面向机械振动监测的无线传感器网络节点设计

摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量节点组成，这些节点通过无线通信的方式形成自组织监控网络系统，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并通过嵌入式系统对信息进行处理，最后通过自组织无线通信网络传送到用户终端，从而对物联网技术起支撑作用。无线传感器网络在军事、环境监测、医疗、智能交通和智能家居等领域已经有非常广泛的应用，由于在机械振动监测领域面临机械振动信号高速拾取、高精度同步采集、可靠数据存储与传输、片上处理能力、能量供应以及缺少一套适合于机械设备状态监测的系统的问题，使得其应用受阻，一旦这些问题得到解决，无线传感器网络在机械振动监测领域将有非常大的应用潜力。本文围绕上述问题展开研究，主要工作如下。
　　论文设计了双处理器架构的节点硬件设计方案，采用Cortex M3内核的32位ARM处理器的STM32和低功耗无线射频芯片CC2430为核心，搭配16bit分辨率的ADC采集芯片和MEMS加速度传感器，实现了机械振动信号的高速高精度采集；集成大容量的Micro SD作为数据存储设备，采用先存储后传输的方案，从而解决了高速数据存储的问题；选用大容量锂电池，设计了混合式供电系统，满足节点对电源质量的要求，并对各用电模块采用动态电源管理的方式，有效的降低了节点的运行功耗。
　　在上述硬件平台上，节点软件移植了嵌入式实时操作系统，有效的对节点任务合理调度和管理，降低了模块之间的耦合性，提高了程序的移植性和开发速度；移植了文件系统，数据以文件的格式保存在SD卡上，更方便实行采集数据的检索和管理；另外，设计了机械设备振动信号片上处理软件，有效的减少了数据传输通信量。
　　基于上述设计的无线传感器网络机械状态监测节点的软硬件平台，结合课题组其他成员设计的无线传感器网络协议和上位机监测软件，实现了多节点的自组网与数据传输，形成了一个完整的无线传感器网络机械设备状态监测系统，并对监测系统进行了实验和应用。
　　文章的最后对于本文的工作进行了总结和展望，希望随着工作的进一步深入，使得无线传感器网络机械振动监测系统更加的完善与可靠，能够成熟地应用于机械设备状态监测领域。

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1 绪 论

1.1 课题与背景意义

1.2 机械设备无线传感器网络监测技术概况

1.3 无线传感器网络振动监测系统方案

1.4 论文主要研究内容与方法

2 机械振动监测无线传感器网络节点硬件设计

2.1 监测系统节点硬件平台

2.2 处理器模块设计

2.3 无线射频模块设计

2.4 传感器与信号调理模块设计

2.5 数据采集模块设计

2.6 数据存储单元设计

2.7 供电模块设计

2.8 本章小结

3 机械振动监测无线传感器节点软件设计

3.1 节点软件设计整体架构

3.2 节点嵌入式操作系统移植

3.3 节点数据采集模块驱动程序

3.4 节点高速数据存储系统

3.5 机械振动信号片上处理程序设计

3.6 本章小结

4 无线传感器网络机械振动监测节点的应用

4.1 无线传感器网络机械振动监测系统

4.2 节点采集精度验证实验

4.3 实验与应用测试

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 本课题的研究内容及创新之处

5.2 对未来工作的展望

致谢

参考文献

附录