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基于ZigBee技术的设备状态监测与故障诊断系统设计
作 者: 刘涛涛
导 师: 潘宏侠
学 校: 中北大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: ZigBee技术 无线传感网络 状态监测 故障诊断
分类号: TP277
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
下 载: 17次
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内容摘要
设备状态监测与故障诊断技术是一门涵盖了多个学科的实用技术。随着状态监测技术的不断发展和进步,在实际生产中对设备的安全、稳定、满负荷运行提出了更高的要求。因此只有及时了解设备的运行状态,才能够有效地预防故障的发生,从而减少损失。传统的设备状态监测系统很多采取有线的方式,而在一些工业现场中往往存在着高温高热、环境复杂等特殊场合,在这样的环境中采用有线传输往往会造成布线困难、所需成本过高、信号干扰严重等问题。因此设计一种基于无线传感器网络方式采集、传输数据的状态监测与故障诊断系统显得尤其重要。ZigBee技术是目前众多无线传感器网络技术中的一种重要技术,该技术的独特之处在于其是一种短距离、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。另外它还具有覆盖区域大、监测精度高、部署速度快等优点,可以有效克服有线传输带来的一系列问题,并能在不影响企业正常生产的前提下对关键设备进行状态监测。本文在深入研究ZigBee技术的设备类型、拓扑结构、协议规范、路由协议及技术特点的基础上,将其应用于设备的状态监测与故障诊断中,开发设计了基于ZigBee技术的设备状态监测与故障诊断系统,包括了系统无线传感器网络的软硬件设计、系统上位机监测软件的开发以及对信号进行故障诊断的实现。文章首先介绍了ZigBee技术和设备状态监测的研究现状,并阐述了ZigBee技术应用于状态监测中的优势和可行性,之后又深入研究了ZigBee技术的基本理论、设备类型及协议规范等;在此基础上,提出了将ZigBee技术应用于设备状态监测及故障诊断中的设计思路,完成了对系统整体架构的设计,并且设计了ZigBee传感器节点和协调器节点的硬件结构及相关电路图;然后,文章设计了基于LabVIEW的上位机监测软件,实现了对采集数据的显示和存储等功能;最后,通过实验的方式验证了ZigBee无线传感器网络及上位机相关功能模块的有效性,并通过频谱分析确认了实验对象的故障类型,实现了系统的故障诊断。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-7 目录 7-11 1 绪论 11-15 1.1 课题的研究背景及意义 11-12 1.2 ZigBee 技术的发展状况 12 1.3 状态监测与故障诊断技术的研究现状 12-14 1.4 本论文的主要内容 14-15 2 ZigBee 技术研究 15-27 2.1 ZigBee 技术概况 15-16 2.2 ZigBee 设备类型 16-17 2.2.1 协调器 16 2.2.2 路由器 16 2.2.3 终端设备 16-17 2.3 网络拓扑结构 17-18 2.3.1 星状网络 17-18 2.3.2 树状网络 18 2.3.3 网状网络 18 2.4 ZigBee 协议规范 18-22 2.4.1 物理层(PHY) 19-20 2.4.2 MAC 层 20-21 2.4.3 网络层 21 2.4.4 应用层 21-22 2.5 ZigBee 路由研究 22-23 2.5.1 路由概述 22 2.5.2 路由协议 22-23 2.6 ZigBee 技术特点及应用前景 23-26 2.6.1 ZigBee 技术特点 23-25 2.6.2 ZigBee 技术的应用前景 25-26 2.7 本章小结 26-27 3 系统硬件平台设计 27-38 3.1 系统总体设计 27-28 3.2 传感器节点无线模块设计 28-30 3.2.1 ZigBee 芯片选型 28-29 3.2.2 节点无线模块设计 29-30 3.3 传感器节点硬件设计 30-35 3.3.1 传感器节点硬件结构 30-31 3.3.2 系统传感器选型 31-34 3.3.3 传感器节点电源设计 34-35 3.4 协调器节点的硬件设计 35-37 3.4.1 电源转换模块 36 3.4.2 串行接口电路 36-37 3.4.3 JTAG 接口电路设计 37 3.5 小结 37-38 4 无线通讯模块软件设计 38-51 4.1 软件开发平台介绍 38-39 4.2 Z-Stack 软件的架构 39-41 4.3 Z-Stack 无线通信协议的组网实现 41-45 4.3.1 协调器启动网络 41-42 4.3.2 允许设备连接网络 42-43 4.3.3 设备加入网络 43-45 4.4 终端设备节点软件设计 45-47 4.5 协调器节点与上位机通讯实现 47-50 4.5.1 主协调器的软件设计 47-48 4.5.2 主协调器与上位机的串口通信 48-50 4.6 小结 50-51 5 上位机状态监测与故障诊断系统设计 51-60 5.1 软件平台开发环境介绍 51-52 5.2 系统监测与诊断平台的整体设计 52-53 5.3 在线监测模块功能设计 53-57 5.3.1 上位机主界面设计 53-55 5.3.2 数据存储 55-56 5.3.3 故障预警 56-57 5.4 故障诊断模块设计 57-59 5.4.1 滚动轴承故障机理 57-58 5.4.2 频谱分析方法 58-59 5.5 小结 59-60 6 系统运行试验及结果分析 60-69 6.1 ZigBee 通信测试 60-64 6.1.1 ZigBee 组网实验 60-62 6.1.2 点对点透明传输实验 62-64 6.2 上位机状态监测软件测试 64-66 6.2.1 数据采集的硬件平台 64-65 6.2.2 上位机功能测试 65-66 6.3 故障诊断及结果分析 66-68 6.3.1 轴承故障设置 66 6.3.2 信号频谱分析 66-68 6.4 小结 68-69 7 总结和展望 69-71 7.1 总结 69-70 7.2 展望 70-71 参考文献 71-75 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 75-76 致谢 76-77
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 监视、报警、故障诊断系统
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