
[0003] 目前无线传感器网络正广泛应用于农业、医学、桥梁、家居、机械等领域，但是齿轮 箱不同于普通机械设备，它高速、大功率的特点给监测带来了很大的麻烦。主要有以下几 点：①高速齿轮箱在监测中会产生大量数据，由于无线传输速率较低，如何保证数据能够完 整的传输。②节点运行过程中的主要能耗在数据传输部分，高频采样会快速消耗节点能源 使节点失效。针对此问题，该如何选择合适的无线通讯方式以保证系统的稳定性和低功耗 特性。③无线传感器节点普遍采用电池供电，电池寿命有限，不断更换电池会给环境造成污 染。但如果采用可充电电池供电的话，电池的充电方式该如何选择，或者能否有其他能源替 代电池供电。
[0004] 在无线传感器网络中，由于节点存储容量与节点能量等资源受限的特征，如何降 低采集的数据量，从而从根本上减少各个节点能量的消耗，本发明提出压缩感知技术。
[0005] 压缩感知是利用数据之间的相关性，极大地较少了网络中数据的传输和存储。针 对片上系统（SoC)开发周期较长和现场可编程门阵列（FPGA)可重用的特点，本发明采用高 速、低功耗SoC FPGA系统作为处理器，此系统不仅可以编程还有丰富的外设。
[0006] 目前市面上没有一款无线传感器节点满足高速齿轮箱振动监测要求。因此，亟需 一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，该系统针对 有线监测网络带来的问题，本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统是一种分布 式、可编程的无线传感器网络节点系统，具有功耗低、成本低、实时性好、灵活性好、环境适 应性强、节能等特点，可以有效的解决传统有线监测网络的缺点。
[0008] 为实现上述目的本发明的技术方案为：
[0009] -种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，包括传感与信号采集模块、抗混叠 电路、A/D采集模块、SoC FPGA系统模块、数据处理模块、SD存储器、ZigBee无线射频模块、 GPRS无线通信模块、锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块，所述传 感与信号采集模块连接抗混叠电路，抗混叠电路通过A/D采集模块与数据处理模块连接， 数据处理模块连接SoC FPGA系统模块，SD存储器连接数据处理模块和ZigBee无线射频模 块，ZigBee无线射频模块通过ZigBee无线路由网络和ZigBee协调器连接GPRS无线通信模 块，GPRS无线通信模块通过GPRS网络连接工控计算机，ZigBee协调器通过USB接口与工控 计算机连接；锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块连接SoC FPGA 系统模块。
[0010] 所述传感与信号采集模块为ADXL001传感器，测振范围为±70g，谐振频率为 22kHz。
[0011] 所述SD存储器为mini SD卡，将数据以FATFS文件格式读写入SD卡。
[0012] 所述微型振动发电机模块将高速齿轮箱运转过程中的振动能转化为电能存入储 能装置，当转化的电能不够用时，会自动切换到锂电池供电模式。
[0013] 所述信号处理模块引入了先进的压缩感知理论。
[0014] 为了解决采集速率与传输速率不匹配的问题，采用外拓SD卡作为数据缓冲区。
[0015] 根据传输距离的长短，从保证信号传输的稳定性、灵活性以及降低成本的角度考 虑，选择ZigBee技术搭配GPRS技术的混合无线传输方式。
[0016] 由于电池的充电方式以及需要不断更换等问题制约了无线传感器网络节点的发 展，这里提出采用其他能源代替电池供电。由于监测对象是高速运转的齿轮箱，这里选择在 节点上添加一个微型振动发电机，将齿轮箱运转过程中的机械能转化为电能给节点供电。
[0017] 当上述采用的方法提供的电能不够用时，采用电池供电。本节点采用可充电电池 并设计充电电路，保证电池可以循环使用。同时这个充电电路可以实时监测电池电量，防止 出现过充或过放电现象。
[0018] 由于节点能源主要消耗在数据上，所以本节点处理器部分采用低功耗、可编程的 SoC FPGA系统，并引入压缩感知技术。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 使用本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，可以有效解决有线监测系 统带来的成本高、布线复杂、灵活性差、维护困难等难题。该基于高速齿轮箱的无线传感器 节点系统可以应用于高速场合，而不仅仅用于低速、缓变信号领域。
[0021] 本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统采用高性能MEMS传感器、设计 的抗混叠电路以及外拓大容量SD卡，有效的解决了在监测高速齿轮箱过程中产生的大量 数据会漏采、失帧等问题。
[0022] 本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统采用ZigBee技术搭配GPRS技 术的混合无线传输方式，在保证降低节点成本、功耗的基础上，保证了节点数据传输的稳定 性。
[0023] 本发明采用可编程的SoC FPGA系统，便于引入压缩感知这种数据处理技术，同时 还带有很多外设以拓展。压缩感知以极低的采样率获取信号，并能够以极少量信号真实地 还原出原信号，大大减少了数据的传输量。
[0024] 本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统还因地制宜，采用电池和振动能 混合供电的模式，有效的减少了环境污染，提高能源利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统的无线通信结构示意图。
[0026] 图2是本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统的无线传感器节点结构 示意图。
[0027] 图3是本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统的基于压缩感知的数据 压缩模式示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明作进一步描述：
[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步的详细描述。
