一种微型振动加速度物联网传感节点及应用方法与流程

1.本发明涉及振动加速度采集领域，尤其是涉及一种微型振动加速度物联网传感节点及应用方法。


背景技术：

2.振动加速度是自然界广泛存在的信号，对其采集分析可以获取很多有用信息，如滚动轴承的振动信号可以分析其摩损等故障；电机的振动信号可以分析其主轴偏心、转子等故障；地质勘探中利用传感器阵列的采集信号分析地质构造；在安防领域对地埋振动传感器收集的信号分析可以获取经过车辆类型等信息。
3.当前对振动信号的采集通常采用压电式或mems振动加速度计，连接数据采集仪进行，该方式存在现场布线繁琐，需提供电源等不便之处。为解决以上缺点已经有采用物联网无线技术传输数据由电池供电的振动加速度计。然而实际应用中为有效提取振动信号中信息，根据奈奎斯特采样定理采样频率需大于信号最高频率的两倍，振动信号采样率通常需达到数千赫兹，单条采集数据中有上百万个振动加速度值，例如采样频率为10khz时长30秒的三轴振动加速度数据量约为2m比特。物联网无线传输速率通常低于1kbps，每包数据100字节左右，估算发送该条数据需要约2000个数据包，4000秒(50％占空比)。传输大量原始振动数据不仅耗时极长，容易造成丢包和数据错误，还会消耗很多电量，导致振动加速度计寿命很短。因此，以上振动加速度计在实际应用中存在缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种微型振动加速度物联网传感节点及应用方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种微型振动加速度物联网传感节点，该节点与物联网服务器连接，该节点包括三轴mems加速度传感器、温湿度传感器、微处理器、lora无线模块和电池，所述的微处理器分别与三轴mems加速度传感器、温湿度传感器、lora无线模块和电池连接，所述的电池分别与三轴mems加速度传感器、温湿度传感器、lora无线模块连接；
7.所述的三轴mems加速度传感器、温湿度传感器和电池将采集的数据传输至微处理器，所述的微处理器对数据分析处理后，通过lora无线模块发送至物联网服务器，所述的电池为所有模块提供能量。
8.优选地，所述的微处理器包括a/d转换电路，所述的微处理器将mems传感器输入的模拟电压信号按照设定采样频率转换为数字信号，保存到内存中。
9.优选地，所述的微处理器对采集信号的分析处理包括：提取出极大值、极小值、峰峰值、均值、方差和频域中峰值处的频点及强度，然后形成待发数据包。
10.优选地，所述的节点在发送数据完毕后进入接收模式，所述的微处理器通过lora无线模块接收物联网服务器发送的数据包，按数据包要求修改采样频率和单次采样时长参
数。
11.优选地，所述的微处理器通过温湿度传感器和电池电压的数据，计算出剩余电量，发送至物联网服务器。
12.优选地，所述的节点还包括天线、外壳、电路板和安装螺母，所述的微处理器、三轴mems振动加速度传感器、lora无线模块和温湿度传感器设于电路板上，所述的天线、电池和电路板从上至下依次固定于外壳内，所述的外壳外部下方设有安装螺母。
13.优选地，所述的外壳为圆柱形，包括上部外壳和下部外壳，所述的上部外壳和下部外壳通过螺纹固定。
14.优选地，所述的上部外壳为采用abs工程塑料制作而成的外壳，所述的下部外壳为金属材料制作而成的外壳。
15.优选地，所述的节点内部还包括电路板固定柱和电路板固定螺丝，所述的电路板固定柱设于外壳的内部底部，所述的电路板通过电路板固定螺丝固定于电路板固定柱上。
16.一种采用所述的微型振动加速度物联网传感节点的应用方法，该方法包括以下步骤：
17.步骤1、节点通电后向物联网服务器发送入网请求，如果其收到物联网服务器回复的入网应答，则进入休眠模式，否则再次发送入网请求；
18.步骤2、当微处理器的a/d接口输入超过设定阈值时，激发节点从休眠模式进入采样模式，开始高频采集振动加速度数据，将三轴mems加速度传感器的感测数据转换为数字信号，存储到节点内存中；
19.步骤3、在微处理器的a/d接口输入连续低于设定阈值时，节点结束采样模式，节点对本次采集原始振动加速度数据提取极大值、极小值、峰峰值、均值和均方差，按节点发送数据帧格式一生成待发送数据包一；节点对本次采集的数据进行快速离散傅里叶变换，提取信号频域中波峰处频点及强度，按频域强度由高到低排列后按节点发送数据帧格式二生成待发送数据包二；
20.步骤4、节点进入发送模式将待发送数据发送给物联网服务器；
21.步骤5、节点在发送完毕后进入接收模式，接收物联网服务器发送的数据包，节点按接收数据帧格式解析后按数据包要求修改采样频率和单次采样时长参数；
