王輝俊，劉　佳，劉殿東

(1．華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河北三河　101601；2．國(guó)家儀器儀表元器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，遼寧沈陽　110043)

0　引言

1　Zigbee技術(shù)

Zigbee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，短距離、低速率、低功耗[5]，主要適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)基站，在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信。因此，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信距離經(jīng)擴(kuò)展后可以實(shí)現(xiàn)幾百米，甚至幾公里[6]。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)在制定時(shí)，就專門針對(duì)大網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充性和省電設(shè)計(jì)，已被業(yè)界認(rèn)同為傳感網(wǎng)絡(luò)的基本通信組件，保證了ZIGBEE的獨(dú)特生存空間[7]。Zigbee協(xié)議棧小于32 kB，降低了對(duì)嵌入式處理器的性能和存儲(chǔ)容量的要求，采用通用的AES-128加密算法，確保了保密性。

2　Zigbee振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

Zigbee通信功能的實(shí)現(xiàn)可以采用兩種方案：使用專用芯片CC2530[8]和使用內(nèi)部集成Zigbee功能的通用芯片，如STM32W108。在設(shè)計(jì)中使用第二種方案，即STM32W108。相對(duì)于CC2530，STM32W108芯片為32位微控制器，使用了高代碼密度的Thumb-2指令集，中斷響應(yīng)速度快，功耗非常低，內(nèi)核電壓低至1．8 V，可以選擇睡眠模式、待機(jī)模式等多種低功耗方式，內(nèi)部自帶單周期的硬件乘法器，提高了數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算速度。芯片內(nèi)部還集成了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：1個(gè)12位ADC、2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2S、5個(gè)USART、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、1個(gè)Zigbee[9]。利用STM32W108很容易設(shè)計(jì)出Zigbee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　Zigbee振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

通風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集使用壓電式加速度傳感器HK9101-J，通過鋼螺栓固定在基座上，其共振頻率為28 kHz．信號(hào)調(diào)理電路1主要包括帶通濾波電路、低通濾波電路和積分電路，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，輸出沖擊振動(dòng)信號(hào)、加速度信號(hào)、速度信號(hào)和位移信號(hào)等模擬量。通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸溫度采集使用鉑熱電阻Pt100，通過調(diào)理電路2輸出與溫度成線性關(guān)系的電壓信號(hào)。由于系統(tǒng)采用電池供電，所以還對(duì)電池輸出電壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，當(dāng)電量不足時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示更換電池。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)控制核心采用STM32W108，由于其內(nèi)部集成了6通道12位的ADC，通過配置相應(yīng)的寄存器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述6路模擬量的轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。利用片內(nèi)集成的Zigbee模塊和2．4 GHz PCB天線可以很方便的實(shí)現(xiàn)無線通訊，組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。地址編碼電路采用8位撥碼開關(guān)，可設(shè)置28個(gè)不同的地址。

3　信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

3．1帶通濾波電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)對(duì)通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的沖擊信號(hào)進(jìn)行采集，通過A/D轉(zhuǎn)換和快速FFT算法獲取沖擊振動(dòng)信號(hào)特征頻譜，分析其轉(zhuǎn)子故障狀態(tài)。由于所采用的加速度傳感器HK9101-J的共振頻率為28 kHz，因此設(shè)計(jì)了帶通濾波電路，如圖2所示。帶通濾波器的中心頻率f0為28 kHz，通頻帶為26～30 kHz，通帶內(nèi)起伏不大于3 dB，在不大于15 kHz和不小于38 kHz處衰減不小于20 dB，通帶中心頻率處的電壓增益為5。

圖2　帶通濾波電路

帶通濾波電路由低功耗運(yùn)放MCP604和外圍電阻電容構(gòu)成二階帶通濾波[10]，運(yùn)放為單電源3．3 V低電壓供電。圖2電路的傳遞函數(shù)為：

(1)

