基于物联网的振动监测系统感知层设计

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第 1O期2013年 1O月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 255基于物联网的振动监测系统感知层设计代瑞鹏，孙俊杰，陈 磊，于大永(郑州大学 振动工程研究所，河南 郑州 450001)摘 要：研究开发了基于物联网的振动监测 系统感知层，介绍了系统的整体框架和感知层的结构，阐述了感知层的设计理念。物联网技术的应用使得系统更人性化，便于操作和管理；融合 WSN的RFID读写器设计方便 了感知层信息的获取。系统设计为特定环境的工业现场实时监测提供了方便的手段，具有很好的实用性。随着物联网技术的更新和发展，将物联网技术应用入实时在线振动监测系统，使整个系统更加智能和快捷 ，为旋转机械的故障监测提供 了强有力的理论依据。

关键词：物联网；振动监测；嵌入式系统 ；Wifi中图分类号：TH16；TH268．+1 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0255—02Design of Vibration Monitoring System Sensing Layer Based on Internet of ThingsDAI Rui—peng，SUN Jun-jie，CHEN Lei，YU Da-yong(Institute of Vibration Engineering，Zhengzhou University，He’nan Zhengzhou 450001，China)Abstract：A vibration monitoring system sensing layer based on internet ofthings Was developed．Fi~t###the overall structureofthe system and the structure ofthe sensor layer were introduced．Then the design concept Was expounded．The operationaland the managerial were enhanced because ofthe introduction ofthe internet ofthings．And because ofthe如 ofthereader based on the wireless sensor network and the radio frequency identifcation，information of the sensing layer Was goteasier．The design ofthe system provided a beter methodfor the industrialfield．It has good practicability．With the upgradingand development of the internet of things technology，the concept of internet of things gradually has developed into everycorner ofpeople’S lives，which is also an entirely new ideas and goals that apply the internet ofthings technology into thereal-time online vibration monitoring system.

Key W ords：Internet ofThings；Vibration M onitoring；Embedded System；W ifi1引言在现代化生产中，为了确保机械设备安全可靠的运行，可以通过采用适宜的仪器仪表，利用故障诊断技术及时发现故障，预防和避免事故的发生[1l。传统的手持式数据采集仪虽然体积小、携带方便，但其运算处理能力有限，因而不能满足实时监测诊断重大关键设备的要求。所以对于大型关键设备往往需要采用在线监测系统利用现代信号处理技术，实时的监测设备运行状况，预防和避免事故的发生口。针对这一情况，开发了基于物联网技术的设备状态监测与故障诊断系统。能够实时监测机组运行状态，提供多种分析方法，并能自动生成具有参考价值的诊断结论和报表；通过 Wif无线网络将分析图谱和诊断结论对外发布，既方便了设备维护人员的操作和使用，也为重要设备的科学管理和维修提供了重要依据[31。

2系统总体结构系统基于物联网技术和嵌入式技术构建而成，包括传感器、数据采集器、数据库和Web服务器、浏览站点、数据存储，故障分析模块等，如图 1所示。传感器将现场的非电量信号转换为电信号；数据采集器则包括 RFID读写器设计和数据采集两个部分，RFID读写器是作为WSN网络的一个特殊节点，和无线传感网络结合在一起，数据采集将读取到的电信号在采集器底板上经过分离、放大、滤波等处理后转换为数字信号；存储模块包括有 NANDFLASH、SDRAM，板子上也集成有SD卡插槽，可供使用；网络通信则采用wif将所转化的数字信号通过物联网发送至远程维护站点，通过远程站点可以通过 IE浏览器查看工作组内任何系统的诊断结论和分析图谱，根据故障还运行维护程序，可以对采集器和管理软件进行远程调试、配置和更新[31。

图 1系统总体结构Fig．1 Overal Structure of the System来稿日期：2012—12—14基金项目：国家自然科学基金资助项目(50675209)；河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B460015)作者简介：代瑞鹏，(1988一)，男，河南郑州人，硕士，主要研究方向：设备故障诊断；孙俊杰，(1956一)，男，河南郑州人，硕士，副教授，主要研究方向：设备故障诊断256 代瑞鹏等：基于物联网的振动监测系统感知层设计 第 l0期3系统硬件平台3．1硬件总体架构硬件平台的稳定性是整个系统丁作的基础和前提。硬件设计完成了模拟量采集 、网络通信、串行总线通信等。硬件总体上由底板和采集功能板组成，如图 2所示。各个功能版可根据需要设置模拟量输入，可以满足对现场采集的需要。采集功能板将 WSN和 RFID技术融合在一起，使得采集更加人性化。底板 上二集成了Wif发射器天线 ，将采集转换过的数字信号发送至地面接收端，以便操作人员在地面进行监测和控制。

