王大為+韓建強(qiáng)+薛晨陽(yáng)+穆濟(jì)亮+王永華+張?jiān)鲂?/p>

摘 要： 隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來(lái)越普及，傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)工作能力問(wèn)題日益突出。對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)出一種面向采煤機(jī)械的基于MSP430微控芯片的低功耗在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)低功耗在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集機(jī)械設(shè)備所處環(huán)境中的振動(dòng)和溫度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，進(jìn)行異常報(bào)警。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示和功耗測(cè)試等方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 低功耗系統(tǒng)； 無(wú)線傳感； 狀態(tài)監(jiān)測(cè)； 采煤機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34； X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0163?03

Design of online condition monitoring system for coal?mining machinery

WANG Dawei， HAN Jianqiang， XUE Chenyang， MU Jiliang， WANG Yonghua， ZHANG Zengxing

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： With the wide application popularization of the wireless sensor networks in people′s daily life， the sustainable work capacity issue of the sensor network node becomes increasingly prominent. The power consumption of the wireless sensor network node is analyzed. A low?power consumption online condition monitoring system based on MSP430 for coal?mining machinery was designed. The low?power consumption online condition monitoring system carries out data judgement according to the vibration and temperature information in the environment where the mechanical equipment is working， and gives an alarm for the abnormal condition. The system can satisfy the design requirements in the aspects of data transmission， data display and power consumption， which has been verified in the experiment.

Keywords： low power consumption system； wireless sensing； condition monitoring； coal?mining machinery

煤礦機(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)集機(jī)械、電氣和液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)[1]，在其生產(chǎn)過(guò)程中，工作環(huán)境十分惡劣，易受到煤塵、水霧等其他方面的污染；同時(shí)在其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易受到來(lái)自煤、巖石等的巨大沖擊力，從而導(dǎo)致煤礦機(jī)械出現(xiàn)軸承、液壓系統(tǒng)[2]及機(jī)械系統(tǒng)的故障，體現(xiàn)在異常的溫度和振動(dòng)狀態(tài)變化，且旋轉(zhuǎn)部件損壞極易引發(fā)二次損傷和工傷事故等安全問(wèn)題。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[3]，避免意外停機(jī)及惡性事故的發(fā)生，對(duì)于提高設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、利用率以及降低生產(chǎn)成本具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。旋轉(zhuǎn)類(lèi)重型采煤機(jī)械具有旋轉(zhuǎn)、強(qiáng)振動(dòng)等特點(diǎn)[4]，對(duì)能跟旋的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)微納系統(tǒng)提出更為苛刻的要求，有線電源和信息采集線路由于纏繞問(wèn)題無(wú)法安裝，所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采用獨(dú)立能源供給和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)技術(shù)[5?6]。通過(guò)對(duì)振動(dòng)和溫度信號(hào)[7?8]的監(jiān)測(cè)、分析和處理，可以監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別機(jī)械設(shè)備的故障類(lèi)型、故障來(lái)源，這些信息的監(jiān)測(cè)對(duì)于安全生產(chǎn)是至關(guān)重要的。本文設(shè)計(jì)的基于MSP430單片機(jī)的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]可以在超低功耗的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)[10]，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以利用狹小空間完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由兩大單元組成，一是數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)是監(jiān)測(cè)報(bào)警中心，如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：由溫度監(jiān)測(cè)傳感器和加速度監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，然后將數(shù)據(jù)交由微控制中心（MCU）也就是MSP430單片機(jī)處理，MCU將數(shù)據(jù)打包傳至無(wú)線模塊，然后無(wú)線模塊通過(guò)ZigBee通信協(xié)議上傳至監(jiān)測(cè)報(bào)警中心；上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，上位機(jī)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖形顯示并具有閾值報(bào)警功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集傳輸節(jié)點(diǎn)的控制硬件包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制模塊及無(wú)線發(fā)射模塊，系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖如圖2所示。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)的工作電壓一般為低電壓供電，電壓范圍是1.8～3.6 V。電源電路由兩部分構(gòu)成：振動(dòng)能量采集單元，振動(dòng)能量采集單元利用納米發(fā)電機(jī)將機(jī)械的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成電能為系統(tǒng)供電；ASM1117穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，該單元能夠滿(mǎn)足硬件系統(tǒng)對(duì)供電電源的穩(wěn)壓、紋波小等要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采集電路包含兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的采集，一部分是溫度數(shù)據(jù)采集，另一部分是振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。溫度數(shù)據(jù)采集選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，DS18B20通過(guò)DQ協(xié)議發(fā)送或接收信息，因此在微控制中心和DS18B20之間僅需一條連接線。一條控制指令指示DS18B20完成一次溫度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果存放在暫存器中，用戶(hù)用一條讀取操作指令就可以將暫存器中的數(shù)據(jù)讀出，DS18B20以數(shù)字量的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，避免了A/D轉(zhuǎn)化，簡(jiǎn)單方便，節(jié)約片上資源。振動(dòng)數(shù)據(jù)采集選用ADXL345超低功耗三軸加速度數(shù)字傳感器，ADXL345通過(guò)I2C協(xié)議與微控制中心進(jìn)行通信，該芯片的集成式存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)采用一個(gè)32級(jí)FIFO緩沖器，在讀取數(shù)據(jù)過(guò)程中將主機(jī)處理器負(fù)荷降至最低，進(jìn)而能降低整體功耗。

