CN101982810B - 旋转机械多点无线应力采集方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种旋转机械多点无线应力采集方法与装置，若干无线应力传感器节点固定于旋转机械轴系等需采集应力处，与应变片连接，传感器节点与一个无线接入点组成星型网络进行数据传输，接入点通过USB接口连接工控机，网络基于IEEE 802.15.4物理层构建，采用动态时分多址媒体接入协议，其工作过程为：***初始化，根据各应力信号变化率设定采样频率、时隙大小、数目和分配方案，设定时钟同步，启动传感器节点进行应力信号采集传输，接入点将接收的数据传送至工控机，并根据各应力信号变化率调整其各自采样频率。其优点是结构简单、功耗低、抗干扰能力强，各传感器节点可有不同采样频率并可实时调整，可实现对多处应力信号的实时同步采集。

Description

旋转机械多点无线应力采集方法与装置
技术领域
本发明涉及一种无线应力采集方法与装置，特别是一种旋转机械的多点无线应力采集方法与装置，适用于对多处应力信号的实时同步采集，不同信号可有不同的采样频率，并可根据应力信号变化率调整其采样频率。
背景技术
目前，普通的旋转机械应力采集***多使用单个无线应力传感器节点，安装于轴上需采集应力处，与应变片相连，并通过无线信号将应力值传送到接收点，接收点与工控机相连。这种单点采集***难以适用于多轴、多组件复杂***中多处应力信号的同步采集；且其所使用无线频段多为低频段，易受现场环境中的电磁干扰，影响数据传输的可靠性和旋转机械应力采集的效果。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对已有技术存在的问题，提供一种可实时同步采集多处应力信号、抗干扰能力强、功耗低、稳定性强，维护方便的多点无线应力采集方法和装置。
技术方案：本发明的旋转机械多点无线应力采集方法是：将若干无线应力传感器节点固定于旋转机械轴系的需采集应力处，与应变片连接，无线应力传感器节点与一个无线接入点组成星型网络进行数据传输，接入点通过USB接口连接工控机，网络基于IEEE 802.15.4物理层协议构建，采用动态时分多址媒体接入协议，具体采集与传输工作过程为：接入点根据各应力信号变化率设定采样频率、时分多址媒体接入协议中时隙大小、数目和分配方案，设定时钟同步，启动传感器节点按照时隙分配方案进行应力信号采集与传输，接入点将接收的数据通过USB接口传送到工控机，并根据各应力信号变化率调整其各自采样频率。
动态时分多址媒体接入协议遵循如下步骤：
1)无线接入点设定各传感器节点的采样频率：根据各传感器应力信号变化率设定对应传感器采样频率，应力信号变化越快，相应采样频率越高；
2)无线接入点根据工作环境的干扰强度、数据传输量、传感器采样频率设定时隙大小，根据传感器节点数量以及传感器节点采样频率设定时隙数量及其分配方案；当所有时隙传输完毕，为一个***传输周期；设一个传输周期内，第i个传感器节点可使用ni个时隙，则
N = Σ i = 1 p n i + n 0
其中，N为所设定的时隙数量，p为传感器节点数量，n0为用于其它网络控制命令传输的时隙数，
3)无线接入点将时隙分配方案通知各传感器节点，并同时设定时钟同步，启动一个传输周期；
4)各传感器节点按时隙分配方案将采集的数据传输到接入点，完成一个***传输周期，回到步骤1)。
本发明的旋转机械多点无线应力采集装置包括若干无线应力传感器节点和一个无线接入点，无线应力传感器节点固定在旋转机械轴系上若干需采集应力信号处，无线接入点通过USB接口连接工控机，无线应力传感器节点和无线接入点均采用2.4GHz无线收发芯片，该芯片采用IEEE 802.15.4物理层协议和权利要求2中所述的动态时分多址媒体接入协议。
所述的无线应力传感器节点由应变桥路模块、信号调理电路、MCU控制器、基于IEEE 802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，应变桥路模块连接信号调理电路，MCU控制器和信号调理电路、无线收发芯片连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与信号调理电路、MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。
所述的无线接入点由MCU控制器、基于IEEE 802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、USB接口电路、时钟芯片与电源模块构成，MCU控制器与无线收发芯片和USB接口电路连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。
