陳明璽，孫玉國，曾愷昀

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

機(jī)電設(shè)備工作時(shí)會產(chǎn)生振動(dòng)，引起其內(nèi)部的機(jī)械性磨損、結(jié)構(gòu)性疲勞，最終導(dǎo)致設(shè)備的結(jié)構(gòu)損傷,縮短使用壽命，更可能出現(xiàn)惡性機(jī)械事故[1-5]。為了準(zhǔn)確監(jiān)測多臺機(jī)電設(shè)備工作時(shí)的振動(dòng)情況，本文設(shè)計(jì)了基于LoRa的多節(jié)點(diǎn)機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

為簡化上傳數(shù)據(jù)量，減小服務(wù)器計(jì)算負(fù)擔(dān)，本文利用物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算技術(shù)，在邊緣設(shè)備中部署對采集數(shù)據(jù)的計(jì)算任務(wù)，減小系統(tǒng)能源消耗，保證實(shí)時(shí)處理能力[6]。利用MEMS加速度計(jì)測量機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)頻率，通過STM32F103微控制器對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提取振動(dòng)加速度大小、阻尼系數(shù)、振動(dòng)頻率及初始相位4項(xiàng)特征參數(shù)。當(dāng)機(jī)電設(shè)備振動(dòng)加速度大于閾值時(shí)，通過LoRa技術(shù)自組網(wǎng)，高效傳輸振動(dòng)特征數(shù)據(jù)[7-8]，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多臺機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測。

1 LoRa振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)LoRa監(jiān)測系統(tǒng)分為3部分：振動(dòng)信息采集處理終端、網(wǎng)關(guān)及振動(dòng)預(yù)警服務(wù)器。加速度計(jì)與機(jī)電設(shè)備粘貼，采集振動(dòng)信息；當(dāng)機(jī)電設(shè)備振動(dòng)加速度大于閾值時(shí),微控制器將加速度大小、阻尼系數(shù)、振動(dòng)頻率及初始相位信息匯總，通過LoRa節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)，將振動(dòng)特征參數(shù)傳至服務(wù)器；在服務(wù)器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼分析，利用數(shù)據(jù)重繪機(jī)電設(shè)備振動(dòng)曲線。

圖1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)LoRa監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)信號是低頻微弱信號，要求檢測振動(dòng)信號的MEMS加速度計(jì)具有較好的低頻特性，并對采集信號時(shí)的靈敏度和分辨率等特性有較高的要求。本文選用ADXL335三軸加速度計(jì)，具有開環(huán)加速度測量架構(gòu)，在X、Y、Z方向上采用單一的機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測各方向上的運(yùn)動(dòng)加速度。因此在每個(gè)加速度測量方向都具備較高的正交特性，且跨軸檢測靈敏度很低，能夠較好地滿足實(shí)驗(yàn)需求。

2 MEMS加速度計(jì)工作原理

機(jī)電設(shè)備工作時(shí)的振動(dòng)頻率與所受加速度的變化頻率相同。MEMS加速度計(jì)既能測量物體傾斜時(shí)的靜態(tài)加速度，也能測量物體在運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)等條件下的動(dòng)態(tài)加速度。在加速度測量系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，包括多晶硅表面微加工傳感器及信號調(diào)理電路。

如圖2所示，多晶硅表面微加工傳感器中的差分電容由獨(dú)立的固定板和可移動(dòng)的連接板構(gòu)成。當(dāng)待測物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，使得某一間隙變大而另一間隙變小，兩個(gè)電容器的電容差值發(fā)生變化。

圖2 差分電容結(jié)構(gòu)圖

傳感器在運(yùn)動(dòng)過程中因間隙變化導(dǎo)致電容變化的差值十分微小，利用電容檢測電路將電容的變化檢測放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。加速度計(jì)的輸出電壓與輸入檢測加速度值呈線性變化，可將測量機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換為測量MEMS加速度計(jì)輸出電壓的變化頻率。

ADXL335加速度計(jì)的輸出電壓U0與測量得到的機(jī)電設(shè)備振動(dòng)加速度a的關(guān)系:

U0=1.65+0.33a

(1)

由式(1)可知，當(dāng)ADXL335加速度計(jì)加速度為0時(shí)，其輸出電壓為1.65 V；當(dāng)僅受重力作用時(shí)，其輸出電壓為1.98 V，輸出電壓靈敏度值為330 mV/g，其測量范圍約為-5g～5g。

3 振動(dòng)特征信號提取與LoRa傳輸

3.1 振動(dòng)特征信號提取

機(jī)電設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生振動(dòng),如圖3所示為微控制器STM32對振動(dòng)信息的分析處理流程。加速度計(jì)檢測機(jī)電設(shè)備振動(dòng)時(shí)加速度變化，其輸出信號為與振動(dòng)變化頻率相同的電壓信號。對該電壓信號通過A/D采樣，利用DMA(直接存儲器訪問)傳輸數(shù)據(jù)，調(diào)用DSP庫中的算法cr4_fft_256_stm32對信號進(jìn)行FFT處理，對頻域信號峰值檢測得到機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)頻率。

圖3 振動(dòng)信號處理流程

進(jìn)行頻率分析時(shí)，利用意法公司官方提供的DSP庫。因?yàn)樘峁┑膸旌瘮?shù)是基4算法，因此只能計(jì)算64、256、1 024個(gè)點(diǎn)的FFT。在本文中，設(shè)置采樣頻率為100 Hz,利用256點(diǎn)的FFT。頻譜分辨率為頻率信號之間的最小距離，即

(2)

