[发明专利]基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器技术领域，特别是涉及到高速齿轮箱振动监测系统，具体是一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统。

背景技术

齿轮箱作为大型回转机械必不可少的部分，它的工况对整个设备的运行起着至关重要的作用。由于齿轮箱设备结构复杂，工况特殊，导致存在极高的故障率，所以对齿轮箱进行监测显得极为重要。齿轮箱在工作时往往伴随着振动的产生，发生故障时会引起振动的异常增大，振动信号的能量分布发生变化，因此常利用振动分析法来诊断齿轮箱的故障。针对齿轮箱的运行特性，传统的有线监测系统主要对齿轮箱的振动特性进行监测，尤其是对加速度的监测。但是有线监测网络的缺点客观存在：布线复杂、可靠性差、成本高以及缺少灵活性等问题。

目前无线传感器网络正广泛应用于农业、医学、桥梁、家居、机械等领域，但是齿轮箱不同于普通机械设备，它高速、大功率的特点给监测带来了很大的麻烦。主要有以下几点：①高速齿轮箱在监测中会产生大量数据，由于无线传输速率较低，如何保证数据能够完整的传输。②节点运行过程中的主要能耗在数据传输部分，高频采样会快速消耗节点能源使节点失效。针对此问题，该如何选择合适的无线通讯方式以保证系统的稳定性和低功耗特性。③无线传感器节点普遍采用电池供电，电池寿命有限，不断更换电池会给环境造成污染。但如果采用可充电电池供电的话，电池的充电方式该如何选择，或者能否有其他能源替代电池供电。

在无线传感器网络中，由于节点存储容量与节点能量等资源受限的特征，如何降低采集的数据量，从而从根本上减少各个节点能量的消耗，本发明提出压缩感知技术。

压缩感知是利用数据之间的相关性，极大地较少了网络中数据的传输和存储。针对片上系统(SoC)开发周期较长和现场可编程门阵列(FPGA)可重用的特点，本发明采用高速、低功耗SoC FPGA系统作为处理器，此系统不仅可以编程还有丰富的外设。

目前市面上没有一款无线传感器节点满足高速齿轮箱振动监测要求。因此，亟需一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，该系统针对有线监测网络带来的问题，本发明的基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统是一种分布式、可编程的无线传感器网络节点系统，具有功耗低、成本低、实时性好、灵活性好、环境适应性强、节能等特点，可以有效的解决传统有线监测网络的缺点。

为实现上述目的本发明的技术方案为：

一种基于高速齿轮箱的无线传感器节点系统，包括传感与信号采集模块、抗混叠电路、A/D采集模块、SoC FPGA系统模块、数据处理模块、SD存储器、ZigBee无线射频模块、GPRS无线通信模块、锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块，所述传感与信号采集模块连接抗混叠电路，抗混叠电路通过A/D采集模块与数据处理模块连接，数据处理模块连接SoC FPGA系统模块，SD存储器连接数据处理模块和ZigBee无线射频模块，ZigBee无线射频模块通过ZigBee无线路由网络和ZigBee协调器连接GPRS无线通信模块，GPRS无线通信模块通过GPRS网络连接工控计算机，ZigBee协调器通过USB接口与工控计算机连接；锂电池充电模块、电池电压监测模块以及微型振动发电机模块连接SoC FPGA系统模块。

所述传感与信号采集模块为ADXL001传感器，测振范围为±70g，谐振频率为22kHz。

所述SD存储器为mini SD卡，将数据以FATFS文件格式读写入SD卡。

所述微型振动发电机模块将高速齿轮箱运转过程中的振动能转化为电能存入储能装置，当转化的电能不够用时，会自动切换到锂电池供电模式。

所述信号处理模块引入了先进的压缩感知理论。

为了解决采集速率与传输速率不匹配的问题，采用外拓SD卡作为数据缓冲区。

根据传输距离的长短，从保证信号传输的稳定性、灵活性以及降低成本的角度考虑，选择ZigBee技术搭配GPRS技术的混合无线传输方式。

由于电池的充电方式以及需要不断更换等问题制约了无线传感器网络节点的发展，这里提出采用其他能源代替电池供电。由于监测对象是高速运转的齿轮箱，这里选择在节点上添加一个微型振动发电机，将齿轮箱运转过程中的机械能转化为电能给节点供电。

当上述采用的方法提供的电能不够用时，采用电池供电。本节点采用可充电电池并设计充电电路，保证电池可以循环使用。同时这个充电电路可以实时监测电池电量，防止出现过充或过放电现象。