基于WSN的洗煤廠監(jiān)測(cè)平臺(tái)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王晴晴，郭 龍，熊偉程

（貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018）

基于WSN的洗煤廠監(jiān)測(cè)平臺(tái)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王晴晴，郭 龍，熊偉程

（貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018）

通過分析洗煤廠的實(shí)際情況，選擇合適的協(xié)議、節(jié)點(diǎn)和傳感器，進(jìn)而搭建起基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，并給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程圖。采用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

無線傳感器；節(jié)點(diǎn)；傳感器；振動(dòng)信號(hào)

1 通信協(xié)議的選擇（Choose of communication ）

ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低成本的通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集的技術(shù)載體，有重要的意義，它能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集的優(yōu)點(diǎn)，除了低功耗、低成本、大容量、安全等特點(diǎn)外，還具有一些特有的優(yōu)點(diǎn):

（1）自組織功能:無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。

（2）自愈功能:增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍然能正常工作。

因此，本系統(tǒng)選擇ZigBee技術(shù)作為振動(dòng)信號(hào)采集和傳輸無線通信技術(shù)是最為經(jīng)濟(jì)適用的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（Hardware Design）

2.1 總體設(shè)計(jì)

在前面討論基礎(chǔ)上，根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件系統(tǒng)方案。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：

圖1 無線傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

各組成模塊的功能如下：

傳感器模塊：負(fù)責(zé)采集和處理傳感器傳來的信號(hào)。

CC2430：負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，內(nèi)部集成了射頻模塊和ADC轉(zhuǎn)換模塊。同時(shí)可以通過JTAG接口，進(jìn)行在線調(diào)試。

電源轉(zhuǎn)換模塊：提供穩(wěn)定可靠的電壓。

本系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)采用增強(qiáng)型安全外殼，尺寸依據(jù)內(nèi)CC2430底板及鋰電池大小而設(shè)計(jì)。內(nèi)部元件排列整齊緊密。具有外形美觀，耐腐蝕，抗靜電，耐沖擊及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能。殼體和蓋的接合面采用迷宮式凹槽，凹槽部分利用密封防水墊圈填充，殼體和蓋的螺絲安裝部分均采用小型密封膠圈封閉。具有較好的防水、防塵能力。如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)外殼

2.2 振動(dòng)傳感器的選型與設(shè)計(jì)

傳感器是獲取物理信息的裝置，是信息分析的信息源。它通過物理的檢測(cè)元件對(duì)物理信息進(jìn)行接收檢測(cè)，同時(shí)并按照一定的規(guī)律將所獲取的物理信息轉(zhuǎn)換成適合系統(tǒng)識(shí)別和分析的另一種信息。在一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該首先對(duì)物理信息量進(jìn)行檢測(cè)，然后再去進(jìn)行分析，因此傳感器在整個(gè)系統(tǒng)中有著舉足經(jīng)重的作用。因此在能夠獲取物理信息量的同時(shí)，設(shè)計(jì)符合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高精度的傳感器是非常有必要的。

研究表明，振動(dòng)信號(hào)中含有豐富的故障信息，通過對(duì)其進(jìn)行時(shí)域及其頻域分析，分離出振動(dòng)信號(hào)的主要時(shí)域部分、頻域部分，從而得出各種故障。因此振動(dòng)信號(hào)是監(jiān)測(cè)量選擇的首要選擇。

機(jī)械振動(dòng)測(cè)量的基本原理是根據(jù)振動(dòng)的振幅大小與引起振動(dòng)的力成正比的關(guān)系來進(jìn)行的。振動(dòng)測(cè)試與動(dòng)態(tài)分析包括：振動(dòng)測(cè)量、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析、現(xiàn)實(shí)記錄等。洗煤廠的設(shè)備的振動(dòng)頻率均在200HZ之下，另外振動(dòng)信號(hào)通常有以下幾個(gè)特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精度高，數(shù)據(jù)量大。

在本系統(tǒng)中選用的是MEMS振動(dòng)傳感器。該產(chǎn)品采用單晶硅構(gòu)成質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)，差分電容方式檢測(cè)中心質(zhì)量快于固定框架的相對(duì)位移，而該相對(duì)位移與外界輸入加速度具有確定的比例關(guān)系[3]。