式中：fs為采樣頻率；N為采樣點(diǎn)數(shù)。

則在本文中的頻譜分辨率約為0.39 Hz。

機(jī)電設(shè)備在振動(dòng)時(shí)，受到空氣阻尼的影響，是隨時(shí)間變化的衰減振動(dòng)，其振動(dòng)幅度以指數(shù)衰減的形式呈現(xiàn)。減幅系數(shù)為

(3)

式中：Ai、Ai+1為機(jī)電設(shè)備兩個(gè)相鄰的最大振動(dòng)幅度；δ為變化率；ωn為機(jī)電設(shè)備無阻尼固有頻率；Td為振動(dòng)周期。

ωd為有阻尼的固有頻率。當(dāng)ξ很小時(shí)，ωd≈ωn。則ωn·Td=ωd·Td=2π。由式(3)可得阻尼系數(shù)為

(4)

3.2 LoRa數(shù)據(jù)傳輸通信

LoRa無線通信技術(shù)是一種基于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的遠(yuǎn)距離信息傳輸方案。與其他物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相比，LoRa接收靈敏度有較大提高[9]。LoRa無線通信技術(shù)解決了在傳統(tǒng)通信方案中遠(yuǎn)距離傳輸與低功耗之間無法兼顧的矛盾，能夠提供較大容量、遠(yuǎn)距離、低功耗的信息傳輸系統(tǒng)。

網(wǎng)關(guān)與多節(jié)點(diǎn)LoRa采集終端以典型的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)與網(wǎng)關(guān)通信。當(dāng)振動(dòng)加速度大于閾值時(shí)，通過主動(dòng)上報(bào)的方式將振動(dòng)特征數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過IP地址及端口號識別振動(dòng)預(yù)警服務(wù)器，將接收的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)打包上傳。

3.3 振動(dòng)預(yù)警服務(wù)器設(shè)計(jì)

振動(dòng)預(yù)警服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)間利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。服務(wù)器對網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)包的處理流程如圖4所示。服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)建立聯(lián)系后，實(shí)時(shí)接收網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)包。在服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的解析，并將各節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)區(qū)分顯示。通過加速度與位移之間的關(guān)系，得到懸臂梁的振動(dòng)幅度。利用振動(dòng)幅度、阻尼比、振動(dòng)頻率以及初始相位等參數(shù)重繪振動(dòng)曲線。

圖4 服務(wù)器數(shù)據(jù)處理流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5為遠(yuǎn)程監(jiān)測振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡圖。本文通過利用遠(yuǎn)程監(jiān)測懸臂梁的振動(dòng)情況來模擬機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)監(jiān)測。當(dāng)懸臂梁的振動(dòng)幅度超過閾值時(shí)，檢測系統(tǒng)接收到該節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)信息。為驗(yàn)證多終端條件下機(jī)電設(shè)備振動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)采集兩個(gè)不同懸臂梁的振動(dòng)信息。實(shí)驗(yàn)選用懸臂梁具體參數(shù)如表1所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

表1 實(shí)驗(yàn)選用懸臂梁參數(shù)表

根據(jù)歐拉-伯努利相關(guān)理論知識[10]可知，懸臂梁的第一階固有頻率的計(jì)算公式為

(5)

式中：I為懸臂梁截面慣性矩，I=bh3/12；A為懸臂梁的橫截面積；E為懸臂梁的楊氏模量；ρ為懸臂梁的體積質(zhì)量密度；l為懸臂梁的長度；h為懸臂梁的厚度；b為懸臂梁的寬度。

對兩個(gè)懸臂梁施加較大的激勵(lì)信號，使得其振動(dòng)加速度大于閾值(節(jié)點(diǎn)1懸臂梁的振動(dòng)加速度閾值為35 m/s2，節(jié)點(diǎn)2懸臂梁的振動(dòng)加速度閾值為20 m/s2)，由服務(wù)器接收后解碼顯示,能夠?qū)崿F(xiàn)以較小的數(shù)據(jù)量傳遞機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)信息。結(jié)果如圖6所示。

圖6 服務(wù)器測量結(jié)果

根據(jù)測量結(jié)果可知，MEMS加速度計(jì)采集得到的懸臂梁振動(dòng)信號幅度隨時(shí)間的變化而衰減。由表2可知系統(tǒng)測量得到的振動(dòng)頻率與上述理論計(jì)算結(jié)果基本一致，表明該監(jiān)測系統(tǒng)能夠較精準(zhǔn)地監(jiān)測振動(dòng)頻率。通過機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可以成功檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)振動(dòng)超過閾值的情況，并將具體信息及時(shí)上報(bào)。

表2 系統(tǒng)測量與理論計(jì)算結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文利用MEMS加速度計(jì)及微控制器來監(jiān)測機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)頻率，經(jīng)邊緣計(jì)算后，將振動(dòng)加速度超過閾值的結(jié)果通過LoRa節(jié)點(diǎn)上傳至網(wǎng)關(guān)，并設(shè)計(jì)預(yù)警服務(wù)器利用振動(dòng)信息重繪振動(dòng)曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，LoRa節(jié)點(diǎn)上傳的機(jī)電設(shè)備振動(dòng)頻率結(jié)果與相關(guān)理論計(jì)算結(jié)果接近，表明本系統(tǒng)的測試方法是有效的。與傳統(tǒng)的單節(jié)點(diǎn)機(jī)電設(shè)備監(jiān)測方式相比，利用邊緣計(jì)算、LoRa通信等技術(shù)的多節(jié)點(diǎn)測量方式能夠遠(yuǎn)距離監(jiān)測大量的機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)情況，極大提高監(jiān)測效率。