一种多功能实时同步采集物联网网关.pdf

本发明涉及一种多功能实时同步采集物联网网关，针对机械设备故障诊断领域对信号同步采集的实际要求，避免因相位偏差严重影响机组故障监测诊断的效果，本物联网网关在具备广泛的接入能力和典型的管理、协议转换功能基础上，还具有可根据设备开停车状态预测转速、提前滤波与数据同步校正处理的突出功能；本物联网网关可实时采集传感器输出的各种物理量及电信号，包括温度、压力、流量、加速度、速度、电涡流、转速等传感器，同时还可以与其他系统完成数据通讯；在完成数据采集与同步处理的基础上，可进行精细处理分析，计算各种特征值，包括振动速度有效值、振动加速度真峰值、振动位移真峰峰值、振动信号各倍频值、GIE值等。

权利要求书1.  一种多功能实时同步采集物联网网关，其特征在于：该网关包括以下单元：数据实时采集单元、数据实时处理单元、数据实时同步处理单元、CPU处理单元、数据后处理单元、数据传输单元，数据实时接收单元；上述各单元连接关系为：数据实时采集单元与数据实时处理单元相连，将采集后的各类数据传输给数据实时处理单元；数据实时处理单元与数据实时采集单元、数据实时同步处理单元相连，数据实时处理单元将接收的数据完成滤波、整周期截取处理后传输给数据实时同步处理单元；数据实时同步处理单元与数据实时同步处理单元、CPU处理单元相连，数据实时同步处理单元将接收的数据进行同步校正处理后传输给CPU处理单元；CPU处理单元分别与数据实时同步处理单元、数据后处理单元、数据实时接收单元、数据传输单元相连，数据后处理单元用于完成数据特征值提取，数据实时接收单元可接收其他设备采集的数据，数据传输单元用于将数据发送给物联网管理平台。2.  根据权利要求1中所述的一种多功能实时同步采集物联网网关，其特征在于：数据实时处理单元对数据波形进行实时连续的20倍工频的动态线性低通滤波；1)根据历史转速经过递归运算得到下一次的预测转速，预测转速计算公式如下：其中是X'n是第n次的预测转速，Kn-1是第n-1次的校正系数，Xn-1是第n-1次的实际转速，是第n-1次误差修正系数；β是机组开车特征参数，其计算方法如下：其中Y是机组开车过程转速数据，num(Y)是机组转速数据点数；第n次的校正系数Kn计算公式如下：第n次的误差修正系数计算公式如下：2)根据预测转速使用对应拐点的滤波器，为了实现不同滤波器的无缝衔接，采用多级滤波器同时滤波，根据预测转速直接选通对应滤波器的输出结果。3.  根据权利要求1中所述的一种多功能实时同步采集物联网网关，其特征在于数据实时同步处理单元的数据同步处理方式；(1)采用模拟电路相位校正滤波器对数据波形进行初步同步，模拟电路相位校正滤波器具有与模拟调理滤波器互补的特性，将群延迟校正为接近线性的曲线；(2)初步同步处理后的数据将采用如下方式，进行处理：加速度通道进行连续10KHz低通线性滤波后，重采样至25.6KHz；位移通道进行连续2KHz低通线性滤波后，重采样至5.12KHz；速度通道进行连续1KHz低通线性滤波后，重采样至2.56KHz，再进入积分电路完成积分，然后再由一个数字电路的相位校正模块进行相位校正，抵消不同频率的相位偏差；应力、应变通道进行连续1KHz低通线性滤波后，重采样至2.56KHz；流量通道进行连续500Hz低通线性滤波后，重采样至1KHz；压力通道进行连续500Hz低通线性滤波后，重采样至1KHz。

