基于WSN技術的離心泵群監控系統設計

金維鑫，孫 鐵，張素香，孟慶娟

（1．遼寧石油化工大學 遼寧 撫順 113001；2．撫順職業技術學院 遼寧 撫順 113122）

基于WSN技術的離心泵群監控系統設計

金維鑫1，孫 鐵1，張素香1，孟慶娟2

（1．遼寧石油化工大學 遼寧 撫順 113001；2．撫順職業技術學院 遼寧 撫順 113122）

針對傳統的工業智能化監測及自動化水平低等問題，本文采用了基于zigbee的無線傳感網絡節點技術（wireless sensor network，WSN）設計了離心泵群安全監控系統。該系統由上位機、zigbee模塊、溫度傳感器、振動傳感器節點組成。通過溫度、振動傳感器檢測泵的軸溫及振動參數，經由zigbee網絡將該節點的數據打包實時的發送到上位機。所監測到的參數一旦超出上位機所設定的閾值時，系統就會發出異常警報。試驗說明該系統自動化水平高，誤差小，能有效的判斷泵的異常情況，為泵的智能監控提供了一定基礎。

WSN；泵監測；振動；Zigbee

當今社會，隨著物聯網的出現無線傳感網絡將被更廣泛的應用［1-2］。石化生產過程中的安全監測是必不可少的環節，對于生產地域分散，地形復雜，環境惡劣、旋轉機械來說工業現場的檢測一般是通過現場總線方式或工業以太網的方式，但這兩種方式都有連線復雜、布線繁瑣，維護成本高等缺點［3］。為此提出基于Zigbee無線傳感網絡的智能監控系統。Zigbee是一種無線組網通信技術［4］，無線傳感器網絡是一種新型網絡［5］，且其具有低功耗、低成本等特點，Zigbee網絡和無線傳感器相結合組成無線網絡，不僅彌補了有線網絡的缺點和不足，還為工業現場離心泵群的智能監測提供了無線鏈路及靈活的網絡拓撲結構，使數據的自動采集、分析及處理變得更加靈活高效，大大地節省了監測成本，該系統通過對泵振動信號進行分析處理能夠確定故障原因［6］。該系統可以成為泵參數安全監測的重要組成部分。

1　泵監測控制方案

1.1傳輸協議構架

無線傳感器網絡是基于IEEE802．15．4通訊協議的無線傳輸技術［7］，該網絡是在無須注冊的免費的2．4 GHz的頻段上工作的，在2．4 GHz頻率上每隔5 MHz為一個信道，在該頻段上共定義了16個信道。數據傳輸速率為250kbit/s～10Mbit/s，傳輸距離為10～75 m。相對于其他通信標準，Zigbee協議結構更加緊湊，其包括IEEE802．15．4標準定義的物理層（PHY）、媒體介入層（MAC），及Zigbee聯盟定義的網絡層（NWK）和應用層（APP），應用層又包括應用支持子層（APS）、Zigbee設備對象（ZDO）和由制造商制定的應用對象等，而我們對于無線模塊編程主要是在應用層（APP）上進行。

為了防止無線信號傳輸不穩定甚至是傳輸系統崩潰等問題，該無線傳輸終端地址不采用自主隨機分配短地址而是提前分配好地址。

1.2泵智能監測總體設計方案

離心泵群智能監測及控制方案應該遵循Zigbee協議，及安裝簡便等原則，將Zigbee終端節點模塊上的溫度傳感器安裝在泵的轉子軸上測量軸溫，將振動傳感器分別安裝在轉子的徑向，切向及軸向3個方向來測量轉子的振動情況。泵安裝終端節點模塊通過ZigBee協議實現微處理器與協調器節點模塊的信息交互。協調器處理終端傳來數據然后再將數據傳到計算機上進行控制。基本方案流程如圖1所示。

