基于LORA技術的無線在線振動監測系統

王明吉，崔青巍，李玉爽

（東北石油大學電子科學學院，黑龍江大慶163318）

隨著科學技術的快速發展和現代工業自動化水平日益提高，現代旋轉機械設備日益大型化、復雜化、自動化、連續化、集成化、智能化，給人們生活帶來了便利。但受現場環境影響、設備老化、操作不當等原因，經常會出現各類機械故障[1]促使了人們對機械設備振動故障監測技術的研究。但是現有較為成熟的機械設備狀態監測系統，大多數采用有線監測技術將振動傳感器采集到的模擬信號通過AD轉換成數字信號被處理器處理和分析。但是這些振動監測系統存在布線復雜、、成本高、其結構和功能比較單一，可維護性差和靈活性差等缺點[2]。因此，設計了基于LORA技術的無線在線振動監測系統，本系統將由信息采集模塊、電源模塊、無線傳輸模塊、上位機、下位機等部分組成。此系統具有功耗低、靈活度高、操作簡單、性價比高、、精度高、存儲數據等優點。對機械振動監測具有重要工程意義和一定的學術價值。

1 系統組成及工作原理

基于LORA技術的無線在線振動監測系統如圖1所示，采用基于ARM Cortex-M3內核的32位單片機STM32F103C8T6作為主控制器。數字輸出加速度傳感器LIS3DH作為振動檢測模塊，檢測旋轉機的振動信號。采用SX1278為核心器件的無線模塊，實現上位機與下位機的數據互傳。上位機服務器需要采集振動數據時發送傳感器的激活命令到下位機。振動傳感器開始進行數據采集，下位機對采集到的振動信號進行處理和分析，通過相位插值法對振動信號的幅值修正，通過相位差法對信號的頻率和相位進行修正，得到準確的加速度數值，對所得的加速度信號積分，得到速度和位移的準確值[13]。在發送模式下，僅在需要發送數據包數據的時候才會啟動射頻模塊，將數據發送到上位機并在上位機界面顯示出來，顯示出準確的加速度、速度、位移等數據，同時會生成表以便工作人員查閱。

圖1 系統組成

1.1 無線模塊

Sx1278收發器主要采用LORA遠程調制解調器，用于長距離擴頻通信，不僅抗干擾能力強，而且功耗低，是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數據傳輸模塊。當SX1278工作在LORA模式時，能獲得超過-148 dBm的高靈敏度，通信距離最遠可達5 km。其電路圖如圖2所示。

1.2 傳感器模塊

文中采用的傳感器模塊是ST公司推出的低功耗、高性能并且內置有限狀態機的三軸高分辨率加速度傳感器，其供應電壓范圍為1.71～3.6 V，有±2 g，±4 g，±8 g，±16 g不同量程范圍，本次選用的傳感器量程為±16 g。

圖2 無線模塊電路

圖3 加速度傳感器電路圖

1.3 電源電路模塊

Xc6206是一款精度高，功耗低，噪音低、電壓穩定，正電壓調整器的芯片，其包括一個電流限制電路、驅動晶體管、精密參考電壓源和一個誤差校正電路。可以用電池供電滿足無線傳輸的基本要求，其電壓范圍為1.2～5 V，間隔為0.1 V如圖4所示為系統的電源電路圖。

圖4 XC6206電源電路原理圖

2 算法原理

相位差校正的基本原理為：對一個信號用相同的采樣率進行連續兩次非周期采樣，且兩次采樣間隔和采樣點數相同，即頻譜分辨率相同。對兩段信號進行FFT變換得到FFT譜，利用兩次譜分析同一位置處的譜線的相位差校正出該譜線處的實際校正值，然后利用其頻率校正量估計出相對準確的相位和幅值[9-12]。

2.1 校正原理

對信號x（t）加對稱窗w（t），其窗函數長度為T（T=N/fs），進行傅立葉變換有：

其中wT（t）=w（t-T/2），由對稱窗w（t）在時域上平移T/2得到根據FFT的奇偶性可得，當w（t）是實偶函數時，其FFT變換的W（f）也為實偶函數，由其時移特性可得：