由于環(huán)境的特殊性，振動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)需要考慮到要與待測(cè)設(shè)備直接接觸，必須滿足軸向方向與待測(cè)設(shè)備保持一致，連接點(diǎn)牢固不易松動(dòng)，外殼材料不影響振動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等。如圖3所示。

表1 ADXL振動(dòng)傳感器參數(shù)

通過比較MEMS振動(dòng)傳感器的各方面特性，我們發(fā)現(xiàn)，它完全可以符合洗煤廠采集振動(dòng)信號(hào)的要求。

圖3 振動(dòng)傳感器

為了考慮到后續(xù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠度，以及為以后故障診斷提供大量的數(shù)據(jù)，我們對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，必須選擇正確的測(cè)點(diǎn)，才能得到正確的有用的信號(hào)，所以在放置振動(dòng)傳感器必須遵循以下原則：

（1）盡量靠近振源；

（2）盡量在水平、垂直、軸向方向上。

因?yàn)橹飨窜囬g的設(shè)備以旋轉(zhuǎn)設(shè)備為主，因此我們?cè)诿總€(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備上放置三個(gè)傳感器。分別在靠近轉(zhuǎn)子的部位，水平、垂直、軸向方向各放置一個(gè)傳感器。

2.2 主控制器的選型與設(shè)計(jì)

處理器模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，協(xié)調(diào)所有的功能、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序都是在這個(gè)模塊的支持下完成的。因此，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，主控制器的選擇是至關(guān)重要的。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用的處理器應(yīng)該滿足如下要求：（1）外形小。（2）集成度盡量高。（3）低功耗且支持睡眠模式。（4）運(yùn)行速度快。（5）要有足夠的外部通用IO端口和通訊接口。（6）成本低。

綜合上述分析，CC2430是符合這些要求的。因此它進(jìn)入了我們的視線，成為我們選擇的主控制器。

這款芯片整合了整個(gè)ZigBee射頻前端、微控制器和內(nèi)存。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有8KB的RAM，4KBRAM具備在各種供電方式下保存數(shù)據(jù)的能力，128KB系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，還包含幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、看門狗定時(shí)器（Watchdog timer）、高加密標(biāo)準(zhǔn)AES128協(xié)同處理器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、掉電檢測(cè)電路（Brown out detection），上電復(fù)位電路（Power On Reset）和21個(gè)可編程I/O引腳。

3 振動(dòng)信號(hào)采集（Vibration Signal Acquisition）

3.1 振動(dòng)采集結(jié)構(gòu)圖

振動(dòng)采集部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)CC2430片載ADC轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，存入MCU。

圖4 振動(dòng)采集部分結(jié)構(gòu)

圖5 振動(dòng)傳感器原理框圖

3.2 X、Y及Z軸頻率響應(yīng)的設(shè)置

MEMS加速度振動(dòng)傳感器在X、Y及Z軸頻率響應(yīng)是有規(guī)格限定的。在三個(gè)輸出引腳上需要加上電容來構(gòu)成低通濾波器，這樣即增強(qiáng)了傳感器輸出信號(hào)的抗鋸齒及降低噪聲的能力，如圖2-7所示。帶寬F-3dB與電容CX、CY及CZ的關(guān)系如下式所示：

F-3dB=1/（2Л（32kΩ）×C（x，y，z））

3.3 A/D轉(zhuǎn)換

CC2430ADC支持14位模數(shù)轉(zhuǎn)換，包含多路模擬轉(zhuǎn)換、8個(gè)單獨(dú)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、參考電壓發(fā)生器及使用DMA控制器轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)存。

ADC轉(zhuǎn)換主要特性：

（1）可選擇采樣頻率及采樣位數(shù)（8-14）

（2）8個(gè)獨(dú)立輸入通道，單端信號(hào)輸入或差分信號(hào)輸入

（3）可選參考電壓：內(nèi)部單端、外部單端、外部差分及AVDD_SOC（供電電壓）

（4）中斷請(qǐng)求

（5）轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)DMA觸發(fā)

（6）片內(nèi)溫度傳感器輸入

（7）電池電壓測(cè)量

P0口的輸入信號(hào)可以作為ADC的輸入，即AIN0—AIN7（對(duì)應(yīng)P0.0—P0.7）。ADC可以設(shè)置為自動(dòng)執(zhí)行一個(gè)序列轉(zhuǎn)換，當(dāng)這個(gè)序列完成后，可選地從任何通道執(zhí)行一個(gè)額外轉(zhuǎn)換。

