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(廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510000)

引 言

機械設備在工業(yè)生產領域起著重要作用，隨著設備功能、性能的不斷提高，其結構更為復雜，故障造成的損失也越來越大。早期的設備維護比較簡單，主要靠人工進行巡檢，定時對設備工作情況進行記錄，并制定保養(yǎng)計劃，能夠大大降低事故率。

在故障監(jiān)測技術的推動下，對設備的維護手段從預防性維護過渡到了預知性維護[1]，即對設備進行狀態(tài)監(jiān)測，通過狀態(tài)信息的變化預知設備可能出現(xiàn)的故障，進而進行設備維護，極大地減少了事故概率，降低了維護成本。

傳統(tǒng)的設備監(jiān)測系統(tǒng)采用有線傳輸?shù)姆绞竭M行設備狀態(tài)信息的傳輸，布線復雜、施工維護難度較大。近期廣泛采用的無線傳輸技術能夠有效解決上述問題。由于待監(jiān)測設備在位置上具有分散性，且待監(jiān)測設備不斷增多，監(jiān)測終端的續(xù)航能力以及整個監(jiān)測網絡的通信能力，在設備振動監(jiān)測領域有著重要的研究價值。

本文根據(jù)某單位機械設備運行的實際情況，設計出一種基于MF-TDMA方式的無線振動監(jiān)測網絡，具有網絡規(guī)模大、低功耗、低成本、便于安裝等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)結構如圖1所示。該單位有多個廠區(qū)，每個廠區(qū)具有多臺機械設備，每臺機械設備有多個監(jiān)測點。每個監(jiān)測點需要每隔5分鐘采集一組設備溫度、三軸加速度等信息；每隔30分鐘完成一次數(shù)據(jù)上報，數(shù)據(jù)信息異步匯總到總部計算機上以完成數(shù)據(jù)存儲與分析。

設計無線監(jiān)測網絡分為三級結構，位于總部的信息處理中心為一臺計算機，通過以太網絡收集各路信息進行數(shù)據(jù)分析及異常告警；監(jiān)測網關位于各廠區(qū)地理中心且具備有線網絡連接的空曠位置，以便可靠接收各監(jiān)測終端無線傳輸?shù)男畔ⅲ槐O(jiān)測終端安裝在各機械設備需要監(jiān)測的位置。

圖1 系統(tǒng)結構圖

每個廠區(qū)分別組成獨立的無線網絡，廠區(qū)監(jiān)測網關與信息處理中心能夠通過TCP/IP方式實時通信。監(jiān)測網關具備多個無線傳輸通道，其通道數(shù)可以根據(jù)網絡規(guī)模增刪(至少2個)。如圖1所示，載波f1作為監(jiān)測網關信令傳輸通道，定時廣播本網絡時鐘信息，用于網絡設備時鐘同步(精確到秒級即可)，這是TDMA實現(xiàn)的基礎；同時，各監(jiān)測終端在開機入網時，也使用載波f1通過競爭Aloha方式入網，入網成功后監(jiān)測網關分配頻率與時間資源給該監(jiān)測終端，用于后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測網關在4個上報周期(2小時)內未收到監(jiān)測終端發(fā)來的信息時，認定該監(jiān)測終端已經退網，并進行資源回收。

為防止監(jiān)測終端信息上報過程中在空中發(fā)生碰撞，監(jiān)測網關按照每個接收頻率在每秒僅有一個監(jiān)測終端上報時進行設計。這樣預留足夠的保護間隔，每增加一個接收頻率便可以增加支持1 800個監(jiān)測終端。用戶可根據(jù)網絡規(guī)模的大小設定網關接收頻率的個數(shù)。在頻率定義時需注意合理設置以減少相互干擾產生的影響。

2 網關設計

圖2 網關硬件結構框圖

網關設備硬件結構如圖2所示。采用STM32F107作為核心處理器，該芯片是意法半導體基于ARM Cortex-M3的32位嵌入式處理器，主頻達72 MHz、90 dmps。它具有256 KB閃存程序存儲器、20 KB的數(shù)據(jù)存儲器及64 KB RAM[2]。外圍接口豐富，價格僅與8位單片機相當，性價比極高。

網絡接口芯片采用W5500，該芯片具備高速 SPI 接口、32 KB Tx/Rx緩存、8 路獨立 Socket、10BaseT/100BaseTX 以太網 PHY，支持TCP及UDP傳輸。

無線傳輸模塊采用SI4463無線收發(fā)芯片,支持GFSK/2-FSK/OOK三種調制模式,支持315/433、868/915 MHz多個工作頻段[3]。實際使用時可選用免執(zhí)照頻段[4]，可以根據(jù)網絡容量對該模塊的數(shù)量進行增刪(最低兩個)。