有益效果：本发明基于星型拓扑结构设计的动态时分多址协议，实现针对旋转机械应力信号的多点实时同步采集；无线接入点可根据所采集到的信号，自动调整传感器节点的采样频率，不同信号可有不同的采样频率，保证采样效果的同时，降低了功耗；本发明基于IEEE 802.15.4物理层协议的无线技术，采用2.4GHz无线频段，开发了无线传感器节点和无线接入点，抗干扰能力强，传输距离适中，功耗低；本发明装置结构简单，稳定性强，可靠性高，安装、维护方便，成本低，灵敏度高。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是本发明的多点无线应力采集方法流程示意图；
图3是本发明的无线应力传感器节点结构原理图；
图4是本发明的无线接入点的结构原理图。
具体实施方式
本发明的多点无线应力采集装置由若干无线应力传感器节点、一个无线接入点和工控机构成，其中传感器节点安装于旋转机械轴系上若干应力信号采集处，接入点通过USB连接工控机。无线传感器节点与无线接入点组成星型网络进行数据传输，网络基于IEEE 802.15.4物理层协议构建，采用2.4GHz无线收发芯片和动态时分多址媒体接入协议，无线传感器节点采集的应力信号最终通过无线接入点传送到工控机。
所述的无线应力传感器节点由应变桥路模块、信号调理电路、MCU控制器、基于IEEE 802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，应变桥路模块连接信号调理电路，MCU控制器与信号调理电路、无线收发芯片连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与信号调理电路、MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。
所述的无线接入点由MCU控制器、基于IEEE 802.15.4物理层的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、USB接口电路、时钟芯片与电源模块构成，MCU控制器与无线收发芯片和USB接口电路连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。
旋转机械多点无线应力采集的方法是：由传感器节点采集应力信号，传感器节点与接入点之间通过2.4GHz无线通讯通道连接，构成星型网络拓扑结构，其中接入点为主节点；传感器节点与接入点之间的数据传输遵循如下动态时分多址媒体接入协议：
1、设定各传感器节点的采样频率：根据第i个传感器应力信号变化率设定对应传感器采样频率fi，应力信号变化越快，相应采样频率越高；
2、接入点根据工作环境的干扰强度、数据传输量、传感器采样频率等设定时隙大小τ，根据传感器节点数量以及传感器节点采样频率设定时隙数量及其分配方案，即哪一个传感器节点可在哪些时隙进行数据传输。当所有时隙传输完毕，为一个***传输周期，记为T，则
T＝Nτ。
设一个传输周期T内，第i个传感器节点可使用ni个时隙，则
N = Σ i = 1 p n i + n 0 ,
其中，N为所设定的时隙数量，p为传感器节点数量，n0为用于其它网络控制命令传输的时隙数，如时钟同步等；
3、将时隙分配方案通知各传感器节点，并同时设定时钟同步，启动一个传输周期；
4、各传感器节点按时隙分配方案将采集的数据传输到接入点，完成一个***传输周期；
5、回到步骤1。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明：
图1所示，对发电机组等旋转机械多点应力采集装置的实施例方框图，它由四个无线应力传感器节点、一个无线接入点和工控机构成，无线应力传感器节点固定在旋转机械轴系上四处需采集应力信号处，与应变片相连，无线传感器节点与无线接入点组成星型网络进行数据传输，网络基于IEEE 802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片和动态时分多址媒体接入协议构建，无线接入点通过USB接口连接工控机，
附图2为多点无线应力采集方法流程，首先无线接入点设定采样频率、时隙大小、时隙数量以及分配方案；然后进行时钟同步并启动一个传输周期，传感器节点开始按照时隙分配方案采集并传输应力数据；接入点接收信息并进行预处理，判断应力变化率的改变程度，并由此重新设定采样频率；接入点接受的数据最终通过USB接口传送到工控机。