3.4 振動(dòng)信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，因?yàn)橄疵簭S的設(shè)備的振動(dòng)頻率均在200Hz以內(nèi)，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采用頻率必須高于兩倍的設(shè)備最大振動(dòng)頻率。在本課題中，我們選取5-6倍于設(shè)備最高頻率，因此選取采樣頻率為1024Hz。所以當(dāng)振動(dòng)事件在系統(tǒng)中被觸發(fā)后，主控制器首先配置相關(guān)寄存器，然后開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)每個(gè)軸的數(shù)據(jù)量達(dá)到1024次后，停止采集，即本次采集完成。并將采集的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送至協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試（System Test）

4.1 硬件測(cè)試

硬件部分主要進(jìn)行了傳感器監(jiān)測(cè)性能的測(cè)試。

用振動(dòng)傳感器采集頻率為800Hz的振動(dòng)。采得的數(shù)據(jù)部分截圖如圖7所示。

圖6 A/D采樣程序流程圖

圖7 800Hz時(shí)采集的數(shù)據(jù)部分截圖

經(jīng)MATLAB軟件分析后的X、Y和Z軸的振動(dòng)情況如圖8（a）、（b）、（c）：

圖8 800Hz信號(hào)時(shí)域波形及頻譜圖

4.2 測(cè)試總結(jié)

本文介紹了一種面向振動(dòng)信號(hào)采集的高性能傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，著重從傳感、采集、存儲(chǔ)幾方面介紹了相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)。通過測(cè)試說明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是實(shí)用的，可行的，能夠滿足絕大部分振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求。在監(jiān)測(cè)量的測(cè)試中，說明選取振動(dòng)信號(hào)作為監(jiān)測(cè)量是可行的，能夠正確采集到洗煤廠的設(shè)備振動(dòng)情況。

[1]童敏明，謝金成，戴新聯(lián)，蔡麗．煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J]．煤礦安全，2007（1）：5-8．

[2]張洪，張杰，蔡磊涵，葉林．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．煤礦安全，2007，38（12）：39-42．

[3]高立慧,趙振剛,張長(zhǎng)勝,李英娜,李川.壓電式加速度傳感器振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016（10）.

[4]蔡巍巍,湯寶平,黃慶卿.面向機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊，2013（1）.

[5]包雪梅,任小洪,王丹,趙月方.基于ZigBee和LabView的數(shù)控機(jī)床振動(dòng)信號(hào)分析采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2016（3）.

[6]黃慶卿,湯寶平,鄧?yán)?張又進(jìn).機(jī)械振動(dòng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分塊無損壓縮方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2015（7）.

[7]黃慶卿,湯寶平,鄧?yán)?劉自然.機(jī)械振動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層同步采集方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2014（5）.

[8]湯寶平,黃慶卿,鄧?yán)?劉自然.機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].振動(dòng).測(cè)試與診斷,2014（1）.

[責(zé)任編輯：黃 梅]

Design and implementation of vibration signal acquisition in coalwashery monitoring platform based on WSN

WANG Qing-qing, GUO Long, XIONG Wei-cheng

（School of Mathematics and Computer Science, Guizhou Education University, Guiyang, Guizhou, 550018）

Firstly, in view of the situation of the coalwashery, appropriate nodes and sensors are chosen, then wireless sensor network route system is set up, and software flow chart of the system design is also presented.By using experimental method, route system is tested, the results of which show that the system has good stability and practicability.

WSN; Node; Vibration sensor; Vibration signal acquisition

2016-09-09

貴州省省級(jí)重點(diǎn)支持學(xué)科“計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)”（黔學(xué)位合字ZDXK[2016]20號(hào)）；貴州省科技平臺(tái)及人才團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（黔科合平臺(tái)人才【2016】5609）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)[2016]1115）；2016貴州師范學(xué)院教師科研項(xiàng)目（2016YB010）。

王晴晴（1986-），女，江蘇徐州人，碩士，貴州師范學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院講師，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

TP212

A

1674-7798（2016）12-0032-05