基于无线传感器网络的机械振动监测系统设计

摘 要: 针对部分机械设备运行环境复杂，人员难以靠近等特点，提出了基于无线传感器网络的机械设备状态监测系统． 本系统采用 LM3S1968 和 CC2420 作为无线传感器网络的主要硬件． 针对 LEACH 算法的不足，改进了其路由选择算法． 通过 MATLAB虚拟仿真平台和现场数据采集表明，此系统能够对信号实行有效的采集．

0 引 言

机械振动信号是判断机械设备运行是否正常的重要信号来源，通过对设备振动信号的检测和诊断，就能够提前预知机械设备的健康状态． 从而延长设备的工作寿命，避免事故的发生． 然而传统的有线连接方式存在很多不可避免的缺点，主要体现在: 网络维护困难、人难以接近、有线网络之间存在电源干扰现象、大量布线增加了系统潜在危险和不可控性等． 为了解决这些问题，迫切需要引入一种新型的、无需布线的网络［1-2］．WSN 是随着MEMS 、传感技术、无线通讯和数字电子技术的迅速发展而出现的一种新的信息获取和处理模式． 它具有造价低、规模大、分布式模式、配置灵活、ISM 频段无需申请和付费等特点［3］． 2008 年，印度理工学院和美国南加州大学开始联合开发基于 MEMS 技术的铁路桥梁安全监测系统． Narito Kurata 等在 2008 年北京世界地震工程研讨会上提出了基于 MEMS 技术的无线加速度传感器网络的普适结构健康监测技术的应用研究． 因此将 WSN 应用到机械设备振动监测中来，具有很大的可行性．

1 WSN 设计要求

1) 高可靠性． 汽轮机、旋转机械等大多处于高速运行状态，如果出现故障，就有可能导致重大的经济损失和人员伤亡．

2) 实时监测． 由于机械要长期稳定的运行，这就要求对其进行连续不间断的状态监测，并且能够即使反映机械的运行情况．

3) 较高的采集速度和精度． 一般机械转速都比较高，比如汽轮机的正常工作转速一般在3 000 r / min左右，有时甚至更高，因而数据采集系统需要足够的处理速度和采集精度来适应这一要求．

4) 兼容性． 为了保护用户的原有投资，要具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力．

5) 同步整周期采样． 在机械振动监测系统中，不仅要知道振动信号值的大小，而且要知道信号彼此之间的相位关系，这时就需要采取同步采样技术来实现［3］．

2 WSN 硬件设计

无线传感器网络硬件框图如图 1 所示，主要由传感器、微处理单元、存储单元、通信模块以及电源组成．

微处理器采用 LM3S1968，它是针对工业应用方案而设计的，首款基于 ARM CortexTM-M3 的控制器． LM3S1968 微控制器具有一个电池备用的休眠模块，从而有效的使 LM3S1968 芯片在未被激活的时候进入低功耗状态． 一个上电/掉电序列发生器、连续的时间计数器( RTC) 、一对匹配寄存器、一个到系统总线的 APB 接口以及专用的非易失性存储器、休眠模块等功能组件使 LM3S1968微控制器极其适合用在电池的应用中． 接口方面，LM3S1968 提供了 SSI 接口，可直接与 CC2420 进行通信; 提供了 UART 接口，可实现编程或者与上位机进行通信．