一种用于振动监测的无线加速度传感器的制作方法

专利名称：一种用于振动监测的无线加速度传感器的制作方法
一种用于振动监测的无线加速度传感器
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，具体地说，是一种用于振动监测的无线加速度传感器。
背景技术：
在当今竞争日益激烈的市场上，企业面临提高工艺环节效率，遵守环保法规和满足自身经济利益的挑战日趋严峻。考虑到许多工业系统日益老化，以及工业市场的动态变化，亟需智能化、低成本的工业自动化系统来提高这些系统的效率和生产力。传统的工业自动化系统依靠电缆连接来实现。然而，有线自动化系统需要安装昂贵的通信线路，并需要定期维护。因而，有线自动化系统并未在工业上得到广泛的应用。所以，迫切需要一种低成本的无线自动化系统，它可以通过优化工厂系统的管理，进而达到显著降低开支和减少空气污染物排放的目的。随着现阶段无线传感器技术上的进步，低成本嵌入式的工业无线自动化系统的实现已经成为了可能。在这些系统中，微小的无线传感器安装在工业设备之上，结合对诸如振动、温度、压力和电源质量等参数的综合检测，来监控对于每台设备的效率都至关重要的参数。之后，这些参数将通过无线的方式传送到中心节点，以便分析各个传感器的数据。它作为一种预警系统，将任何潜在的问题都通知到工厂员工。这就允许相关人员在设备效率降低或彻底失效之前维修或更换设备。用这种方式，就可以避免灾难性的设备失效及相关的修理和替换费用，同时也适应了严格的环境法规。本发明是一种无线加速度传感器原理与装置。它集合了传感器技术、射频技术、网络技术和工业应用技术，具有自组织，快速布置，灵活和内在的智能处理能力。考虑到这些，本发明将在制造高可靠和具有自我恢复能力的工业监测系统上扮演重要角色。

发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于振动监测的无线加速度传感器；其具有灵活、低功耗、嵌入数据处理能力等特点。同时，它又和用于工业振动监测的有线式加速度传感器具有相同的高频响、高精度等特点。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的—种用于振动监测的无线加速度传感器，由硬件和软件两部分构成；其通知在于，硬件包含控制电路板、无线加速度传感器壳体、压电式加速度传感器、强力磁座、锂电池组和天线。软件的编制采用分层设计，分为网络层、媒体访问控制层和物理层。所述的控制电路板位于无线加速度传感器壳体的隔板、连接筒和底座构成的空腔内。锂电池组位于传感器壳体端盖和隔板构成的空腔内。端盖与隔板采用螺纹连接。锂电池组通过隔板上的过孔给控制电路供电。隔板与连接筒采用过盈配合连接在一起，待组装完毕后再焊接到一起。天线通过螺母固定在连接筒上，并与控制电路相连。连接筒与底座 通过过盈配合连接，装配完毕后再焊接。底座与压电式加速度传感器通过的螺纹连接，装配完毕后再焊接。压电式加速度传感器2与强力磁座3通过螺纹连接。详细连接参见附图I。所述的控制电路板完成模拟加速度信号的模数转换，预处理数字加速度信息，并将处理结果通过射频电路转发给后续接收装置。控制电路由供电电路、微控制器工作电路和射频电路组成。供电电路将外部锂电池组供给的6v电源通过二极管送入稳压芯片。稳压芯片将6v电平转换到3. 3v,以保证微控制器稳定工作。为保证后续电路正常工作，供电电路中加入了具有滤波和蓄能功能的电容。微控制器工作电路用于保证控制器自身的正常工作，包括保证控制器供电稳定的电容、外部晶振电路以及外部复位电路。控制器的外部晶振电路为控制器提供稳定的时钟信号。复位电路将控制器的复位控制电平钳制在高电平，维持控制器的正常工作。射频电路用于将控制器输入的信号转换成射频信号输出。所述的无线加速度传感器壳体由4个零件组成，分别为端盖4、隔板5、连接筒6和底座7，材料均为不锈钢。