圖1　離心泵群監測方案流程圖Fig．1　Flow chart of the centrifugal pump group monitoring program

2　無線網絡節點硬件設計

無線傳感器節點采用的都是工業級的zigbee節點，無線傳感器節點硬件是以內核作為控制中心，同時由溫度傳感器、振動傳感器、無線通信模塊CC2530、ADC數模轉換器、電池管理單元等組成。

每個無線通信節點都有唯一的通信地址，通過八位撥號開關來進行設置。無線通信模塊的核心是CC2530射頻發射器，它是一款適用于Zigbee產品的無線射頻器件，該收發器兼容IEEE802．15．4，另外還提供MCU和無線設備之間的接口，使得可以發送命令，自動操作，讀取狀態和確定無線設備事件順序。工作在免費的2．4 GHz頻段上，具有工作電壓低，能耗小，穩定性高等優點。

單片機8051是負責處理協調各模塊之間的工作與通信模塊CC2530的串口連接，訪問內部存儲器及寄存器，支持250kbps的數據傳輸率，可實現點對點通信也可以實現廣播通信，可以快速組網。芯片引腳P0．1與數字溫度傳感器DS18B20（防水型）相連，同時芯片引腳P0．2與加速度傳感器ADXL345直接相連，ADXL345加速度傳感器頻率響應范圍是1 Hz～10 kHz，最大測量范圍為100 g。這些參數通過數模轉換器轉傳到中央芯片進行處理打包傳到上位機。

3　軟件設計

3.1下位機設計

本實驗是在IAR Embedded Workbench的環境下對于Zigbee技術進行集成開發的，該開發環境具有簡單明了、結構清晰等特點，是高效的IAR C/C++編譯器。下位機主要有3類無線模塊，包括無線協調器模塊、無線路由器模塊、無線終端模塊。其中無線協調器模塊是無線傳感網絡的核心部分，它是整個網絡的中心，無線協調器模塊負責建立無線網絡，它實現了網絡自組織協議，其他路由模塊可按照協議加入這個網絡當中，并且將其網絡拓撲結構設為網狀結構，網絡中所有的數據都是通過組網然后傳到無線協調器上。無線協調器模塊的廣播也需要進行設置，其主要代碼：

無線協調器模塊在監聽到本地計算機消息的同時還要監聽無線路由模塊的消息，無線路由器模塊一旦接收到數據，就會將數據轉發給無線協調器。由于本設計采用了十二個無線路由模塊，所以協調器模塊在監聽無線路由模塊時還需要進行地址解析，判斷數據從哪個路由模塊傳來的，接收到之后再將數據編碼發送給計算機，這樣無線協調器模塊就實現了數據的雙向流通。對無限監聽模塊的地址解析主要代碼是

無線協調器模塊通過RS232串口與本地上位機連接，本實驗是通過USB轉串口工具連接的，通過USB轉串口傳到上位機上顯示，同時無線協調器模塊還能負責將上位機的命令消息轉發給無線路由模塊。其主要代碼：

無線路由模塊就是整個網絡之間進行數據傳輸的中轉站，負責整個網絡之間的數據連接，這部分的功能主要由ZigBee協議來完成。當無線路由模塊直接與傳感器相連時它就成了無線終端模塊，負責采集數據和發送數據。

3.2上位機界面設計

上位機界面設計是在VC++6．0的環境中進行編譯開發的，通過VC++利用MFC設計而成。上位機的功能主要是顯示泵的軸溫度，振動烈度等參數，同時為用戶提供控件，用戶可使用控件開啟傳輸串口，關閉串口。溫度和振動烈度的監測是自動的，當軸溫度和振動烈度任何一個值超過我所設置的上下限時就會自動報警關閉工作泵。是否自動報警也是用戶通過按鈕控件控制的。具體操作界面及實時數據如圖2所示，數據是否能夠傳輸主要取決于串口正確接收到下位機中協調器的數據，其主要是對波特率以及信號發送格式的設置，其主要代碼如下：