说明书一种多功能实时同步采集物联网网关
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种多功能实时同步采集物联网网关。
背景技术
物联网关的工作环境一般都处于无人值守条件下，完成初步设置后网关开始进行工作，未来它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。作为网关设备，物联网网关可以实现感知网络与通信网络，以及不同类型感知网络之间的连接，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。
传感器是物联网的基础部件，典型的传感器包括振动传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器等。不同的传感器采集的信号需要经过数据采集处理装置，由模拟量电信号转变为数字信号，从而进行传输、存储与分析。
在机械设备故障诊断领域，物联网网关与各型传感器连接，从传感器获得机组实时运行状态，设备故障对信号同步采集要求较高，一旦不同信号相位出现偏差或与机组实际转动相位不一致将会严重影响机组故障监测诊断效果，设置导致严重、着火爆炸等恶性事故的发生。
从机械故障监测诊断的实际需求出发，本物联网网关除具备广泛的接入能力和典型的管理、协议转换功能外，还可完成信号的同步处理。本物联网网关可实时采集传感器输出的各种物理量及电信号，包括温度、压力、流量、加速度、速度、电涡流、转速等传感器，同时还可以与其他系统完成数据通讯；在完成数据采集与同步处理的基础上，还可进行精细处理分析，计算各种特征值，包括振动速度有效值、振动加速度真峰值、振动位移真峰峰值、振动信号各倍频值、GIE值等。
本网关将作为机械故障诊断数据传输处理的关键节点，在故障诊断领域发挥重要作用。
发明内容
一种多功能实时同步采集物联网网关，其特征在于：
该网关包括以下单元：数据实时采集单元、数据实时处理单元、数据实时同步处理单元、CPU处理单元、数据后处理单元、数据传输单元，数据实时接收单元；
上述各单元连接关系为：数据实时采集单元与数据实时处理单元相连，将采集后的各类数据传输给数据实时处理单元；数据实时处理单元与数据实时采集单元、数据实时同步处理 单元相连，数据实时处理单元将接收的数据完成滤波、整周期截取处理后传输给数据实时同步处理单元；数据实时同步处理单元与数据实时同步处理单元、CPU处理单元相连，数据实时同步处理单元将接收的数据进行同步校正处理后传输给CPU处理单元；CPU处理单元分别与数据实时同步处理单元、数据后处理单元、数据实时接收单元、数据传输单元相连，数据后处理单元用于完成数据特征值提取，数据实时接收单元可接收其他设备采集的数据，数据传输单元用于将数据发送给物联网管理平台。
进一步，数据实时处理单元对数据波形进行实时连续的20倍工频的动态线性低通滤波；
连续的20倍工频滤波需要提前预知波形的对应转速，根据该转速来提前选取对应拐点的滤波器，并且要做到滤波器的无缝切换，采用FPGA做实时的灵活切换和滤波，方法如下：
1)根据历史转速经过递归运算得到下一次的预测转速，预测转速计算公式如下：
            
其中是X'n是第n次的预测转速，Kn-1是第n-1次的校正系数，Xn-1是第n-1次的实际转速，是第n-1次误差修正系数；β是机组开车特征参数，其计算方法如下：
      β=Σi=1num(Y)Yi′′num(Y)]]>      
其中Y是机组开车过程转速数据，num(Y)是机组转速数据点数；
第n次的校正系数Kn计算公式如下：
      Kn=Σi=15(Xn-iXn-i-1)25]]>      
第n次的误差修正系数计算公式如下：
            
