[发明专利]一种基于聚类算法的多通道远程振动信号监示系统及监测方法

权利要求书

1.一种基于聚类算法的多通道远程振动信号监示系统，其特征在于：包括上位机部分和多通道远程振动信号监示仪，其中：

上位机部分用于导入、处理、分析以及显示数据，通过Labview设计GUI界面，并通过内部接口函数调用Python函数采用聚类算法完成样本数据处理；

多通道远程振动信号监示仪包括下位机、GPRS无线传输模块和电源模块，所述下位机包括单片机、数据采集模块和控制显示模块，数据采集模块采集多个振动信号并转换为电信号，经过信号的放大和多通道ADC转换后输入给单片机，单片机对接收到的信号进行分析处理，一方面通过控制显示模块进行显示，另一方面通过GPRS无线传输模块上传至上位机进行处理；电源模块为监示仪供电；

上位机部分包括Labview界面设计部分以及Python数据处理部分，所述Labview界面设计部分主要包括数据接收模块、数据显示模块和数据存储模块，所述数据接收模块利用LabView通信工具中TCPListen函数侦听来自客户端的连接请求，并在指定端口等待GPRS无线传输模块通过TCP连接请求，建立连接后，利用TCP Read函数读取终端传输的数据，将TCPRead函数工作模式设置为standard，即等待直至读取所有指定的字节或“超时毫秒”用完，返回当前已经读取的字节，倘若读取字节数少于设置的固定字节数，则报告错误；所述数据显示模块将获取到的数据经过格式转换，以表格形式显示数据在前面板的可视化界面上；所述数据存储模块通过Write To Spreadsheet File函数，把数据写入电子表格中以供离线处理；

单片机包含控制单元、外部RTC、外部晶振和EEPROM模块；数据采集模块包括多个振动信号传感器、信号调理放大电路和多通道ADC转换模块；外部RTC和外部晶振分别为控制单元提供时钟和频率信号，EEPROM模块与控制单元双向通信；多个振动信号传感器分别采集机械装置的径向振动信号、轴向振动信号和外壳振动信号，并将其分别转换为电信号，然后经过信号调理放大电路对信号进行放大处理，最后通过多通道ADC转换模块输入控制单元；

该监示系统的监测方法为：

(1)下位机部分通过单片机控制数据采集模块内的多个振动信号传感器协同完成多点振动信号数据采集；

(2)下位机部分采集的数据通过GPRS无线传输模块上传至上位机部分；

(3)上位机部分通过内部接口函数调用Python函数采用聚类算法完成样本数据处理，并通过Labview设计GUI界面进行显示；

上位机部分采用聚类算法对样本数据进行处理，具体包括：

系统借助Labview直接调用Python接口函数打开Python控制台，借助Python内置的scikit-learn包内KMeans函数编码聚类算法程序，当接口正常连接，打开Python 控制台后，需要先导入放置在转轴各不同位置的振动传感器部分测得、主控单片机分拣和归类预处理并通过GPRS无线传输模块输入到上位机部分的多点振动信号监测数据集作为样本数据集D，通过用户输入的k值，从D中随机选择k个样本作为初始均值向量，计算数据集中的每个样本数据与均值向量内的各个子向量之间的距离，距离度量函数采用高斯函数计算：d_ij＝||x_j-u_i||₂，1≤i≤k，1≤j≤m，其中，d_ij表示样本数据与均值向量之间的高斯距离，x_j表示待划分的 样本数据，u_i表示经过聚类形成的样本簇，将样本x_j划分到距离最近的簇中，然后重新计算新的均值向量，并判断与之前的均值向量是否一致，若一致则聚类完成，样本数据集被划分成k个簇，若不一致则重复上面的计算步骤，直到均值向量不再变化为止。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚类算法的多通道远程振动信号监示系统，其特征在于：所述振动信号传感器为压电式加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于聚类算法的多通道远程振动信号监示系统，其特征在于：所述控制单元采用ARM处理芯片STM32F103RBT6。

4.根据权利要求1所述的一种基于聚类算法的多通道远程振动信号监示系统，其特征在于：电源模块包括直流电源驱动模块和电压放大模块，所述电压放大模块由直流电源驱动模块供电，根据多个PT1301芯片分别设计放大电路，分别为不同模块提供工作电压。