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1、上海交通大学硕士学位论文基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统姓名：秦镜申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：姜建国20080101上海交通大学硕士论文 I基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统 摘 要 基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统 摘 要 中大型电机的运行状态监测对电机安全运行具有重要意义，能够向 运行维护人员提供必要的信息，既可避免由于设备突然损坏，停止运行 带来的损失，又可充分发挥设备的作用。无线传感器网络能够实时监测、 感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，是现今学术界和工业 界的研究热点，在军事和民用领域有着非常广阔的应用前景。 本文提出电机运行状
2、态监测的新的方案，采用无线传感器网络替代 传统的有线网络对电机进行监测。首先介绍电机运行状态监测系统以及 无线传感器网络的国内外研究现状。然后提出新型的基于无线传感器网 络的电机运行状态监测系统的总体设计，包括系统设计框架、频率选择、 拓扑选择、数据链路层协议以及网络层协议等。从提高系统监测可靠性 与及时性考虑，本设计采用了 Slotted CSMA/CA 机制以及基于定向洪泛 的路由策略，在很大程度上减少了网络中的冗余信息,提高了通信速度。 随后，本文介绍了基于 ATmega128L 以及 CC2420 芯片的无线传感器网络 的传感器节点硬件的设计和实现。在硬件设计中，对电源管理模块进行 改
3、进，采用电池与交流电源两种供电方式，使其更好的适应电机运行状 态监测系统的工作环境。然后本文以 IEEE 802.15.4 标准为基础分析设 计了基于无线传感器网络的电机运行状态监测系统的节点软件，分别从 系统启动、数据采集、数据发送与接收、串口通信等方面来实现，并从 数据链路层控制机制以及网络层路由选择上对系统的效率进行优化。最 后，对本系统的实验数据进行了详细的讲解与分析，验证了系统的可行 性。 关键词：关键词：无线传感器网络，电机运行状态监测，ATmega128L，CC2420， Slotted CSMA/CA，定向洪泛 上海交通大学硕士论文 IIMOTOR STATUS MONITOR
4、ING SYSTEM BASED ON WIRELESS SENSOR NETWORK Abstract Motor status monitoring system for middle and huge motors plays an important role in motor security. It can provide essential information for maintenance engineers to avoid the loss in motor accidents. Wireless sensor network can monitor, sense, c
5、ollect and process the real-time information of monitoring area. It has become the hot point in the industry and academy research area and also gains a capacious application prospect. In this paper, a new method is developed to construct motor status monitoring system, in which the wireless sensor n
6、etwork replaces traditional wired network. Firstly, this paper introduces the recent research situations in China and abroad. Then, the overall design of motor status monitoring system based on wireless sensor network is presented, including the system framework, wireless frequency choice, topology
7、design, data link layer protocol and network layer protocol. In order to enhance the monitoring reliability and improve the system efficiency, this design adopts slotted CSMA/CA and a new network layer protocol-Directed Flooding. Later the hardware design and realization of this system is introduced
8、, which uses ATmega128L and CC2420 chips. This design improves the power administration module and provides two power supply methods-battery and 220V DC, which better fits motors working environments. Then this paper analyzes the software design of this system based on IEEE802.15.4. The software des
