基于ZigBee的瓦斯水环泵故障监测诊断系统设计

摘要

瓦斯泵故障监测诊断系统在保证煤矿安全生产中起着重要的作用，传统的监测系统主要建立在井下布线和电缆通信的基础上，矿井中复杂的环境对数据的传输有着很大的影响，由于环境的制约，监测范围也十分有限，很难保障瓦斯泵的正常运行。因此设计一种通过无线网络对设备进行数据采集、数据传输的系统是很有必要的。
　　ZigBee是新一代的无线网路技术，它有着低成本、低功耗、网络覆盖范围广等特点。将ZigBee无线技术运用到监测系统中不仅能够大大降低环境对数据传输的影响，而且还能提高监测精度扩大监测范围。本文详细研究了ZigBee技术的特点、网络结构、协议规范以及设备类型，并在此基础上提出了一种基于ZigBee无线网络的监测诊断系统代替了传统的有线传输，能够更准确的对瓦斯泵进行监测，从而更好的保障井下作业的安全。整个系统分为两部分，分别是故障监测系统和故障诊断系统，在监测系统中，首先选取了TI公司的CC2530作为核心芯片，并对芯片的外围电路、电源电路、串口电路以及天线进行了设计和描述。同时还对各种监测传感器做了选型和电路设计。并以Z-Stack协议栈为基础对ZigBee组网、协议栈运行的方式、各个节点间的数据传输，以及传感器节点的数据采集做了详细的分析。
　　在故障诊断系统中，本文对主元分析(PCA)法和符号有向图(SDG)的概念以及工作流程做了详细的介绍，并在SDG故障诊断原理和方法的基础上融入了PCA理论，针对瓦斯水环泵搭建了混合故障诊断系统，先通过PCA对统计值进行检测，然后利用贡献图法找出异常变量，接着组建SDG模型并推理得出故障源。这种方法不仅保留了SDG完备性好、能够进行故障路径分析的优点，还弥补了SDG诊断速率低精度差的不足。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 ZigBee技术的发展状况

1．2．2 PCA故障诊断方法研究现状

1．2．3 SDG故障诊断方法研究现状

1．3 本论文的主要内容

第二章 ZigBee无线技术

2．1 ZigBee技术概述

2．1．1 技术起源

2．1．2 ZigBee的技术特点

2．2 ZigBee协议规范

2．3 物理层(PHY)

2．4 媒体访问控制层(MAC)

2．5 网络层

2．5．1 设备类型

2．5．2 网络拓扑结构

2．6 应用层

2．7 ZigBee安全服务及协议层间的关系

2．7．1 安全服务

2．7．2 ZigBee通信原语

2．7．3 层间帧结构

2．8 本章小结

第三章 瓦斯水环泵故障监测诊断系统总体设计

3．1 系统整体结构

3．2 监测系统节点设计及网络拓扑选择

3．2．1 监测系统节点设计

3．2．2 监测系统网络拓扑选择

3．3 本章小结

第四章 瓦斯水环泵监测系统硬件设计

4．1 CC2530芯片

4．1．1 CC2530芯片简介

4．1．2 CC2530功能介绍

4．1．3 CC2530外围电路设计

4．2 协调器硬件设计

4．2．1 电源电路设计

4．2．2 CC2530与上位机串口电路设计

4．2．3 功率放大器CC2591

4．2．4 天线模块

4．3 传感器终端节点设计

4．3．1 温度传感器

4．3．2 振动传感器

4．3．3 电流传感器

4．3．4 传感器节点电源设计

4．4 执行机构

4．5 本章小结

第五章 瓦斯水环泵监测系统软件设计

5．1 ZigBee网络软件设计

5．1．1 软件开发平台介绍

5．1．2 Z-Stack协议栈

5．1．3 协议栈软件设计步骤

5．1．4 ZigBee网组流程

5．2 ZigBee终端节点软件设计

5．3 ZigBee路由器节点软件设计

5．4 ZigBee协调器软件设计

5．5 本章小结

第六章 瓦斯泵故障诊断系统设计

6．1 故障诊断系统整体设计

6．2 PCA分析法

6．2．1 PCA分析法概述

6．2．2 PCA分析法原理

6．3 SDG方法介绍

6．3．1 SDG基本概念

6．3．2 SDG的建模方法

6．3．3 分层SDG的建模步骤

6．3．4 SDG的推理分析

6．4 混合SDG系统水环泵故障分析

6．4．1．建立SDG模型

6．4．2 建立PCA-SDG故障诊断系统

6．5 本章小结

第七章 总结和展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文