2)根据预测转速使用对应拐点的滤波器，为了实现不同滤波器的无缝衔接，采用多级滤波器同时滤波，根据预测转速直接选通对应滤波器的输出结果；
进一步，其特征在于数据实时同步处理单元的数据同步处理方式；
(1)采用模拟电路相位校正滤波器对数据波形进行初步同步，模拟电路相位校正滤波器具有与模拟调理滤波器互补的特性，可以将群延迟校正为接近线性的曲线；
(2)初步同步处理后的数据将采用如下方式，进行处理：
1)加速度通道进行连续10KHz低通线性滤波后，重采样至25.6KHz；
2)位移通道进行连续2KHz低通线性滤波后，重采样至5.12KHz；
3)速度通道进行连续1KHz低通线性滤波后，重采样至2.56KHz，再进入积分电路完成积分，然后再由一个数字电路的相位校正模块进行相位校正，抵消不同频率的相位偏差；
4)应力、应变通道进行连续1KHz低通线性滤波后，重采样至2.56KHz；
5)流量通道进行连续500Hz低通线性滤波后，重采样至1KHz；
6)压力通道进行连续500Hz低通线性滤波后，重采样至1KHz。
附图说明
图1：本发明各单元连接关系图；
图2：本发明实施例数据实时同步处理单元内部结构图；
图3：本发明实施例机组转速仿真结果图；
图4：本发明实施例数据实时处理单元多级滤波器结构图；
具体实施方式
如图1所示，一种多功能实时同步采集物联网网关包括如下7个单元：数据实时采集单元、数据实时处理单元、数据实时同步处理单元，CPU处理单元、数据后处理单元、数据传输单元，数据实时接收单元。
数据实时采集单元与数据实时处理单元相连，将采集后的各类数据传输给数据实时处理单元；数据实时处理单元与数据实时采集单元、数据实时同步处理单元相连，数据实时处理单元将接收的数据完成滤波、整周期截取处理后传输给数据实时同步处理单元；数据实时同步处理单元与数据实时同步处理单元、CPU处理单元相连，数据实时同步处理单元将接收的数据进行同步校正处理后传输给CPU处理单元；CPU处理单元分别与数据实时同步处理单元、数据后处理单元、数据实时接收单元、数据传输单元相连，数据后处理单元用于完成数据特征值提取，数据实时接收单元可接收其他设备采集的数据，数据传输单元用于将数据 发送给物联网管理平台。
各单元具体功能如下所述：
      数据实时采集单元：实时采集各型传感器输出的不同信号，包括温度、压力、流量、加速度、速度、电涡流、转速等传感器；
      数据实时处理单元：用于实时处理采集到的各种数据，实时处理过程包括实时对数据波形进行实时连续的20倍工频的动态线性低通滤波；使用键相信号对数据波形进行实时连续的波形截取，准确还原机组若干个周期的振动、冲击、压力、流量、温度和位移信息；
      数据实时同步处理单元：用于对数据实时处理单元处理过的数据进行同步校正；
      CPU处理单元：用于通过嵌入式的开放式操作系统控制应用程序处理数据，并根据系统规则做出一定的判断；如果数据存在异常，将问题数据波形连续传入数据传输单元送给物联网管理平台；如果数据没有异常，则只发送处理完的特征值，从而降低网络负荷；
      数据后处理单元：用于对采集数据进行精细处理分析，计算如下特征值：有效值、真峰值、真峰峰值、有效峰值、有效峰峰值、各倍频值、GIE值，特征值处理完成后仍传输给CPU处理单元；
      数据传输单元：通过WIFI、光纤以太网或以太网将数据发送给物联网管理平台；
      数据实时接收单元：用于接收其他设备采集的数据，可接收包括CAN总线，Zigbee总线和Modbus总线的数据
数据实时处理单元所完成的连续的20倍工频滤波需要提前预知波形的对应转速，根据该转速来提前选取对应拐点的滤波器，并且要做到滤波器的无缝切换，采用FPGA做实时的灵活切换和滤波，方法如下：
1)由FPGA根据历史转速经过递归运算得到下一次的预测转速，预测转速计算公式如下：
            
其中是X'n是第n次的预测转速，Kn-1是第n-1次的校正系数，Xn-1是第n-1次的实际转速，是第n-1次误差修正系数；β是机组开车特征参数，其计算方法如下：
      β=Σi=1num(Y)Yi′′num(Y)]]>      
其中Y是机组开车过程转速数据，num(Y)是机组转速数据点数；
第n次的校正系数Kn计算公式如下：
      Kn=Σi=15(Xn-iXn-i-1)25]]>      
第n次的误差修正系数计算公式如下：
            