SD卡模塊用于當聯(lián)系不到信息處理中心時，數(shù)據(jù)暫存，當恢復聯(lián)系時再進行數(shù)據(jù)傳送。

按鍵及顯示模塊用于頻點設置、網絡狀態(tài)查詢等，可根據(jù)需要選配。網關設備需要直流電源輸入。

監(jiān)測網關軟件主流程設計如下：

① 啟動μC-OS操作系統(tǒng)；

② 外設初始化；

③ 獲取信息處理中心時間等信息；

④ 建立按鍵及顯示線程；

⑤ 建立數(shù)據(jù)接收線程；

⑥ 建立信息廣播及信令處理線程；

⑦ 所有線程啟動。

下面講述主要關鍵過程。數(shù)據(jù)接收線程主流程如下：

① 置所有數(shù)據(jù)接收通道SI4463為接收狀態(tài);

② 等待收中斷事件發(fā)生，若等待超時跳轉到第6步;

③ 若中斷發(fā)生，判斷是哪一個通道接收中斷;

④ 接收該通道數(shù)據(jù);

⑤ 嘗試把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理中心；若發(fā)送失敗，轉存入SD卡;

⑥ 嘗試把SD卡數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理中心；若傳送成功，清除SD卡內該條數(shù)據(jù);

⑦ 返回到第①步。

建立信息廣播及信令處理線程主流程如下：

① 置廣播通道SI4463為接收狀態(tài)；

② 查詢是否有接收中斷,如無，進入第⑤步；

③ 若有接收中斷，進行信令解析處理；

④ 若是入網信令(或在線列表中不存在該站，需要做入網處理)，計算可用通道，下發(fā)資源分配策略；

⑤ 定時時間到，發(fā)送時鐘信息廣播。

3 終端設計

終端硬件結構如圖3所示。典型的無線傳感器網絡節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源等部分組成[5]。本設計采用STM32L152作為核心處理器，該芯片是一款功能豐富的低功耗芯片[6]，在stop模式下電流實測可以低達100 nA，并且還可以支持16個外部中斷喚醒。采用ADXL345作為振動監(jiān)測傳感器，采用廉價的熱敏電阻電路進行常規(guī)溫度檢測。硬件設計了各模塊的電源管理電路,以滿足低功耗控制要求。

圖3 終端硬件結構框圖

監(jiān)測終端軟件主流程如下：

① 硬件初始化；

② 執(zhí)行入網過程，初始化時間；

③ 外設初始化；

④ 判斷采集數(shù)據(jù)定時時間是否到，若未到跳轉到第⑩步，否則執(zhí)行下一步；

⑤ 采集監(jiān)測數(shù)據(jù)；

⑥ 判斷數(shù)據(jù)上報時間是否到，若未到跳轉到第⑩步，否則執(zhí)行下一步；

⑦ 上報數(shù)據(jù)給網關；

⑧ 若上報數(shù)據(jù)成果跳轉到第⑩步，否則執(zhí)行下一步；

⑨ 存儲未傳送到網關的數(shù)據(jù)到EEPROM；

⑩ 設定下一次喚醒的時間(鬧鐘)；

入網流程設計如下：

① 初始化接收通道號。

② 監(jiān)聽網關發(fā)來的時鐘信息廣播,判斷指定時間內

是否收到時鐘信息廣播。若未收到，切換到下一個接收通道號，繼續(xù)監(jiān)聽。搜索一輪后完成沒有接收到廣播時的休眠指定時間監(jiān)聽過程。

③ 已經接收到時鐘信息廣播，發(fā)送入網申請。

④ 若收到入網信息成功應答，執(zhí)行第⑤步。若未收到入網成功應答，重復發(fā)送入網申請。若超過3次未應答成功，則跳轉到第②步。

⑤ 解析入網應答，得到命令通道號、業(yè)務通道號、時間資源分配等信息。

⑥ 入網流程結束。

結 語

該方法采用MF-TDMA方式實現(xiàn)了廉價低、功耗分布式信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)網絡規(guī)模易于擴充，終端設備形態(tài)小，安裝方便,有效地解決了設備故障監(jiān)測問題，減少人力資源消耗，節(jié)約管理成本。

參考文獻

[1] 徐亮. 基于ZigBee的無線振動監(jiān)測網絡設計與實現(xiàn)[D]. 北京：北京化工大學,2015.

[2] STMicroelectronics Inc. STM32F107XX DataSheet, 2009.

[3] 吳建鋒, 羅小文. 基于SI4463的新型物聯(lián)網組網方式[J]. 電子世界, 2016(5): 137-139.

[4] 王平, 王峰, 嚴冬. 433MHz物聯(lián)網開發(fā)平臺的設計與開發(fā)[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2012(7): 16-19.

[5] 史永彬, 葉湘濱. 基于MSP430的無線傳感器網絡設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2006(7): 5-7.

[6] 肖星. STM32L152和SI4432的無線網絡系統(tǒng)設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2011 (8): 48-51.

賀翔(中級工程師)，主要從事嵌入式系統(tǒng)方案的設計與開發(fā)；謝奕釗(中級工程師)，主要從事嵌入式硬件開發(fā)。