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1、摘 要无线传感网络是随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展而产生的。以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革，无线传感器网络就是由部署在监测区域内的大量廉价的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络具有众多类型的传感器，可以探测包括地震、电磁、温度、湿度、光强度、压力、加速度等等一系列的现象。丰富的功能为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。本文所使用的是美国克尔斯博公司生产的无线振动套件，其附带的加速计可以测量最高10G的加速度。已经成功应用于对高压输电线路、船舶动力舱、机械转轴上的滚珠轴承的振动监测。本文所做
2、的工作是在TinyOS下使用nesC语言进行应用程序开发，搭建起一个具有基本功能的基于无线传感器网络的振动监测系统。我们将一个三轴加速计、一块模数转换器板和一个XM2110无线电板连在一起形成一个基本的数据采集节点，使用MIB520板作为网关节点。由此搭建起一个无线传感器网络并实现了基本的振动数据采集功能。同时使用克尔斯博公司的XServe软件对数据进行收集、分析和转发。实验结果验证了基于无线传感器网络的振动监测系统进行现实应用的可行性和它的良好性能。向我们揭示了无线传感器网络美好的发展前景。关键词：无线传感器网络，信息感知，微操作系统，振动监测AbstractWireless sensor
3、network (WSN)was born with the fast development of MEMS、System on Chip、wireless communication and low-power embedded technology. Its low-power, low cost, the characteristics of distributed and self-organization has brought a revolution in information perception. Wireless sensor network is deployed i
4、n the monitoring area by a large number of low-cost micro-sensor nodes, forming a multi-hop ad-hoc networks through wireless communication.Wireless sensor networks have many kinds of sensors that can detect a series of phenomena including seismic, electromagnetic, temperature, humidity, light intens
5、ity, pressure, acceleration and so on. The rich functionality has brought the WSN a bright future. This article uses the vibration tool kit made by Crossbow technology from the U.S.A. its accelerator can measure at most 10G of acceleration,and was successfully deployed in the monitoring of high-volt
6、age transmission lines, ship engine compartment, and ball bearings on the machinery shaft.What we do was to develop applications with nesC language in TinyOS and built a vibration monitoring system with basic functions based on WSN. We have put a triaxial accelerometer, a ADC board and a XM2110 radi
7、o board together to form a basic data collector mote, and used a MIB520 board as gateway. With them we built a WSN and chieved the basic function of the vibration data collection. Then we use Xserve to gother, analysis and transmit data.Experimental results demonstrate the feasibility of practical a
8、pplications of the WSN based vibration monitoring system, and show the Bright prospects of wireless sensor networks.Keywords：wireless sensor network, information perception, TinyOS, vibration monitoring目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 选题意义11.2 技术背景21.3 本文工作22 系统设计42.1 需求分析42.2 硬件结构52.3 软件结构82.4 功能流程1
