王晴晴，郭 龍，熊偉程

（貴州師范學院數(shù)學與計算機科學學院，貴州 貴陽 550018）

基于WSN的洗煤廠監(jiān)測平臺振動信號采集系統(tǒng)的 設計與實現(xiàn)

王晴晴，郭 龍，熊偉程

（貴州師范學院數(shù)學與計算機科學學院，貴州 貴陽 550018）

通過分析洗煤廠的實際情況，選擇合適的協(xié)議、節(jié)點和傳感器，進而搭建起基于無線傳感器網絡振動信號采集系統(tǒng)，并給出系統(tǒng)設計的軟件流程圖。采用實驗的方式對振動信號采集系統(tǒng)進行測試，測試結果表明該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和實用性。

無線傳感器；節(jié)點；傳感器；振動信號

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

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

（1）自組織功能:無需人工干預，網絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡。

（2）自愈功能:增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍然能正常工作。

因此，本系統(tǒng)選擇ZigBee技術作為振動信號采集和傳輸無線通信技術是最為經濟適用的。

2 系統(tǒng)硬件設計（Hardware Design）

2.1 總體設計

在前面討論基礎上，根據(jù)功能需求，設計出一種無線傳感器網絡的硬件系統(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)結構圖

各組成模塊的功能如下：

傳感器模塊：負責采集和處理傳感器傳來的信號。

CC2430：負責對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理，內部集成了射頻模塊和ADC轉換模塊。同時可以通過JTAG接口，進行在線調試。

電源轉換模塊：提供穩(wěn)定可靠的電壓。

本系統(tǒng)的節(jié)點采用增強型安全外殼，尺寸依據(jù)內CC2430底板及鋰電池大小而設計。內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)點外殼

2.2 振動傳感器的選型與設計

傳感器是獲取物理信息的裝置，是信息分析的信息源。它通過物理的檢測元件對物理信息進行接收檢測，同時并按照一定的規(guī)律將所獲取的物理信息轉換成適合系統(tǒng)識別和分析的另一種信息。在一個監(jiān)測系統(tǒng)的設計中，應該首先對物理信息量進行檢測，然后再去進行分析，因此傳感器在整個系統(tǒng)中有著舉足經重的作用。因此在能夠獲取物理信息量的同時，設計符合監(jiān)測系統(tǒng)的高精度的傳感器是非常有必要的。

研究表明，振動信號中含有豐富的故障信息，通過對其進行時域及其頻域分析，分離出振動信號的主要時域部分、頻域部分，從而得出各種故障。因此振動信號是監(jiān)測量選擇的首要選擇。

機械振動測量的基本原理是根據(jù)振動的振幅大小與引起振動的力成正比的關系來進行的。振動測試與動態(tài)分析包括：振動測量、信號調理、數(shù)據(jù)采集、動態(tài)信號分析、現(xiàn)實記錄等。洗煤廠的設備的振動頻率均在200HZ之下，另外振動信號通常有以下幾個特點：實時性強，精度高，數(shù)據(jù)量大。

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

由于環(huán)境的特殊性，振動傳感器的設計需要考慮到要與待測設備直接接觸，必須滿足軸向方向與待測設備保持一致，連接點牢固不易松動，外殼材料不影響振動數(shù)據(jù)的準確性等。如圖3所示。

表1 ADXL振動傳感器參數(shù)

通過比較MEMS振動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信號的要求。

圖3 振動傳感器

為了考慮到后續(xù)對設備狀態(tài)監(jiān)測的準確性、可靠度，以及為以后故障診斷提供大量的數(shù)據(jù)，我們對振動信號進行采集時，必須選擇正確的測點，才能得到正確的有用的信號，所以在放置振動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。

因為主洗車間的設備以旋轉設備為主，因此我們在每個監(jiān)測設備上放置三個傳感器。分別在靠近轉子的部位，水平、垂直、軸向方向各放置一個傳感器。

2.2 主控制器的選型與設計

處理器模塊是無線傳感器節(jié)點的計算核心，協(xié)調所有的功能、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲程序都是在這個模塊的支持下完成的。因此，在節(jié)點設計中，主控制器的選擇是至關重要的。

傳感器網絡節(jié)點使用的處理器應該滿足如下要求：（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ZigBee射頻前端、微控制器和內存。它使用1個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)內可編程閃存，還包含幾個定時器（Timer）、模擬數(shù)字轉換器（ADC）、看門狗定時器（Watchdog timer）、高加密標準AES128協(xié)同處理器、32kHz晶振的休眠模式定時器、掉電檢測電路（Brown out detection），上電復位電路（Power On Reset）和21個可編程I/O引腳。