端盖与隔板采用螺纹连接，形成的空腔用于放置锂电池组，这样的连接设计方便了锂电池组的更换。螺纹连接处采用螺纹胶密封加固，起到对电池组的防水、防尘保护作用。另外，空腔的体积参照锂电池组的体积设计，配以辅助夹紧部件后，电池组 在空腔内的移动被严格限制，避免了长期振动对电池组的影响。隔板上设计有一个4mm直径通孔，供电池组引线通过给控制电路板供电。同时，隔板上还有3个2_直径的通孔，螺钉穿过此孔将控制电路板和隔板固定起来。隔板、连接筒和底座构成的密封空腔用于安装控制电路板。隔板与连接筒通过过盈配合初步连接后再焊接到一起。连接筒上有一个7_直径的通孔，供安装天线I插座。连接筒与底座也通过过盈配合初步连接后再焊接到一起。底座与传感器2通过螺纹连接，连接时采用螺纹密封胶进行密封和加固。为了保证连接可靠，底座与传感器在螺纹连接后，在结合面采用焊接加固。组装完毕后，隔板上的过线孔、安装孔和连接筒上的天线插座孔都采用硅胶密封，保护控制电路板，起到防水、防尘的作用。按照这套设计方案加工制成的壳体尽可能降低了附加质量对传感器灵敏度的影响。所述的压电式加速度传感器、锂电池组、天线和强力磁座均为成熟产品。其中压电式加速度传感器是振动信号的感知元件，可以根据不同的应用场合更换合适量程和精度的加速度传感器。所述的软件系统分为网络层、媒体访问控制层和物理层。网络层管理传感器节点与中心节点间的通信，维护整个网络的正常运转。媒体访问控制层是网络层与物理层之间的通信媒介。物理层对传感器节点中的基础模块做了初始化配置。程序开始运行后，首先调用物理层应用函数对基础模块进行初始化设置，然后进入监听模式。监听模式下无线加速度传感器收到正确的上位机指令后，将进入正常工作模式，之后调用媒体访问控制层应用函数处理收到的信息，最后调用网络层应用函数处理与上位机及其他节点的通信。参见附图2。所述软件系统中的网络层的功能是管理传感器节点与中心节点间的通信，维护整个网络的正常运转。网络层能够识别中心节点的通信格式，根据收到的来自中心节点的不同命令控制无线加速度传感器节点做出相应的反应。中心节点的命令包括唤醒、通信和握手。在收到唤醒指令时，网络层控制传感器节点由监听状态转入工作状态，并等待中心节点的后续指令。在一定时间的延时之后，如果无线加速度传感器节点未收到后续命令或后续命令出错，网络层将控制无线加速度传感器再次进入监听状态。如果在规定时间内，传感器节点收到了通信指令，网络层将控制无线加速度传感器节点进入相应的数据采集与处理机制。如果规定时间内收到了握手指令，网络层将控制无线加速度传感器节点返回自己的传感器编号。所述软件系统中的媒体访问控制层是网络层与物理层之间的通信媒介。媒体访问控制层中定义了访问压电式加速度传感器和射频模块的应用函数。访问加速度传感器的应用函数定义了加速度信息采集、采样点数和应急处理机制。访问射频模块的应用函数定义了无线通信的格式，校验方式和相应的处理机制。媒体访问控制层中还定义了加速度数据的处理函数，对模数转换所得的原始数据做滤波和校验，提高了数据准确性，降低了数据传输量和功耗。
所述软件系统中的物理层对无线加速度传感器节点中的基础模块做了初始化配置。系统内核应用函数定义了系统时钟、内核电压、端口匹配等参数。模数转换模块应用函数定义了基准电压、采样频率、采样端口和采样完毕中断处理机制等。射频模块应用函数定义了无线通信带宽、射频频率、信号输出功率、调制解调方式、通信校验等参数。软件系统初始化的主要工作就是完成物理层的参数初始化，此后无线加速度传感器节点的各功能模块便能正常工作。与现有技术相比，本发明的积极效果是上述的无线加速度传感器壳体设计方案具有结构轻巧、组装方便的特点，易于实现批量化生产和大范围布点。采用上述的软件系统设计，可以大大降低传感器的功耗，提高传感器的使用寿命。