設有一周期信號x(t)=Acos(2πf0t+θ)，其傅立葉變換為：

其中傅立葉變換后的頻率變量為f，根據卷積定理加窗后的諧波信號x（t）wT（t）的FFT可表示為：

只考慮正頻率部分，所以加窗后的相位為：

頻率修正量為△f=f-f0，由式（5）可以看出相位和頻率修正量在函數主瓣內的線性關系。

由于頻率修正量和譜線修正量△k∈[-0.5，0.5]之間的關系為：

將T=N/fs帶入到式（5）和式（6）可得：

2.2 相位差校正法的實現

采連續兩段原始信號x（t）樣本，每段取相同的點數（N），采樣頻率為fs（滿足采樣定理）。其中第一段序列x0（n）的起點為1，終點為N，第二段序列x1（n）的起點為N+1，終點為2N。分別對兩段序列加漢寧窗，并進行FFT，由于變換后的相頻函數在主瓣內不但具有線性關系，而且斜率相同。

相位校正量為：

所以歸一化的頻率校正量為：

K代表峰值譜線號，分析點數為N。窗函數的頻譜摸函數為f（x），yk為譜線為k時的FFT的幅值。所以幅值的校正公式為：

所以加漢寧窗校正后的幅值為：

2.3 相位差算法仿真分析

用計算機生成信號式（15）的信號，利用MTALAB軟件進行仿真驗證，采樣頻率取fs=1 024 Hz，傅里葉變換譜分析點數N=1 024，則頻率分辨率△f=fs/N=1 Hz，選用漢寧窗，進行仿真研究。

分析仿真結果如表1所示。

表1 加漢寧窗校正前后的對比結果

我們從表中可以得出如下結論：

1）由常規FFT譜得到的各頻率成分的幅值和相位與理論值相差較大，尤其是相位，通過相位差算法，可提高校正精度，使其接近理論值。

2）采用相位差校正方法時，當點數足夠多時，負頻率成分的干涉影響很小，頻率為5.2 Hz的信號校正精度較高。

3 實驗與數據分析

本次設計的無線在線振動監測系統對上位機軟件的實時性要求較高，所以上位機的開發環境采用MicroSoft Visual Studio 2010，利用高級程序設計語言C#設計上位機顯示界面。我們可以從圖中得到加速度（有效值）、速度（峰值）、位移（峰峰值）、轉速等物理量。圖5為無線振動監測系統的顯示界面。

圖5 上位機顯示界面

整個系統完成組裝，并經反復調試后，在標準振動臺上，采用有線振動監測系統，對所研制的無線振動監測系統的有關功能及技術指標進行了多次測試。其中，所選用的ICP傳感器，量程為±8 g，靈敏度為500 mV/g。同時，與本次研制的無線振動監測系統對同一信號進行9次測試，數據列于表2。

表2 加速度數值對比分析表單位/（m/s2）

用有線和無線振動監測系統測出的加速度值分別為a（k）和b（k），可以根據平均誤差公式（16）和均方誤差公式（17）求出其平均誤差RA和均方誤差HM。

根據表格數據，繪制出無線和有線振動監測系統測量的加速度值的對比分析圖，將數據代入到公式（16）和（17）求出 RA=0.028 89，HM=0.000 84，如圖6為加速度值對比分析圖。

圖6 為加速度值對比分析圖

1）從加速度對比分析圖，RA和HM的數值中我們可以得出無線振動監測系統可以準確的測出機械振動的加速度數值。

2）我們從對比分析圖中也可以得出，加速度越大時，兩個系統測出的數值基本一致。

4 結論

文中針對振動信號的監測，結合LORA技術，設計出一種低功耗無線振動監測系統。采用相位差法對振動信號的幅值、頻率、相位進行修正，通過仿真研究，相位差法的校正精度較高，負頻率成分的干涉影響很小，頻率為5.2 Hz的信號校正精度較高。為驗證該系統的準確性，對該系統進行了實驗驗證和誤差分析，實驗結果表明，本系統靈活方便，數據可靠，且精度較高，適用于振動監測。