9、63 关键技术173.1 振动数据采集173.2 XMesh网络协议193.3 数据处理223.4 数据格式转换234 测试255 结论27致谢28参考文献291 绪论1.1 选题意义当代社会的工业生产中，设备的机械化，自动化，信息化，智能化程度都日新月异的发展和进步着。设备规模越来越大，结构越来越复杂，功能越来越多，性能越来越高；这极大地提高了生产效率，改变了人们的生活方式。同时这些设备一旦产生故障也将造成重大的经济损失，有时还会带来人员伤亡和严重的环境污染。传统的维护方式是出了故障再修理或者定期检修，但是现代工业体系中的设备往往具备大型化，连续化，高速化，自动化的特性1。一旦产生故障就会使
10、整条生产线停顿，甚至对生产设备造成严重损伤，由此带来的经济损失将是不可承受的。而传统的定期检测需要大量技术娴熟经验丰富的技术员，但是此种方式往往带来检修过剩及生产线的不必要停顿。这将给企业带来额外的损失和经济负担，同时此种方法并不能及时发现机械故障。因此基于传感器的即时监测技术应运而生，这种系统可以随时监测系统运行状态。出现故障前兆立刻报警，大大减少了不必要的检修并提供有效的故障预测信息，使得预测性维护成为可能。然而早期的在线监测系统非常昂贵，需要铺设大量的线路和专业的操作人员。而这些对于中小型企业和对故障检测及时性要求不是那么高的系统来说性能过剩，同时其昂贵的成本将许多用户挡在门外。随着电子
11、信息产业和硬件制造技术的发展基于无线传感器网络的振动监测系统成为了可能。基于无线传感器网络的监测系统不需要铺设大量的线路，因此可以以较低的成本组建起一个监测网络，同时在性能与成本之间达到一个均衡。振动监测对于许多现代工业设备有重要意义，各种设备中的电机及轴承在正常运转时拥有稳定的振动周期。当轴承出现磨损时便会在其振动信号中表现出异常，通过对采集到的振动信号进行时域及频域分析可以建立对应的故障信号数据库。可以在磨损出现时快速鉴别分析是何种故障，为预测性维护提供了可靠的信息。同时无线传感器节点可以在严酷的环境内长时间稳定工作，此项技术已经应用于发电机组，船舶动力舱，生产线上的机械设备以及对建筑的振
12、动监测。同时通过精心设计的电源管理协议，基站端定时唤醒节点进行数据采集。采集完成后立刻睡眠，使得节点上的5号电池可以在高能耗电源模式下维持数月，在低能耗模式下维持1-2年。解决了无线传感器的电力供给问题，不必频繁的更换电池。综上所述，基于无线传感器网络的振动监测系统有着广阔的应用场景，而随着半导体加工技术的飞速进步及处理器速度的提升。无线传感器网络的节点处理能力将会随之提高，无线传感器网络将具有更高的性能和智能化处理能力。1.2 技术背景本文所用的硬件平台是美国Crossbow公司开发的无线振动监测套件，此套件可以应用于建筑物和机床的健康监测，用智能的无线技术代替传统的人工检查，监测数据可以传
13、输到服务器、终端PC或者手持设备PDA，实现传统排查不可及的实时监控。CXL10GP3加速度传感器通过套件中的MDA320数据采集板连接到Crossbow的无线传感器网络平台上，实现了低功耗、多跳的无线传输监测数据。此套系统之前已有过成功的应用案例在英国BP石油公司的一艘运行在北海的万吨运油船Loch Rannoch。此项BP 的计划是建立一套预测维护系统用来监视如马达、泵之类具有强烈振动的机器。这些机器被放置于Loch Ronnach 油船的引擎室内。通过振动信息来监测系统的工作状态，当磨损或撕裂现象出现时则通过无线通信发送警告。相似的例子还有发电站的机房及高压输电线路。由于无线传感器的良好
14、性能，节点都可以部署在苛刻的环境中。例如高空高压电网和船舶动力舱室，节点能够长期高效采集有效数据，从而免去人工检查的繁琐工程和维护次数，并且减少有线监控的高额成本。BP公司的项目最终验证了这套系统的现实可行性2。在为期数月的实验期间，振动监测系统在船舶动力室27-38的高温及来自动力机组的强烈振动中忠实的完成了其所被赋予的任务。国家电力建设研究所目前已将克尔斯博公司的无线传感器网络产品用于监测大跨距输电线路的应力、温度和振动等参数。每个传感器节点部署在高压输电线上，而网关固定在高压输电塔上。此项目克服了超高压大电流环境中无线监测装置的电磁屏蔽、工频干扰、电晕干扰、无线监测装置的长期供电等技术难
15、题；解决了导地线微风振动传感技术、无线数据传输、多参数信息监测与集成等关键技术问题。验证了基于无线传感器的振动监测网络在实际工业环境中部署的可能性，及其广阔的市场前景。1.3 本文工作本文使用无线振动监测套件中的基本组成部分来完成监测网络的组网，数据采集，数据传送及数据显示。实验中需要用到基本硬件颗粒：IRISCrossbow 2007年推出的一款增强版无线传感器网络节点，相对于原有的MicaZ节点，该节点可达到更远的通信距离（300500米，三倍于MicaZ节点），同时仅消耗原有功耗的一半。采用此款Mote可以降低Mesh网络多跳造成的延迟,增强网络的稳定性与可靠性，在相同节点数目的条件下可以覆盖更大的监测范围。MDA320Crossbow推出的MDA320是一款16位的ADC数据采集板，提供8通道16/12位ADC采样，同时提供标准的5v，2.5v基准电压输出。可以非常方便的与加速度计连接。16位的采样精度可以保证数据采集的精确度。CXL10GP3Crossbow公司出产的CXL10GP3加速度传感器是一款测量范围为10g的3轴加速度传感器，前置的100HZ低通滤波器可以有效滤除干扰噪声。内置的信号调理电路可以保证输出信号的可信性。其功耗低至5mA每轴非常适合集成进低功耗无线传感器网络，进行长期建筑健康程度监测3。其中我编写的采集程序将运行在MDA320及网关主板