图I为无线加速度传感器硬件系统示意图；图2为无线加速度传感器软件系统构成示意图；附图中的标记为I天线，2传感器，3强力磁座，4端盖，5隔板，6连接筒，7底座。
具体实施方式
以下提供本发明一种用于振动监测的无线加速度传感器的具体实施方式
。实施例I这型无线加速度传感器是为了满足工业机泵群和相关行业设备振动监测的需求来开发的。工业机泵群振动监测相对于室内环境监测、土木工程监测、农业监测等具有数据量更大，数据实时性和准确性要求更高，功耗更大等特点。受制于工业现场的安装条件和各种危险工况，无线传感器只能采用能量有限的电池供电，从而限制了传感器的功耗等级和运算能力，给设计带来了很大挑战。本发明将从以下几个具体的实施方式上解决上述问题。首先是无线加速度传感器软件系统的设计。采用层次化设计的软件系统是降低传感器功耗的主要措施。由于能量的限制，工业机泵群监测系统大部分时间都处在休眠或监听的状态，这一比例常常占工作周期的99%以上，甚至有些系统每天只采集I 2次，每次采集数秒钟。考虑以上因素，软件系统将无线加速度传感器的工作状态分为两种监听状态和工作状态。监听状态下，传感器每隔10秒钟便打开射频模块的接收功能，监听中心节点传来的命令。这段时间内如果收到了中心节点发来的正确指令，则系统进入相应的处理机制，如果期间未收到指令或收到的指令错误，则系统进入下一个监听周期。期间10秒钟为睡眠时间，此时压电式加速度传感器处于失电状态，微控制器和射频模块也都处在睡眠模式下，仅靠微控制器内部的一个低功耗时钟维持一个10秒的计时机制，以便10秒计时过后唤醒系统，重新监听中心节点的来信。10秒睡眠期内，整个系统的电流降至0. 5mA，功耗为
I.65毫瓦。8毫秒监听期内，整个系统的电流消耗为30mA，功耗为99毫瓦。那么整个监听周期内的平均功耗仅为I. 73毫瓦。以一节0.5Ah的锂电池为例，可以使这型无线加速度传感器在监听状态下工作40天。如果在监听时间内，接收到了中心节点的正确指令，则无线加速度传感器进入工作状态。如果接收到的是采集加速度数据的指令，则微控制器使压电式加速度传感器得电，并延时一定时间，以保证传感器供电稳定。延时过后程序在预设的采集数量或采集时间的限制下进入模数转换机制，转换完毕的数据再经过后续程序的判错和滤波处理，最终储存到微控制器中。在收到中心节点的续传指令后，传感器节点将大量数据分批传送给中心节点，完毕后便再次进入监听模式。由工作模式进入监听模式时，压电式加速度传感器将再次失电，微控制器和射频模块也将进入睡眠模式。整个数据采集与传送工作周期持续约7秒，平均功耗为66毫瓦。考虑到每天I 2次的采集频率，这样的功耗是可以接受的。如果接收到的是握手指令，无线加速度传感器将返回自己的编号。这条指令是为了方便中心节点维护传感器网络，及时发现失效传感器节点。整个握手处理周期持续 约10毫秒，平均功耗为99毫瓦。考虑到中心节点每天I 2的握手频率，这样的能耗也是可以接受的。握手处理周期内，压电式加速度传感器处于失电状态。握手处理周期接收后，系统将再次进入监听状态。其次是控制电路板的设计。无线加速度传感器选用微处理器与射频芯片集成的芯片作为控制器。此型芯片具有优异的低功耗性能，且内部嵌入射频芯片，从而节省了接口资源和有限的板上空间。通过比对，如果采用微控制器和射频芯片分立的设计方案，控制板的面积将比现在高出约10%。控制电路板的供电部分采用一级稳压芯片，将锂电池组提供的6v电源降低到3. 3v供给微控制器。无线加速度传感器的射频模块由睡眠模式进入监听或发射状态时需要30mA左右的电流供应，而睡眠模式下的总电流消耗为0. 5mA。瞬间的电流突变会造成供电电路不稳，输出电压下降，严重时甚至会导致微控制器发生低电平复位。为了解决这一问题，对控制器供电电路中的电容进行了合理配置，经过计算和试验验证，在发生电流突变的情况下，它们能够起到很好的电流补偿作用，供电电压的衰减也被控制在合理范围内。