面向采煤机械自供电监测系统的无线终端设计

发布时间：2017-10-17 18:17

  本文关键词：面向采煤机械自供电监测系统的无线终端设计

  更多相关文章： 终端节点 在线状态监测 能源管理 低功耗 ZigBee

【摘要】：煤炭是人类赖以生存的主要能源之一,煤矿机械化水平直接影响着煤矿的生产效率和经济效益。而煤矿机械尤其是旋转类机械设备,在工作时极易受到煤、岩石等的巨大冲击,从而导致煤矿机械出现轴承、液压系统及机械系统的故障,其故障通常体现在异常的温度和振动状态变化,所以对煤机在工作时的温度和振动状态进行监测十分必要。而传统的有线测量方法由于线路缠绕以及维护成本等问题无法广泛实施,无线传感器网络(WSN)技术能够有效地解决这一难题。但是在WSN中大量的传感器终端节点都由电池来提供电能,电池不仅占据了整个节点的大部分尺寸和重量,其更换和充电更是成本巨大。因此设计一款具有自供电功能的无线传感器终端设备具有很大的经济价值和实用价值。课题以实时监测采煤机械的在线状态为目的,在调研采煤机械在线状态监测系统对技术要求的基础上,完成了监测系统终端样机的设计。其中,核心控制单元采用的是16位超低功耗单片机MSP430F5438;能源管理模块采用LTC3331芯片对收集到的振动能量进行管理,并采用MAX17043芯片对可充电电池的电量进行实时监测;温度监测模块采用了数字式温度传感器DS18B20,在-20℃~80℃范围内测量精度达±0.5℃;振动监测模块使用数字式加速度计ADXL345,最高采样率可达3.2KHz;无线传输模块采用射频芯片CC2530结合PCB天线完成低功耗、近距离的无线信息传输。通过IAR Embedded Workbench平台完成系统软件的编写和调试。最后通过实验验证终端样机运行良好,整体功耗不足52mA,在10米范围内能保证数据的有效传输,实现了低功耗、小体积、便于安装的目标。
【关键词】：终端节点 在线状态监测 能源管理 低功耗 ZigBee
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD632.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1.绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势12-16
• 1.2.1 无线传感器网络节点研究现状12-13
• 1.2.2 WSN在煤矿监测系统中研究现状13-14
• 1.2.3 自供电技术研究现状14-16
• 1.3 本文主要研究内容及章节安排16-17
• 2. 采煤机械监测系统整体设计方案及关键技术17-26
• 2.1 监测系统总体设计方案17-18
• 2.2 自供电原理和实现方法18-21
• 2.2.1 振动式能量采集技术19-21
• 2.2.2 能源管理方法21
• 2.3 短距离无线通信技术21-25
• 2.3.1 无线通信技术选取22-23
• 2.3.2 ZigBee通信技术23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3. 采煤机械无线监测系统终端硬件设计26-44
• 3.1 终端硬件设计方案26-27
• 3.2 传感器模块设计27-31
• 3.2.1 温度传感器27-28
• 3.2.2 加速度传感器28-31
• 3.3 能源管理模块设计31-36
• 3.3.1 能源管理电路设计32-34
• 3.3.2 电池电量监测电路设计34-36
• 3.4 无线通信模块设计36-39
• 3.4.1 射频芯片配置与电路设计36-38
• 3.4.2 PCB天线设计38-39
• 3.5 控制模块设计39-42
• 3.5.1 微型控制器的选择39-40
• 3.5.2 时钟系统及引脚配置40-41
• 3.5.3 单片机复位电路的设计41-42
• 3.6 终端设备PCB设计42-43
• 3.7 本章小结43-44
• 4.采煤机械无线监测系统终端软件设计44-55
• 4.1 软件开发环境44-45
• 4.2 MSP430控制模块程序设计45-49
• 4.2.1 时钟系统初始化46-47
• 4.2.2 I/O端口配置47-48
• 4.2.3 定时器选择48-49
• 4.3 无线传输模块程序设计49-54
• 4.3.1 Z-Stack协议栈开发流程49-51
• 4.3.2 协调器节点软件设计51-53
• 4.3.3 终端节点软件设计53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5.采煤机械无线监测系统终端相关测试55-62
• 5.1 系统硬件实现55-56
• 5.2 系统模块性能测试56-60
• 5.2.1 无线传输距离测试56-57
• 5.2.2 系统功耗测试57-58
• 5.2.3 电源管理模块性能测试58-59
• 5.2.4 传感器模块测试59-60
• 5.3 系统整体功能测试60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 6.总结与展望62-64
• 6.1 论文主要研究内容总结62-63
• 6.2 进一步工作建议63-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的成果68-69
• 致谢69-70

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本文编号：1050321