,
(廣州海格通信集團股份有限公司,廣州 510000)
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。
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。
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。
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。
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)。