射频电路部分严格参照设计规范，并在此基础上，依据严格的射频电路匹配分析结果对射频电路参数做了细调，得到了一个优化的射频电路参数，降低了射频电路上不必要的能量消耗。由于节能的需要，无线加速度传感器大部分时间工作在监听模式下，此时的压电式加速度传感器无需供电。压电式加速度传感器的由微控制器的输出端口供电，在监听模式下，微控制器使压电式加速度传感器的供电端口输出低电平，传感器失电，从而达到节能的目的。再次，工业机泵群振动监测对无线加速度传感器的通信质量提出了很高的要求。考虑到工业用电机或泵的转速一般在3000 5000r/min，在保证采样精度和尽量降低软件系统资源消耗的前提下，设定了微控制器内的模数转换率为0. 8ksps，能够满足一般应用场合下的振动监测需求。同时考虑到模数转换的精度为14位，每秒钟将产生I. 6kB的数据量。本发明中采用轮询分批的方式传送数据，并且在中心节点处设有错误重发机制保证加速度数据准确无误的传输。当中心节点需要对一个或多个传感器节点进行数据采集时，便将一个或多个传感器节点的编号嵌入发送数据包中发送。处于监听状态的这些传感器收到指令后便进入数据采集的工作周期，数据采集并处理完毕后，传感器节点便等待一段时间。这段时间内，中心节点将轮询各传感器节点。收到轮询指令的传感器节点会把处理好的数据分批传送给中心节点，处于接受状态的中心节点会依次判断接收数据的校验位，以保证所收数据的正确性。如果由于干扰等原因造成中心节点未能收到正确的数据，中心节点将触发相应传感器节点的重发机制，续传后续数据。待一个传感器节点数据传送完毕后，中心节点将依次触发其他传感器节点上传数据。这样的通讯机制就能够保证加速度数据传输的可靠性。最后，无线加速度传感器通过了严格的电磁干扰测试，能够保证在复杂电磁环境下的正常工作。软件系统内部还嵌入了看门狗程序，防止软件在意外情况下出现死机等现象，进一步提高了系统的鲁棒性。另外，压电式加速度传感器底部有螺纹孔。因此，可以使用强力磁座将无线加速度传感器吸着在机泵的测点处，并可辅以螺纹连接、胶水粘接或焊接等方式，从而保证连接可靠。这种依靠强力磁座安装的方式尤其适用于临时性安装测量的场合。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种用于振动监测的无线加速度传感器，由硬件和软件两部分构成；其特征在干，硬件包含控制电路板、无线加速度传感器壳体、压电式加速度传感器、强カ磁座、锂电池组和天线；软件的编制采用分层设计，分为网络层、媒体访问控制层和物理层。
2.如权利要求I所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，在所述的硬件中，所述的控制电路板位于无线加速度传感器壳体的隔板、连接筒和底座构成的空腔内；锂电池组位于传感器壳体端盖和隔板构成的空腔内；端盖与隔板采用螺纹连接；隔板与连接筒采用过盈配合连接在一起，待组装完毕后再焊接到一起；天线通过螺母固定在连接筒上，并与控制电路相连；连接筒与底座通过过盈配合连接，装配完毕后再焊接；底座与压电式加速度传感器通过的螺纹连接，装配完毕后再焊接；压电式加速度传感器与強力磁座通过螺纹连接。
3.如权利要求I所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，在所述的硬件中，所述的控制电路板完成模拟加速度信号的模数转换，预处理数字加速度信息，并将处理结果通过射频电路转发给后续接收装置；控制电路由供电电路、工作电路和射频电路组成。
4.如权利要求I所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，在所述的硬件中，所述的无线加速度传感器壳体由4个零件组成，分别为端盖、隔板、连接筒和底座，材料均为不锈钢；端盖与隔板采用螺纹连接，形成的空腔用于放置锂电池组，螺纹连接处采用螺纹胶密封加固；隔板、连接筒和底座构成的密封空腔用于安装控制电路板。