2.3 中央控制模塊

控制電路主要包括復(fù)位電路部分、晶振部分及微控制中心。復(fù)位電路部分采用上電自復(fù)位電路，根據(jù)MSP430芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)為低電平復(fù)位。晶振部分分為兩套時(shí)鐘機(jī)制，一個(gè)16 MHz的有源晶振和一個(gè)32.768 kHz的石英晶振。中央控制模塊根據(jù)系統(tǒng)的能耗協(xié)調(diào)匹配算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗管理（Dynamic Power Management，DPM）。該功耗管理方法使系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)入活動(dòng)模式和待機(jī)模式。系統(tǒng)活動(dòng)模式消耗的電量約為40～50 mA，在待機(jī)模式下僅為10 μA左右，使系統(tǒng)各個(gè)模塊都運(yùn)行在恰好滿(mǎn)足所需性能要求的功耗模式下，從而在不影響系統(tǒng)性能的前提下大幅降低系統(tǒng)平均功耗，如圖4所示。

2.4 無(wú)線發(fā)射模塊

無(wú)線發(fā)射電路用來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，即與上位機(jī)的通信，采用基于ZigBee協(xié)議的CC2530射頻單元，支持串口通信，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，廣泛應(yīng)用于低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)。MSP430通過(guò)串口向CC2530發(fā)送數(shù)據(jù)，包含接收到的溫度和三軸加速度值，然后CC2530將溫度和加速度的監(jiān)測(cè)值按照通信協(xié)議打包發(fā)送。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)部分是在基于C語(yǔ)言的IAR軟件平臺(tái)上完成編譯和調(diào)試。主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行時(shí)鐘和射頻部分硬件初始化。然后是對(duì)傳感器進(jìn)行初始化，建立微控中心和兩個(gè)傳感器之間的數(shù)據(jù)通道，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至無(wú)線射頻模塊，接著進(jìn)入循環(huán)。在循環(huán)中無(wú)線射頻模塊將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去，當(dāng)循環(huán)結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，等待下次工作的開(kāi)始。

3.2 監(jiān)測(cè)報(bào)警中心程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)用戶(hù)界面的軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶(hù)界面上能夠?qū)崟r(shí)地顯示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)以曲線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)值超過(guò)設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，報(bào)警燈由綠變紅進(jìn)行報(bào)警。還可以進(jìn)行其他操作，如查看數(shù)據(jù)庫(kù)保存的各時(shí)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作；查看生成報(bào)表。程序設(shè)計(jì)包括主界面、用戶(hù)登錄界面、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與警報(bào)等部分，程序主界面如圖6所示。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 功能測(cè)試

功能測(cè)試主要包括傳感器信號(hào)采集，MSP430和CC2530的串行通信，無(wú)線通信測(cè)試和上位機(jī)監(jiān)測(cè)。功能測(cè)試主要在上位機(jī)上進(jìn)行顯示，即可直觀地得到結(jié)果。圖7為一個(gè)實(shí)測(cè)案例：將設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)樣機(jī)放在一個(gè)小型振動(dòng)臺(tái)上，進(jìn)行溫度和加速度的數(shù)據(jù)采集，可以從上位機(jī)界面中直接觀察到振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)情況和環(huán)境實(shí)時(shí)溫度。

4.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)功耗直接決定了系統(tǒng)性能，功耗大小直接影響著系統(tǒng)工作的可持續(xù)能力，為了確定下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的功耗大小，進(jìn)行了對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊的工作狀態(tài)下功耗測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢酝ㄟ^(guò)表中數(shù)據(jù)計(jì)算出在工作模式系統(tǒng)總功耗在171.039 mW以下，進(jìn)而保證系統(tǒng)在完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸功能前提下達(dá)到超低功耗的設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的面向采煤機(jī)械在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)大型機(jī)械對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采用獨(dú)立能源供給和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)的要求，采用了一種動(dòng)態(tài)功耗管理的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集發(fā)送，通信和數(shù)據(jù)傳輸采用的是基于ZigBee通信協(xié)議的無(wú)線傳輸方式，用戶(hù)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)報(bào)警中心的用戶(hù)界面直觀地看出機(jī)械的運(yùn)行狀況，并且當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí)，上位機(jī)可以立刻報(bào)警。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示和功耗測(cè)試等方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該研究成果對(duì)提升煤炭工業(yè)生產(chǎn)效率，降低煤礦機(jī)械安全事故率、提升煤礦重型機(jī)械裝備的智能化改造具有一定的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在低功耗設(shè)計(jì)上該方案仍有進(jìn)一步挖掘的潛力。隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，更加智能環(huán)保的無(wú)線無(wú)源監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將成為測(cè)試領(lǐng)域的主流。

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