在图3中，无线应力传感器节点由应变桥路模块、信号调理电路、MCU控制器、基于IEEE 802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，应变桥路模块连接信号调理电路，MCU控制器与信号调理电路、无线收发芯片连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与信号调理电路、MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。应变桥路模块有四片应变片组成，构成全桥电路。信号调理电路由滤波放大电路和零漂调节模块构成，将应变桥路输出的电压信号转换成标准信号输入MCU控制器。MCU控制器选用MSP430F1611低功耗芯片，该芯片集成8通道12位A/D转换器、48KB的Flash、10KB的RAM。时钟芯片选择X1226，用于定时唤醒MCU控制器采集应力信息。2.4GHz无线收发芯片选择MC13213低压低功耗芯片，该芯片用于将MCU控制器采集的应力数据通过PCB天线发送到无线接入点，其通讯速率为250kbps，传输距离100m以上，该芯片提供的简单媒体接入协议便于二次开发。电源模块由锂电池与TPS65010电源管理芯片构成，为信号调理电路、MCU控制器、时钟芯片和2.4GHz无线收发芯片提供3.3V稳压电源。
在图4中，无线接入点由MCU控制器、基于IEEE 802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、USB接口电路、时钟芯片与电源模块构成，MCU控制器与无线收发芯片和USB接口电路连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。USB接口电路由协议转换芯片FT232BM与相应***电路构成，用于工控机与无线接入点的连接，以便数据存储与分析。其他部分选型与传感器节点相同。

Claims (5)

1.一种旋转机械多点无线应力采集方法，其特征在于：将若干无线应力传感器节点固定于旋转机械轴系的需采集应力处，与应变片连接，无线应力传感器节点与一个无线接入点组成星型网络进行数据传输，接入点通过USB接口连接工控机，网络基于IEEE 802.15.4物理层协议构建，采用动态时分多址媒体接入协议，具体采集与传输工作过程为：接入点根据各应力信号变化率设定采样频率、时分多址媒体接入协议中时隙大小、数目和分配方案，设定时钟同步，启动传感器节点按照时隙分配方案进行应力信号采集与传输，接入点将接收的数据通过USB接口传送到工控机，并根据各应力信号变化率调整接入点采样频率。
2.根据权利要求1所述的旋转机械多点无线应力采集方法，其特征在于：动态时分多址媒体接入协议遵循如下步骤：
1)无线接入点设定各传感器节点的采样频率：根据各传感器应力信号变化率设定对应传感器采样频率，应力信号变化越快，相应采样频率越高；
2)无线接入点根据工作环境的干扰强度、数据传输量、传感器采样频率设定时隙大小，根据传感器节点数量以及传感器节点采样频率设定时隙数量及其分配方案；当所有时隙传输完毕，为一个***传输周期；设一个传输周期内，第i个传感器节点可使用ni个时隙，则
N = Σ i = 1 p n i + n 0
其中，N为所设定的时隙数量，p为传感器节点数量，n0为用于其它网络控制命令传输的时隙数，
3)无线接入点将时隙分配方案通知各传感器节点，并同时设定时钟同步，启动一个传输周期；
4)各传感器节点按时隙分配方案将采集的数据传输到接入点，完成一个***传输周期，回到步骤1)。
3.一种旋转机械多点无线应力采集装置，其特征在于：该装置包括若干无线应力传感器节点和一个无线接入点，无线应力传感器节点固定在旋转机械轴系上若干需采集应力信号处，无线接入点通过USB接口连接工控机，无线应力传感器节点和无线接入点均采用2.4GHz无线收发芯片，该芯片采用IEEE 802.15.4物理层协议和权利要求2中所述的动态时分多址媒体接入协议。
4.根据权利要求3所述的旋转机械多点无线应力采集装置，其特征在于：所述的无线应力传感器节点由应变桥路模块、信号调理电路、MCU控制器、基于IEEE802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、时钟芯片与电源模块构成，应变桥路模块连接信号调理电路，MCU控制器和信号调理电路、无线收发芯片连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与信号调理电路、MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。
5.根据权利要求3所述的旋转机械多点无线应力采集装置，其特征在于：所述的无线接入点由MCU控制器、基于IEEE 802.15.4物理层协议的2.4GHz无线收发芯片、PCB天线、USB接口电路、时钟芯片与电源模块构成，MCU控制器与无线收发芯片和USB接口电路连接，无线收发芯片输出端与PCB天线连接，时钟芯片与MCU控制器连接，电源模块与MCU控制器、无线收发芯片和时钟芯片连接。
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