圖2　上位機界面圖Fig．2　Interface chart of the PC

4　實驗結果與數據分析

泵在不同的工況下，離心泵在線監測系統與振動測試儀采集數據對比如表1所示。

表1　數據誤差分析表Tab.1　Analysis of the data error

從表1中的對比誤差分析可以知道，離心泵的在線振動監測系統測試數據與振動測試儀所采集的數據誤差在4%以內，基本滿足工程上的要求。

表2　泵在不同狀態下的數據Tab.2　Data of pump under different status

從表2中可以看出，泵在轉子發生偏心，口環摩擦嚴重時，泵的軸向振動相對于正常情況下的振動無大的變化，徑向的振動較正常狀態下有小幅增加，而切向的振動較正常狀態下有明顯的增加。同時口環摩擦及轉子偏心時溫度增加明顯。本次試驗振動的正常烈度為1．8 mm/s以內，正常溫度不超過60℃，對泵軸3個方向測試數值任何一個超過該閾值或泵軸的溫度超過閾值，就認為離心泵就存在故障，系統就會報警同時關停泵，能夠達到自動控制。

5　結　論

文中的離心泵檢測系統基于無線傳感節點設計，利用IAR和Microsoft Visual C++6．0設計開發監控軟件，系統具有可靠性，穩定性及可移植性，省去了現場布線的麻煩，通過對實驗臺架模擬泵測試分析可知對泵的振動參數及軸溫的監測可以實現泵的異常狀態的鑒別并且給予有效地反饋措施，為泵的無線故障監測提供了有效手段。

［1］鄭凱．基于zigbee無線傳感器技術的心電監護網絡的研究［D］．吉林：吉林大學，2008．

［2］韓賓，黃玉清．基于藍牙的機器人傳感網絡設計［J］．通信技術，2008，41（6）:164-166．

［3］賀才軍，方厚輝，管于球，等．ZigBee技術在工業監控網絡中的應用［J］．計算機系統應用，2010，19（5）:179-182．

［4］Chia-Ming Wu，Ruay-Shiung Chang，et al．An innovative scheme for increasing connectivity and life of ZigBee networks［D］．2011：136-153．

［5］Shizhong Chen，Jinmei Yao，Yuhou Wu．Analysis of the Power Consumption for Wireless Sensor Network Node Based on Zigbee［C］．Procedia Engineering，2012：1994-1998．

［6］馬建倉，劉小龍．航空發動機轉子振動信號的早期故障分析［J］．計算機測量與控制，2010，18（2）:276-279．

［7］凌志浩，周怡颋，鄭麗國．ZigBee無線通信技術及其應用研究［J］．華東理工大學學報:自然科學版，2006，32（7）：801-805．

The design of the centrifugal pump group of monitoring system based on WSN

JIN Wei-xin1，SUN Tie1，ZHANG Su-xiang1，MENG Qing-juan2
（1．Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China；2．Fushun Vocational Technical Institute，Fushun 113122，China）

In view of the traditional industrial intelligent monitoring and low automation level，this paper designs pump group safety monitoring system of wireless sensor network（WSN）based on zigbee technology．zigbee module，temperature sensor，vibration sensor nodes are consisted in the system of PC．By temperature and vibration sensors，pump shaft temperature and vibration parameters is sent to PC through the zigbee network node data real-time packaging．when the parameter detected is out threshold of setting in my PC，the system will send out abnormal alarm．Experiments show that the system has high automation level，small error，the anomalies of the judgment of the pump effectively，providing a basis for intelligent monitoring of the pump．

WSN；pump monitoring；vibration；Zigbee

TN92

A

1674－6236（2016）02-0055-03

2015-03-06稿件編號：201503088

中國石油化工股份有限公司科技公關項目（311084）

金維鑫（1989—），男，遼寧撫順人，碩士。研究方向：石化設備安全研究。