9、ign resolves the problems of data collection, node communication, data link control and routing policy. At last, this paper detailed explains and analyzes the experiment result of this system, which verifies the feasibility, reliability and solidity of motor status monitoring system based on wireles
10、s sensor network. 上海交通大学硕士论文 IIIKeywords: Motor appearance monitoring, wireless sensor network, ATmega128L, CC2420, slotted CSMA/CA, directed flooding绪论 上海交通大学硕士论文 - 1 - 1 绪论 绪论 1.1 电机运行状态监测系统国内外研究现状 电机运行状态监测系统国内外研究现状 1.1.1 中大型电机运行状态监测的意义 中大型电机运行状态监测的意义 设备状态监测技术是 20 世纪 60 年代后半期首先在美国出现的，最初的目的是对航天、核能以
11、及军事装备进行异常状态的早期监测。20 世纪 80 年代以来，随着传感器技术、计算机技术和通信技术的发展，设备状态监测技术逐步应用于中大型电机中。 中大型电机由于造价昂贵，结构复杂，一旦遭受损坏，需要的检修期长，因此要求有极高的运行可靠性。因此对大型机组进行在线监测与诊断，做到早期预警以防止事故的发生或扩大具有重要的现实意义。大型电机的监测与故障诊断是电工领域内一个重要的研究课题，最近几十年世界很多国家开展了在线监测和诊断技术的研究，并逐步推广应用。电机状态监测技术能够对电机目前的“健康”状况进行扫描，向运行维护人员提供必要的信息，帮助他们摆脱被动检修和不太理想的定期检修的困境，按照设备内部实
12、际的运行状况，合理地安排检修工作，实现所谓“预知”维修。这样既可避免由于设备突然损坏，停止运行带来的损失，又可充分发挥设备的作用。 1.1.2 中大型电机运行状态监测方法国内外现状研究 中大型电机运行状态监测方法国内外现状研究 为保证中大型电机的安全可靠运行，近 5 年来国内外的科研人员对其状态监测技术开展了大量的研究，针对电机运行状态的特征参数，设计了多种类型的监测方法，不断改进和完善电机运行状态监测系统的设计，并将科研成果进行推广和应用。 总体说来，电机运行状态的监测都是基于以下几种监测方法： (1)电气分析法。当电机的定子或者转子发生故障时，电机内部的磁通在径向和绪论 上海交通大学硕士论
13、文 - 2 - 圆周方向都会发生变化，同时这些内部电势和磁场的变化也会引起电机出现端电压和电流的变化。因此，电气分析法就是通过测量这些外部可以检测到的物理量来显示电机状态的变化。电气分析法包括定子放电监测、定/转子电流监测、轴电压、轴电流、轴磁通等。 (2)化学监测法。电机中所使用的绝缘材料和润滑油都存在受热和电作用以后劣化的问题。劣化会产生大量气态、液态和固态的化学物质。化学检测法就是在分析这些分解物中的某些成分浓度来判定电机目前的运行状态，如烟雾监测、微粒监测、气相色谱与质谱分析、碎屑颗粒检测等。 (3)温度监测法。电机的绝缘所能承受的最高温度通常决定电机的额定容量，因此监测电机局部的温度
14、、或者测量电机内部的平均温升都能够很好的反应电机是否出现故障。温度测量的主要方法有测量电机内部某些部位的局部温度、寻找并监测电机内部最热点的温度、测量电机内部温度分布或冷却介质按体积计算的平均温升等。 (4)振动监测法。电机系统可以在一个固定的频率上自由振动，也可能以多种频率强迫振动。振动监测法通过对电机振源的研究，分析和发现电机的机械故障。电机振动所研究的主要方面包括定子铁芯对转子与定子间作用力的响应、定子端部绕组对作用在绕组导体上电磁力的响应、转子动力学特征、轴承振动的特性等。 近 5 年内，国内外电机运行状态监测方法的研究在以上方法的基础上有了较为显著的发展，无论是监测效果，还是监测手段
15、，都有很大的进步。目前比较流行和成熟的电机运行状态监测方法有： (1) 电气参数监测技术。包括测量电机的局部放电参数1 2，分析电机在动、静态状况下的电压、电流3，分析电机的感应磁场波形频率和幅度变化等监测方法4。 (2) 温度参数监测技术。如根据定子电阻直接反应定子绕组温度的监测方法5，监测转子发热时所辐射的红外线来测定温度的方法6，间歇式等效直流灌注法7等。 (3) 机械特性监测技术。包括对电机的振动特性和磨损情况的研究，如通过弹性转轴和电机轴的转速波动研究扭振的动特性8，采用低级音频函数记录电机噪声9以及通过电机轴承的磨损程度来监测电机状态10等。 绪论 上海交通大学硕士论文 - 3 - 1.1.3 中大型电机运行状态监测系统设计国内外研究现状 中大型电机运行状态监测系统设计国内外研究现状 经过国内外专家学者的探索和研究，电机运行状态监测系统功能日趋完善、可靠性及稳定性得到广泛提高。 目前国内外专家学者对电机运行状态监测系统的研究与发展主要从监测系统的硬件设计、监测系统框架设计以及通信网络设计两方面进行改进与提高。在监测系统的硬件设计中，主要采用具有嵌入式系统的 ARM 芯片11以及 PLC（可编程控制器）控制系统12来设