22.步骤6、节点在完成数据发送和接收后重新进入休眠模式。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.1、本发明的节点仅发送有效信息，不再发送原始振动数据，显著降低数据发送量，提高节点电池寿命。
25.2、本发明的节点对所采集振动加速度数据处理，获得频域高峰处频点及强度值，极大值，极小值，平均值，均方差等参数。
26.3、本发明的节点一般处于睡眠模式，当监测到振动加速度超过设定阈值时触发微处理器退出休眠，开始高频率采集加速度数据，节省电量。
27.4、本发明的天线采用内置设计，结构紧凑体积小。
28.5、本发明的节点根据监测电池电压和温度计算剩余电量，物联网服务器可实时监测节点的电量，及时提醒和更换。
附图说明
29.图1为本发明的节点原理示意图；
30.图2为本发明的节点的结构示意图；
31.图3为本发明方法的工作流程图；
32.其中 1为天线，2为电池，3为外壳，4为电路板，5为安装螺母，6为电路板固定柱，7为电路板固定螺丝，31为上部外壳，32为下部外壳。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
34.如图1所示，一种微型振动加速度物联网传感节点，该节点包括三轴mems加速度传感器、温湿度传感器、微处理器、lora无线模块和电池2，所述的三轴mems加速度传感器、温湿度传感器和电池将采集的数据传输至微处理器，所述的微处理器对数据分析处理后，通过lora无线模块发送至物联网服务器，所述的电池为所有模块提供能量。
35.所述的微处理器具有a/d转换功能，所述的微处理器将mems传感器输入的模拟电压信号按照设定采样频率转换为数字信号，保存到内存中。
36.所述的微处理器对采集信号的分析处理包括：提取出极大值、极小值、峰峰值、均值、方差和频域中峰值处的频点及强度，然后形成待发数据包。
37.所述的节点在发送数据完毕后进入接收模式，所述的微处理器通过lora无线模块接收物联网服务器发送的数据包，按数据包要求修改采样频率和单次采样时长参数。
38.所述的微处理器通过温湿度传感器和电池电压的数据，计算出剩余电量，发送至物联网服务器。
39.如图2所示，所述的节点还包括天线1、外壳3、电路板4和安装螺母5，所述的微处理器、三轴mems振动加速度传感器、lora无线模块和温湿度传感器设于电路板4上，所述的天线1、电池2和电路板4从上至下依次固定于外壳内，所述的外壳外部下方设有安装螺母5。
40.所述的外壳3为圆柱形，包括上部外壳31和下部外壳32，所述的上部外壳31的材质为abs工程塑料，下部外壳32材质为金属，所述的上部外壳31和下部外壳32通过螺纹固定。
41.所述的节点内部还包括电路板固定柱6和电路板固定螺丝7，所述的电路板固定柱6设于外壳3的内部底部，所述的电路板4通过电路板固定螺丝7固定于电路板固定柱6上。
42.如图3所示，一种采用所述的微型振动加速度物联网传感节点的应用方法，该方法包括以下步骤：
43.步骤1、节点通电后向物联网服务器发送入网请求，如果其收到物联网服务器回复的入网应答，则进入休眠模式，否则再次发送入网请求；
44.步骤2、当微处理a/d接口输入超过设定阈值时，激发节点从休眠模式进入采样模式，开始高频采集振动加速度数据，将三轴mems加速度传感器的感测数据转换为数字信号，存储到节点内存中；
45.步骤3、在微处理a/d接口输入连续低于设定阈值时，节点结束采样模式，节点对本
次采集原始振动加速度数据提取极大值、极小值、峰峰值、均值和均方差，按节点发送数据帧格式一生成待发送数据包一；节点对本次采集的数据进行快速离散傅里叶变换，提取信号频域中波峰处频点及强度，按频域强度由高到低排列后按节点发送数据帧格式二生成待发送数据包二；
46.步骤4、节点进入发送模式将待发送数据发送给物联网服务器；
47.步骤5、节点在发送完毕后进入接收模式，接收物联网服务器发送的数据包，节点按接收数据帧格式解析后按数据包要求修改采样频率和单次采样时长参数；
48.步骤6、节点在完成数据发送和接收后重新进入休眠模式。
49.其中表1为本发明的节点发送数据帧格式一；表2为本发明的节点发送数据帧格式二；表3为本发明的节点接收数据帧格式。
50.表1
[0051][0052]
表2
[0053][0054]
表3
[0055]
帧内容节点id帧编号采样频率采样时长长度2字节1字节2字节2字节
[0056]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。