[0030] 参见图1、2, 一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，包括传感与信号采集模 块、抗混叠电路、A/D采集模块、SoC FPGA系统模块、数据处理模块、SD存储器、ZigBee无线 射频模块、GPRS无线通信模块、锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模 块，所述传感与信号采集模块连接抗混叠电路，抗混叠电路通过A/D采集模块与数据处理 模块连接，数据处理模块连接SoC FPGA系统模块，SD存储器连接数据处理模块和ZigBee 无线射频模块，ZigBee无线射频模块通过ZigBee无线路由网络和ZigBee协调器连接GPRS 无线通信模块，GPRS无线通信模块通过GPRS网络连接工控计算机，ZigBee协调器通过USB 接口与工控计算机连接；锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块连 接SoC FPGA系统模块。
[0031] 传感与信号采集模块为ADXL001传感器，测振范围为±70g，谐振频率为22kHz。
[0032] SD存储器为mini SD卡，将数据以FATFS文件格式读写入SD卡。
[0033] 微型振动发电机模块将高速齿轮箱运转过程中的振动能转化为电能存入储能装 置，当转化的电能不够用时，会自动切换到锂电池供电模式。
[0034] 传感器部分选用高性能的ADXL001传感器，作为首款高带宽振动和冲击的MEMS传 感器，具有宽带宽、小尺寸、低功耗等特性。测振范围达±70g，谐振频率为22kHz。[0021] MEMS测振传感器后接抗混叠电路，防止信号频率发生混叠现象，本发明节点的截止频率高 达 50KHz。
[0035] 处理器选用具有高性能、可编程的SoC FPGA系统为核心，既有丰富外设又可以进 行复杂的算法运算，并在此基础上引入压缩感知数据处理方法。
[0036] 参见图3，压缩感知就是在采集数据的同时对数据进行压缩，只需远少于"香浓采 样定律"所要求的采样数就能精确重构原始信号。此时采样速率不再取决于信号带宽，而取 决于稀疏性。压缩感知包括对信号的稀疏表示、设计测量矩正以及重构算法这三部分。
[0037] 为了减少系统功耗，本节点采用MCU自带A/D转换，通过改变ADC时钟频率以及采 样时间可以获得所需采样率。
[0038] 因为高速齿轮箱在监测过程中会产生大量数据，由于无线通讯速率较低，这里选 用SD卡作为数据缓冲区。为了减小节点面积，选用mini SD卡。节点将采集到的数据存入 SD卡，再通过无线模块将SD卡里的数据慢慢发送出去。将数据以FATFS文件格式读写入 SD卡，可以有效的管理数据。
[0039] 由于无线传感器节点采用电池供电，电池电量有限，所以在设计过程中得尽量选 择低功耗元器件以减少能量损耗。针对低功耗这一要求，本发明节点ZigBee技术搭配GPRS 技术的混合无线传输方式。短距离传输时米用ZigBee通讯模式，长距离传输时米用GPRS 通讯方式。ZigBee通讯模式优势在于低功耗，而GPRS模块优势在于它的高速率。
[0040] 无线传感器节点采用电池供电，本节点采用可充电锂电池供电，并设计了充电电 路和电压监控电路。实时监测电池电量，能够防止过充和过放电而导致电池损坏。
[0041] 在一些复杂环境中，电池的充电方式制约着无线传感器节点的发展。本发明因地 制宜，选用微型振动发电机，将高速齿轮箱运转过程中的振动能转化为电能存入储能装置。 当转化的电能不够用时，会自动切换到锂电池供电模式。
[0042] 本发明为了节点运行起来更智能化，节点上外接了多个发光二极管，可以实时显 示节点运行状况。
[0043] 本发明的无线传感器网络节点具体工作流程如下：首先打开电源，初始化各模块 设备；传感器模块将采集到的数据经过抗混叠电路输入A/D转换器，此时系统边采集边压 缩数据；再通过SPI接口以DMA方式将数据写入SD卡；通过串口将SD卡内数据读入ZigBee 模块或者GPRS模块，再发送给上位机，对数据进行重构并进行监控、保存、处理等操作；当 节点在一段时间内采集不到数据，无线模块会自动关闭，使节点进入休眠状态，当有数据 时，由处理器启动无线模块；在整个系统运行过程中，供电电源采用转换能源供电为主，电 池供电为辅的供电模式。
[〇〇44] 上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构 思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发 明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技 术内容已经全部记载在权利要求书中。
【权利要求】
1. 一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，其特征是包括传感与信号采集模块、 抗混叠电路、A/D采集模块、SoC FPGA系统模块、数据处理模块、SD存储器、ZigBee无线射频 模块、GPRS无线通信模块、锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块， 所述传感与信号采集模块连接抗混叠电路，抗混叠电路通过A/D采集模块与数据处理模块 连接，数据处理模块连接SoC FPGA系统模块，SD存储器连接数据处理模块和ZigBee无线 射频模块，ZigBee无线射频模块通过ZigBee无线路由网络和ZigBee协调器连接GPRS无线 通信模块，GPRS无线通信模块通过GPRS网络连接工控计算机，ZigBee协调器通过USB接口 与工控计算机连接；锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块连接SoC FPGA系统模块。
2. 根据权利要求1所述的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，其特征在于所述传 感与信号采集模块为ADXL001传感器，测振范围为±70g，谐振频率为22kHz。
3. 根据权利要求1所述的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，其特征在于所述SD 存储器为mini SD卡，将数据以FATFS文件格式读写入SD卡。
4. 根据权利要求1所述的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，其特征在于所述微 型振动发电机模块将高速齿轮箱运转过程中的振动能转化为电能存入储能装置，当转化的 电能不够用时，会自动切换到锂电池供电模式。
5. 根据权利要求1所述的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，其特征在于所述信 号处理模块引入了先进的压缩感知理论。
【文档编号】H04W84/18GK104091432SQ201410329233
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】陈捷, 钱黎明, 洪荣晶, 王 华 申请人:南京工业大学, 南京工大数控科技有限公司