图 2采集器硬件结构Fig．2 Hardware Structure of Collector3．2感知层设计感知层主要由 RFID读写器和数据采集系统组成。在数据采集前段采用 RFID读写器和 WSN节点相融合的体系架构，其中，RFID读写器作为 WSN网络的一个特殊采集节点，构建可应用与无线传感器网络的 RFID渎写器至关重要。RFID读写器的结构图，如图 3所示。标签芯片采用_L海某公司生产的 SHC1102t 啡接触式芯片 I。

SHC 幽 l102 I芯片 I 号数据信号上位机图3 RFID读写器结构图Fig．3 Reader Structure of RF1D数据采集功能版分振动信号、直流信号和T艺信号3种，均采用 A I"91RM9200作为处理器，板子构建 Linux操作系统。每块功能版均可采集 1 8路信号，振动信号 AD转换有效位数为 l4位，采样频率可达 200bps。可实现同步正周期和非同步整周期两种采样方式，这两种采集方式町根据需要经过键相信号进行切换，使采集的信号满足旋转机械分析诊断的要求。

振动采集系统硬件结构图，如图 4所示。主要包括信号类型选择开关、放大电路 、抗混叠滤波 、A／D转换等环节组成。加速度、速度等信号经过放大、滤波、A／D转换等处理变换为数字信号。

丽 厂]加速度传感器 ——-．1 1／] ／] 控制信号堕 壁萼÷{或位移传感器- l键信 萼
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C I PLD卜·----嵌入式CPU图4采集系统硬件结构图Fig-4 Hardware Platform Framework ofData Acquisition System3．3通信方式底板上的Wif发射天线通过无线的方式将采集处理过的数据发送至地面接收端，这样特别适合现场环境比较恶劣的机组 ，如风电机等，将该系统板子装至机组后，1二作人员只需在地面控制室内进行操作，就可以实现对整个机组振动情况的监测。

通信方式结构图，如图5所示。

图5网络通信示意图Fig．5 Schematic Diagram of Network Communication4软件的实现和功能感知层软件平台主要包括两部分：操作系统和应用程序。操作系统为嵌入式 Linux系统，该系统以桌面linux系统为原型，经过精简内核和剪裁系统模块组成，系统功能图 ，如图 6所示。系统由Boot—loader、内核和文件系统 3部分组成。Bootloader引导装载程序完成系统硬件的初始化和系统内核的加载；内核由设备驱动、进程调度、设备控制、内存管理和网络等组成。

呈操作系统J 1}j户应川程序 ll系统调用 APIl 文件系统 lJ嚣鏖 ； 簧耩 馨蔷 容毫： 雾圈 圆 圈 圆设备驱动图6采集器软件结构Fig．6 Software Structure of Collector应用软件主要由C语言编制，Linux系统本身是用 c语言编写的 ，用 linux—aITIl—gcc编译器进行交叉编译。(下转第260页)机械设计与制造No．10Oct：201 35结论综合考虑总完工时间和订单优先权两个目标，建立了综合排序最优模型，该模型不但能够解决传统的置换流水线排序问题(w-0)；而且还可以通过调节w的大小，来解决综合考虑总完工时间和订单优先权的最优订单加工顺序。w越大说明订单优先权比较重要，模型计算出来的结果偏向于和订单优先权排序一致的加工顺序；w越小说明总完工时间比较重要 ，模型计算出来的结果偏向于总完工时间最小的加工顺序。

相对于传统的求解最小完工时间为目标的订单生产排序模型，本模型考虑了更多的因素，并将这些因素综合为订单优先权指标，因而更加符合实际的生产调度管理，对现实的生产管理活动也更具参考意义。

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(上接第 256页)5结束语基于物联网的振动监测系统适用于机组环境较为恶劣的工业场所，例如风力发电机 。系统的 Wif无线网络的传输为实时监测的操作人员提供了很多方便，提高了设备故障诊断的可靠性和设备管理的自动化水平，为设备的安全稳定运行提供了依据和保障 。

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