基于無線數據傳輸的智能電機監測系統設計*

黃宇新 裴成梅 吳春儒 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

1 系統總體設計

在電機的工作過程中，該裝置利用傳感器對電機重要組件的工況信息(如振動、溫度、濕度)進行采集，由STM32F103C8T6單片機對采集的信息進行處理，并顯示在OLED顯示屏上.將數據與預設的閾值進行比對后，若發現數據異常，聲光報警電路將會及時報警并將信息通過GPRS模塊發送給服務器，最終顯示在用戶終端上.系統結構框圖如圖1所示.

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 主控部分

系統主控部分包含STM32最小系統電路、傳感器采集電路、EEPROM存儲電路等.最小系統電路是用盡可能少的元件組成的STM32單片機可以工作的系統電路；傳感器采集電路包含振動、溫度、濕度3種數據的采集傳感器；EEPROM存儲電路用于存儲系統運行的狀態、系統管理的電機編號和用于報警比對的參數閾值.

2.2 相對濕度采集部分

將濕敏傳感器HS1101LF接到NE555電路構成多諧振蕩器，單片機通過測量輸出矩形波的頻率得到濕敏傳感器輸出電容值，測量電路如圖2所示.輸出頻率與傳感器的輸出電容關系為

圖2 相對濕度測量電路

HS1101LF輸出電容與相對濕度的關系式為

RH(%)=-3.465 6×103X3+1.073 2×

104X2-1.045 7×104X+3.245 9×103

2.3 溫度采集部分

對電機重要組件的溫度測量采用的是負溫度系數熱敏電阻(簡稱NTC)，它具有電阻值隨溫度升高而降低的特性.NTC熱敏電阻具有成本低、體積小、安裝方便、測溫靈敏等特點，使其在工程應用中得到廣泛推廣[2].熱敏電阻可以感知電機組件的溫度物理量變化，將檢測到的多路原始溫度信號經檢測電路處理后轉換為對應電壓值，多路轉換電壓值被STM32內部ADC分別進行模數轉換.經過反復實驗后，最終得到溫度(TEMP)與ADC數據(ADC_Value)關系曲線如圖3所示.

圖3 TEMP-ADC_Value關系曲線

2.4 SIM800C通信模塊部分

通信部分采用的是SIM800C，它是一款四頻GSM/GPRS模塊，可以實現低功耗語音、數據和信息的傳輸，具有尺寸小巧，價格相對較低的特點[3].MCU通過AT命令控制操作，建立TCP連接到遠端服務器，將傳感器采集的數據以及報警信息實時發送到服務器上，用戶便可實現對電機設備的遠程監控.

3 軟件設計

3.1 振動信息處理部分

壓電陶瓷具有重量輕、體積小、成本低等特點，它可以感受電機的輕微晃動并通過壓電材料的正壓電效應將其轉變為電信號[4].由于測量需求為振動強度，因此單片機在采集完一幀數據后，需要尋找一幀數據的最大值，采樣間隔以及一幀數據的總長度由電機原本的振動特性來決定.圖4所示的頻域特性可以得到，幅度最強的頻域點約為370 Hz，最終將數據幀長度選為20 ms，采樣間隔為400 μs，采樣點數為50，振動分析的數據如圖4所示.

圖4 振動分析的中間數據

3.2 數據通信部分

幀格式的規定主要根據代碼編寫的方便而定，對于單片機而言，一幀數據由ID+CODE+NUM+Data_buf組成.數據發送分為5種有效數據：請求初始化設備ID、報警信號發送、請求初始化閾值、發送常規運行狀態、與服務器的同步心跳發送.數據接收分為4種有效數據：初始化設備ID、初始化閾值、常規運行狀態查詢、心跳回復.

4 結束語

為保證有些工作環境惡劣的電機的正常運轉，減小電機過度運行而帶來的損失，由此一款實時監測電機運行狀態的設備就具有十分重要的意義.本系統使“傳統電機”升級為“智能電機”，實物模型如圖5所示.使升級后電機產品關鍵零部件的工況信息能夠被實時監控并具有工況異常智能預警功能，大大降低由于電機突然出現故障造成的損失.

圖5 電機與監測系統的整體連接