5.如权利要求4所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，所述的隔板上设计有ー个4mm直径通孔，供电池组引线通过给控制电路板供电；隔板上还有三个2mm直径的通孔，螺钉穿过此孔将控制电路板和隔板固定起来。
6.如权利要求I所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，在所述的软件中，网络层管理传感器节点与中心节点间的通信，维护整个网络的正常运转；媒体访问控制层是网络层与物理层之间的通信媒介；物理层对传感器节点中的基础模块做了初始化配置；程序开始运行后，首先调用物理层应用函数对基础模块进行初始化设置，然后进入监听模式；监听模式下无线加速度传感器收到正确的上位机指令后，将进入正常工作模式，之后调用媒体访问控制层应用函数处理收到的信息，最后调用网络层应用函数处理与上位机及其他节点的通信。
7.如权利要求I所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，在所述的软件中，所述软件系统中的网络层是管理传感器节点与中心节点间的通信，维护整个网络的正常运转；网络层能够识别中心节点的通信格式，根据收到的来自中心节点的不同命令控制无线加速度传感器节点做出相应的反应；中心节点的命令包括唤醒、通信和握手；在收到唤醒指令吋，网络层控制无线加速度传感器节点由监听状态转入工作状态，并等待中心节点的后续指令；在一定时间的延时之后，如果无线加速度传感器节点未收到后续命令或后续命令出错，网络层将控制无线加速度传感器再次进入监听状态；如果在规定时间内，无线加速度传感器节点收到了通信指令，网络层将控制无线加速度传感器节点进入相应的数据采集与处理机制；如果规定时间内收到了握手指令，网络层将控制无线加速度传感器节点返回自己的传感器编号。
8.如权利要求I所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，在所述的软件中，所述软件系统中的媒体访问控制层是网络层与物理层之间的通信媒介；媒体访问控制层中定义了访问压电式加速度传感器和射频模块的应用函数；访问无线加速度传感器的应用函数定义了加速度信息采集、采样点数和应急处理机制；访问射频模块的应用函数定义了无线通信的格式，校验方式和相应的处理机制；媒体访问控制层中还定义了加速度数据的处理函数，对模数转换所得的原始数据做滤波和校验。
9.如权利要求I所述的ー种用于振动监测的无线加速度传感器，其特征在于，在所述的软件中，所述软件系统中的物理层对无线加速度传感器节点中的基础模块做了初始化配置；系统内核应用函数定义了系统时钟、内核电压、端ロ匹配參数；模数转换模块应用函数定义了基准电压、采样频率、采样端口和采样完毕中断处理机制；射频模块应用函数定义了无线通信带宽、射频频率、信号输出功率、调制解调方式、通信校验參数；软件系统初始化的主要工作就是完成物理层的參数初始化，此后传感器节点的各功能模块便能正常工作。
全文摘要
本发明涉及一种用于振动监测的无线加速度传感器，由硬件和软件两部分构成；其特征在于，硬件包含控制电路板、传感器壳体、压电式加速度传感器、强力磁座、锂电池组和天线；软件的编制采用分层设计，分为网络层、媒体访问控制层和物理层。本发明的设计方案具有结构轻巧、组装方便的特点，易于实现批量化生产和大范围布点。采用上述的软件系统设计，可以大大降低传感器的功耗，提高传感器的使用寿命。
文档编号G01P15/09GK102662081SQ20121009043
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者姚海庆, 曹恒, 李斌, 王春, 秦颖颀, 陈诚 申请人:华东理工大学