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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。

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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