实施例中选择一台机组，其实际转速的部分时间点数据如表1所示。
表1机组实际转速数据
            
根据上述算法，仿真获得机组模拟转速数据，部分时间点的数据如表2所示。
表2机组模拟转速数据
      序号12345678910仿真转速0-0.071.296.2015.0724.6034.0746.2765.6984.84序号131132133134135136137138139140仿真转速1074.43945.62792.82646.57511.68396.76298.63218.42151.8899.16      
对机组实际转速和模拟转速数据进行比较，绘制机组转速图如图2所示，实线代表实际转速，点状线代表的是模拟转速。
2)根据预测转速使用对应拐点的滤波器，为了实现不同滤波器的无缝衔接，采用多级滤波器同时滤波，根据预测转速直接选通对应滤波器的输出结果；滤波器结构如图3所示，图3中左侧是5组滤波器，拐点是预测拐点附近的5组参数，其中L是步进系数，可以根据不同机组特性进行匹配。
由于不同信号种类采用的采样率不一样，而且数据实时处理单元对各路数据波形进行了多种滤波器操作，会导致每路波形均会产生相位移动，波形丢失相位后对后期的数据处理及判断会造成较大影响；数据实时同步处理单元采用数字滤波器对这些偏移进行纠正，以达到所有通道处理后相位保持严格一致的效果。
数据实时同步处理单元由以下两部分组成：
      模拟电路相位校正模块
      数字滤波器相位校正模块
数据实时同步处理单元内部结构如图4所示。由于本发明模拟调理部分采用巴特沃斯滤波器做抗混滤波，该滤波器具有结构简单、增益大的特点，但同时带来了非线性相位的缺点。非线性相位会导致不同频率的相移不一致，相位信息会出现误差，在发生某些故障发生时，这些误差可能会导致诊断结果不准确。数据实时同步处理单元，首先根据前端调理电路的传递函数，生成一个针对该通道的模拟电路相位校正滤波器，该模拟电路相位校正滤波器具有与模拟调理滤波器互补的特性，可以将群延迟校正为接近线性的曲线。
经过上述初级同步处理后的数据波形根据预定义的配置，将数据分为以下处理方式。
      进行连续10KHz低通线性滤波后，重采样至25.6KHz，该通道数据作为加速度波形进行后处理；
      进行连续2KHz低通线性滤波后，重采样至5.12KHz，该通道数据作为位移波形进行后处理；
      进行连续1KHz低通线性滤波后，重采样至2.56KHz，然后再进入积分电路，由于积分电路是非线性的，因此再积分电路后边再加入一个数字电路的相位校正模块，来抵消不同频率的相位偏差，该通道数据作为速度波形进行后处理。
      应力应变通道进行连续1KHz低通线性滤波后，重采样至2.56KHz；
      流量通道进行连续500Hz低通线性滤波后，重采样至1KHz；
      压力通道进行连续500Hz低通线性滤波后，重采样至1KHz。
本发明涉及的一种多功能实时同步采集物联网网关最多可以配置64路振动传感器和海量的第三方数据接口，因此实时处理单元的运算能力和优化至为关键，本发明中采用多种思路保证网关正常运行。
1)采用TI最新的tms320dm8168芯片，它的内核是ARM A9处理器，采用Davinci结构，具有一个1GHz主频的ARM和一个1GHz的DSP。DSP主要负责完成运算功能，而ARM作为调度单元使用，在DSP正在运算的时候，ARM将下一组数据进行预处理，使整个系统运行在类似于流水线的模式下，可以极大的增加系统运算吞吐率。
2)采用ARM+DDR、FPGA+DDR和ARM+NAND的三缓冲机制。其中ARM+DDR有1GB的缓冲区，FPGA+DDR具有4GB的缓冲区，ARM+NAND具有32GB缓冲区。在整个系统运算能力能够完成实时处理需要的时候，由ARM+DDR完成数据缓冲即可。当快速检测报告异常、通道报警或专家诊断系统自动介入的时候，系统进入了细分析模式，这时系统运算量激增，处理器无法完成海量的运算，这时候除了ARM+DDR缓冲器，FPGA+DDR缓冲器也及时介入避免溢出，在FPGA+DDR缓冲器的可用空间达到报警临界线的时候，ARM+NAND缓冲器介入并接管数据。直到存储的数据逐渐被消化掉，ARM+NAND和FGPA+DDR逐渐退出介入，恢复待机模式。
3)为了避免三个缓冲器同时介入后，数据累积过多而导致无法看到最新的数据，本设计采用了3+1的模式来保证最新的数据波形上传，即每处理3组当前数据，取一组最新的数据进行运算并上传，这样既保证了数据的细分析，又达到了实时观看的需求。