煤机装备诊断自供电无线传感器网络系统的设计与研究

发布时间：2017-05-15 14:22

  本文关键词：煤机装备诊断自供电无线传感器网络系统的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：采煤机装备是目前煤炭行业综合机械化采煤的重要工具,其工作效率、稳定性和安全性是实现采煤工作面高效运行和安全生产的关键因素。现阶段应用在采煤机上的故障诊断设备大多数为有线方式,布线的复杂性可能带来一定程度上的操作不便。如果采取市面上应用广泛的无线传感网络系统替代有线监控设备在采煤机上实现应用,将会面临无线传感器网络技术的电池续航能力不足问题。考虑到目前采煤机状态监控设备的诸多局限性,本文提出了一种自供电式无线传感器网络集成系统,该网络系统利用具有单悬臂梁结构的振动式压电能量收集器收集工作环境中的振动机械能为终端传感器节点提供电能,基于ZigBee技术构建无线传感网络并实现对采煤机振动状态的在线实时监测。在系统的研究与建立过程中,深入研究了单悬臂梁结构振动式压电能量收集器的工作原理;研究了压电能量管理器的工作原理与设计方法;分析了ZigBee无线传感器网络系统使用的软件框架Z-stack协议栈,主要包括MAC层带有冲突避免的载波监听多路访问机制、网络层的网络建立与节点加入网络,网络层路由协议和应用层应用框架与应用对象;基于前期理论研究设计了终端传感器节点的硬件电路,包括微能源管理、数据采集处理和ZigBee无线射频三大模块;基于Z-Stack体系架构,对无线传感器网络系统进行软件设计,包括终端传感器节点、协调器和路由器。经过自供电式节点样机在环境模拟振动台测试系统下的一系列测试,包括振动式压电能量采集器的电学输出性能测试、压电式微能源管理模块供电持久性测试和ZigBee无线射频模块通信可靠性和实时性测试,实验结果表明本系统自供电持久性较强,传感器信号稳定,无线数据收发实时可靠。凭借模拟采煤机的工作状态与环境,初步实现了节点自供电的无线传感器网络在采煤机上的应用,为采煤机监控系统向远程式、便捷式方向发展提供了重要支持。
【关键词】：采煤机 无线传感器网络 能量收集 远程式
【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;TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 课题研究的背景及意义9
• 1.2 煤机装备状态监控与故障诊断9-10
• 1.3 无线传感器网络10-14
• 1.3.1 无线传感器网络简介10-13
• 1.3.2 无线传感器网络在矿井监测领域的应用13-14
• 1.4 能量收集技术14-17
• 1.4.1 振动式压电能量收集器简介14-15
• 1.4.2 振动式压电能量收集器的研究现状15-17
• 1.5 论文的选题依据和主要研究内容17-18
• 2 煤机装备诊断自供电无线传感器网络系统总设计方案18-26
• 2.1 自供电无线传感器网络系统设计原则与要求18-19
• 2.2 自供电无线传感器网络系统总体结构设计19-25
• 2.2.1 系统框架方案选取19-20
• 2.2.2 自供电式设计方案选取20-22
• 2.2.3 无线通信协议选取22-23
• 2.2.4 微处理器选取23-24
• 2.2.5 传感器选取24-25
• 2.3 本章小结25-26
• 3 煤机装备诊断自供电无线传感网络系统硬件电路设计26-37
• 3.1 微能源管理模块26-33
• 3.1.1 振动式压电供能单元工作原理26-28
• 3.1.2 振动式压电供能单元等效电路28-30
• 3.1.3 微能源管理电路工作原理30-33
• 3.2 数据采集处理模块33-34
• 3.2.1 MSP430F5438处理器单元33-34
• 3.2.2 处理器单元与传感器接口设计34
• 3.3 ZigBee无线通信模块34-36
• 3.3.1 CC2530核心模块电路设计35-36
• 3.3.2 处理器单元与无线模块接口设计36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 煤机装备诊断自供电无线传感器网络系统软件设计37-53
• 4.1 Z-Stack软件架构MAC层协议37-39
• 4.1.1 WSN中的MAC协议37-38
• 4.1.2 ZigBee MAC层的CSMA/CA机制38-39
• 4.2 Z-Stack软件架构NWK层协议39-41
• 4.2.1 ZigBee建立网络与加入网络39-40
• 4.2.2 ZigBee NWK层路由协议40-41
• 4.3 Z-Stack软件架构APL层协议41-42
• 4.3.1 ZigBee应用框架41-42
• 4.3.2 ZigBee设备的发现与绑定服务42
• 4.4 ZigBee网络节点软件设计42-52
• 4.4.1 ZigBee网络参数配置43-44
• 4.4.2 ZigBee协调器软件设计44-47
• 4.4.3 ZigBee终端传感器节点软件设计47-50
• 4.4.4 ZigBee路由器软件设计50-52
• 4.5 无线传感器网络节点软件设计验证52
• 4.6 本章小结52-53
• 5 煤机装备诊断自供电无线传感器网络系统功能测试53-58
• 5.1 振动式压电能量采集器的电性能测试53-55
• 5.2 压电式微能源管理模块供电持久性测试55-56
• 5.3 无线模块可靠性和实时性测试56-57
• 5.4 本章小结57-58
• 6 总结与展望58-60
• 6.1 总结58
• 6.2 展望58-60
• 参考文献60-64
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果64-65
• 致谢65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：368038