基于无线传感网络的水泵振动状态监测系统设计

摘要

本文的研究工作在江苏省特聘教授人才项目“泵不稳定流动机理及其运行可靠性关键技术”、国家自然科学基金项目“离心泵内流状态无传感器监测识别技术基础研究”（编号：51409125）的资助下展开。 随着现代化工业的飞速发展，水泵作为输送液体或提升液体压力的设备在生产中占据越来越重要的地位，为了防止水泵发生故障，则需对其进行实时监测。通常，异常振动是水泵发生故障的表征，对水泵的振动信号进行监测分析即可对水泵进行及时的故障诊断。因此，结合嵌入式技术与数据传输技术的发展，开发设计出一套普适性和经济性较高的水泵振动状态监测系统，对水泵的巡检工作具有重大意义。 本文主要的研究内容和创新点如下：首先分析了当前水泵振动状态监测系统的现状以及存在的问题，根据水泵的振动机理和设备状态监测为理论基础，确定了系统的监测方法与总体框图。针对传统有线监测系统存在的问题，提出了一种新的基于无线传感网络的水泵振动状态监测系统。在硬件平台搭建上，系统通过采用模块化设计的方法，弥补了传统有线监测系统适用性差的不足，且方便各模块的维护。针对布线复杂的问题，设计了基于ADXL335型加速度传感器的信号采集模块，简化了传统调理电路的组成，且实现了对空间振动信号的多方向采集。针对价格昂贵的问题，设计了基于功能强大的STM32F407作为主控芯片的微处理器，可完成对振动信号的同步采集与存储，且利用其DSP指令集可完成数据处理任务，集合多个功能于一个模块中，极大降低了系统的开发成本，且提高了系统的适用性与便携性。针对数据传输速率问题，提出了选用WIFI通信技术作为数据传输手段的方案，大大提高了数据传输效率，并进一步简化了布线复杂的问题。最后，将振动监测节点与无线传输节点相结合，配合基于Eclipse开发的安卓上位机软件，组网形成一个无线传感网络，实现了水泵振动状态监测的目的。本文的具体工作内容如下： （1）分析了水泵的振动机理，主要包括振动产生的原因及危害，以及振动评价的标准与方法，在此基础上确定了水泵振动的检测方法。最后对系统所需实现的功能进行归纳，决定采用模块化设计方案，提高了系统的适用性。 （2）设计了基于水泵振动状态监测的无线传感网络平台。依据设计需求完成对传感器、微处理器、及无线收发芯片的选型，并实现了对核心控制模块、信号采集模块、数据收发模块及电源供电模块单元的硬件电路设计，具体包括处理器最小系统、处理器外围辅助电路、电源供电电路、增益放大电路及滤波电路及基于ESP8266无线数据模块传输电路等的设计。其中基于ADXL335型加速度传感器的信号采集模块使得系统布线更加简单，且实现了对空间振动信号的多方向采集。基于STM32F407芯片的微处理器模块使得系统的开发成本大大降低。 （3）在对系统硬件设计完成的基础上完成了相应模块驱动软件的设计，首先对软件开发环境进行介绍，然后对系统的总体设计思想进行搭建，接着对系统各个子程序进行设计，最后基于安卓上位机的开发需求，对上位机进行开发设计。其中，子程序的设计主要包括系统的初始化程序、对振动信号的ADC三通道同步采集程序、数据的DSP处理程序、基于ESP8266的无线通信程序等。 （4）对系统设计过程中的硬件和软件分别进行调试，然后，通过试验与传统的有线振动状态监测系统进行对比，来验证本监测系统的可靠性。结果表明，本文所设计的监测系统可以满足对水泵振动状态监测的要求。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 振动信号采集监测系统研究状况

1.2.2 无线传感网络技术研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 水泵振动机理分析与系统总体设计方案

2.1 水泵的振动机理

2.2 振动评价方法及检测方法的选择

2.2.1 振动评价方法

2.2.2 振动检测方法的选择

2.3 系统功能设计及总体框图

2.4 本章总结

第三章 无线传感网络监测系统的硬件设计

3.1 监测节点总体设计方案

3.2 系统芯片的选择

3.2.1 传感器的选型

3.2.2 微控制器的选型

3.2.3 无线收发芯片的选型

3.3 核心控制模块设计

3.3.1 STM32主控模块电路

3.3.2 STM32外围电路

3.4 信号采集部分的电路设计

3.4.1 增益放大电路设计

3.4.2 滤波电路

3.5 数据发送和接收传输模块设计

3.5.1 芯片功能模块及工作模式

3.5.2 ESP8266外围电路设计

3.6 电源供电电路设计

3.7 本章总结

第四章 无线传感网络监测系统的软件设计

4.1 软件开发环境简介

4.2 无线收发模块的软件设计

4.2.1 系统软件的总体设计思想

4.2.2 系统软件的主程序

4.3 部分子程序设计

4.3.1 系统初始化程序

4.3.2 信号采集程序

4.3.3 数据处理设计

4.3.4 数据传输设计

4.4 安卓上位机系统设计

4.4.1 安卓开发环境的搭建

4.4.2 安卓上位机设计需求

4.4.2 安卓上位机系统总体框架

4.4.3 安卓上位机界面的设计与实现

4.5 本章总结

第五章 系统调试与验证

5.1 系统调试

5.2 试验验证过程及结果

5.3 本章总结

第六章 总结展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献