式中：Au0為電壓放大倍數(shù)；B為帶寬,B=2πΔf；ω0為角頻率，ω0=2πf0．

卷積層之后接了一個(gè)4096維的全連接層，然后后邊又全連接到一個(gè)7*7*30維的張量上。實(shí)際上這7*7就是劃分的網(wǎng)格數(shù)，現(xiàn)在要在每個(gè)網(wǎng)格上預(yù)測(cè)目標(biāo)兩個(gè)可能的位置以及這個(gè)位置的目標(biāo)置信度和類別，也就是每個(gè)網(wǎng)格預(yù)測(cè)兩個(gè)目標(biāo)，每個(gè)目標(biāo)的信息有4維坐標(biāo)信息（中心點(diǎn)坐標(biāo)與長(zhǎng)寬），1個(gè)是目標(biāo)的置信度，還有類別數(shù)20，總共就是（4+1）*2+20=30維的向量。利用前邊4096維的全圖特征直接在每個(gè)網(wǎng)格上回歸出目標(biāo)檢測(cè)需要的信息（邊框信息加類別），這樣便實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的目標(biāo)檢測(cè)問題。

(2)

(3)

(4)

3．2積分電路設(shè)計(jì)

根據(jù)頻率與加速度、速度和位移關(guān)系的諾莫圖可知，振動(dòng)信號(hào)測(cè)量的精度在低頻時(shí)測(cè)量位移最高，中頻時(shí)測(cè)量速度最高，高頻時(shí)測(cè)量加速度最高。而在設(shè)計(jì)中只使用了一個(gè)加速度傳感器，因此需要通過積分電路把加速度轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣群臀灰菩盘?hào)，電路如圖3所示。

圖3　積分電路

該電路通過C3和R6在積分電路的基礎(chǔ)上設(shè)置了一個(gè)高通濾波器，防止當(dāng)輸入信號(hào)中有直流分量時(shí)輸出飽和，積分電路不能正常工作的現(xiàn)象。電路的傳遞函數(shù)為：

(5)

4　無線發(fā)射電路設(shè)計(jì)

4．12.4GHz天線的設(shè)計(jì)

在無線傳輸系統(tǒng)中，天線的設(shè)計(jì)尤為重要，天線部分的好壞直接影響到通信質(zhì)量的好壞，如果天線設(shè)計(jì)的不好則會(huì)使得收發(fā)都無法正常進(jìn)行。文中采用PCB天線，是一種倒置F型板載內(nèi)置天線[11]，最大增益可達(dá)+3．3 dB，通信距離可以滿足系統(tǒng)要求。圖4是倒F天線的PCB圖，表1為尺寸列表。

4．2天線匹配電路設(shè)計(jì)

由于STM32W108射頻信號(hào)的接收和發(fā)送采用差分方式，而倒F天線為單端口，所以需要BALUN，完成差分到單端口的轉(zhuǎn)換[12]。BALUN電路由電感(L1、L2)和電容(C5、C6、C7、C8)構(gòu)成，如圖5所示。

圖4　倒F天線

表1　倒F天線尺寸mm

圖5　天線匹配電路

5　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理電路輸出的沖擊信號(hào)、加速度信號(hào)、速度信號(hào)和位移信號(hào)、通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸溫度信號(hào)以及電池電壓信號(hào)的采集和ZIGBEE信號(hào)的發(fā)送等，其工作流程如圖6所示。

圖6　節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主程序開始后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)AD模塊和ZIGBEE模塊相應(yīng)寄存器的設(shè)置。然后申請(qǐng)入網(wǎng)，若入網(wǎng)成功則進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待中斷的到來，否則繼續(xù)申請(qǐng)入網(wǎng)。當(dāng)有中斷到來時(shí)，判斷中斷請(qǐng)求來自于板內(nèi)還是板外。若是板內(nèi)中斷，即定時(shí)器中斷則采集6路模擬量，然后發(fā)送數(shù)據(jù)給監(jiān)控主機(jī)。若是板外中斷，即監(jiān)控主機(jī)或其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令，則回復(fù)ACK信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)處理，最后繼續(xù)進(jìn)入到休眠狀態(tài)等待下次中斷到來。

6　結(jié)論

文中采用二階帶通濾波器和積分電路對(duì)振動(dòng)信號(hào)預(yù)處理，得到?jīng)_擊振動(dòng)信號(hào)、加速度、速度和位移信號(hào)，利用STM32W108片內(nèi)集成的12位AD轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，最后通過片內(nèi)ZIGBEE模塊和PCB天線把數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)。該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由于采用ZIGBEE無線通訊技術(shù)，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性，使用低功耗CPU和運(yùn)放，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的便攜化，具有較高性價(jià)比。

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