3 振動信號采集（Vibration Signal Acquisition）

3.1 振動采集結構圖

振動采集部分結構如圖4所示。傳感器輸出的模擬信號經CC2430片載ADC轉換后轉變?yōu)閿?shù)字量，存入MCU。

圖4 振動采集部分結構

圖5 振動傳感器原理框圖

3.2 X、Y及Z軸頻率響應的設置

MEMS加速度振動傳感器在X、Y及Z軸頻率響應是有規(guī)格限定的。在三個輸出引腳上需要加上電容來構成低通濾波器，這樣即增強了傳感器輸出信號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的關系如下式所示：

F-3dB=1/（2Л（32kΩ）×C（x，y，z））

3.3 A/D轉換

CC2430ADC支持14位模數(shù)轉換，包含多路模擬轉換、8個單獨模數(shù)轉換通道、參考電壓發(fā)生器及使用DMA控制器轉換結果轉存。

ADC轉換主要特性：

（1）可選擇采樣頻率及采樣位數(shù)（8-14）

（2）8個獨立輸入通道，單端信號輸入或差分信號輸入

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

（4）中斷請求

（5）轉換結束時DMA觸發(fā)

（6）片內溫度傳感器輸入

（7）電池電壓測量

P0口的輸入信號可以作為ADC的輸入，即AIN0—AIN7（對應P0.0—P0.7）。ADC可以設置為自動執(zhí)行一個序列轉換，當這個序列完成后，可選地從任何通道執(zhí)行一個額外轉換。

3.4 振動信號采集程序設計

在本系統(tǒng)中，因為洗煤廠的設備的振動頻率均在200Hz以內，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采用頻率必須高于兩倍的設備最大振動頻率。在本課題中，我們選取5-6倍于設備最高頻率，因此選取采樣頻率為1024Hz。所以當振動事件在系統(tǒng)中被觸發(fā)后，主控制器首先配置相關寄存器，然后開始采集數(shù)據(jù)。當每個軸的數(shù)據(jù)量達到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)調節(jié)點。程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試（System Test）

4.1 硬件測試

硬件部分主要進行了傳感器監(jiān)測性能的測試。

用振動傳感器采集頻率為800Hz的振動。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時采集的數(shù)據(jù)部分截圖

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

圖8 800Hz信號時域波形及頻譜圖

4.2 測試總結

本文介紹了一種面向振動信號采集的高性能傳感器節(jié)點的設計方法，著重從傳感、采集、存儲幾方面介紹了相關的硬件設計。通過測試說明，無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測平臺的設計與實現(xiàn)是實用的，可行的，能夠滿足絕大部分振動監(jiān)測應用的需求。在監(jiān)測量的測試中，說明選取振動信號作為監(jiān)測量是可行的，能夠正確采集到洗煤廠的設備振動情況。

[1]童敏明，謝金成，戴新聯(lián)，蔡麗．煤礦監(jiān)測系統(tǒng)無線傳感器網絡的設計[J]．煤礦安全，2007（1）：5-8．

[2]張洪，張杰，蔡磊涵，葉林．基于無線傳感器網絡技術的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)[J]．煤礦安全，2007，38（12）：39-42．

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

[4]蔡巍巍,湯寶平,黃慶卿.面向機械振動信號采集的無線傳感器網絡節(jié)點設計[J].振動與沖擊，2013（1）.

[5]包雪梅,任小洪,王丹,趙月方.基于ZigBee和LabView的數(shù)控機床振動信號分析采集系統(tǒng)設計[J].自動化與儀器儀表,2016（3）.

[6]黃慶卿,湯寶平,鄧蕾,張又進.機械振動無線傳感網絡數(shù)據(jù)分塊無損壓縮方法[J].儀器儀表學報,2015（7）.

[7]黃慶卿,湯寶平,鄧蕾,劉自然.機械振動無線傳感器網絡跨層同步采集方法[J].儀器儀表學報,2014（5）.

[8]湯寶平,黃慶卿,鄧蕾,劉自然.機械設備狀態(tài)監(jiān)測無線傳感器網絡研究進展[J].振動.測試與診斷,2014（1）.

[責任編輯：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

貴州省省級重點支持學科“計算機應用技術”（黔學位合字ZDXK[2016]20號）；貴州省科技平臺及人才團隊專項資金項目（黔科合平臺人才【2016】5609）；貴州省科學技術基金計劃資助項目（黔科合基礎[2016]1115）；2016貴州師范學院教師科研項目（2016YB010）。

王晴晴（1986-），女，江蘇徐州人，碩士，貴州師范學院數(shù)學與計算機科學學院講師，研究方向：無線傳感器網絡。

TP212

A

1674-7798（2016）12-0032-05