王爭

【摘? 要】 文章利用CC2420單片單元作為系統(tǒng)核心構(gòu)建了基于傳感器信息的一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)，并重點從軟硬件的角度探討其設(shè)計與實現(xiàn)，分析在上位機存在的情況下，通過傳輸與整合傳感器信息的方式實現(xiàn)對機電設(shè)備的一體化控制方式。同時，通過仿真對比的方式，對包括文章設(shè)計系統(tǒng)的有效性及運行參數(shù)進行仿真實驗測試，為下一步技術(shù)實現(xiàn)與推廣奠定堅實基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 傳感器；數(shù)據(jù)傳輸；狀態(tài)檢測；軟硬件

各類傳感器能夠?qū)C械設(shè)備的運行狀態(tài)進行檢測與監(jiān)控，如溫度、電流、噪聲等。通過傳感器與上位機的通訊能夠?qū)Χ嗑S參數(shù)進行實時監(jiān)控，并在建立中央數(shù)據(jù)分析的方式形成一體化體系，為自動化控制及可視化操控提供重要基礎(chǔ)。在實踐中，利用單片機可以實現(xiàn)一體化設(shè)備狀態(tài)檢測的體系構(gòu)建，其中硬件選擇與軟件設(shè)計是系統(tǒng)能否發(fā)揮實效的關(guān)鍵。

一、基于傳感器采集的機電設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計

（一）傳感器信息采集檢測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

基于設(shè)備綜合狀態(tài)有效管控的目標(biāo)，機電一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)大致可以分為三個層級：一是數(shù)據(jù)搜集層，主要為設(shè)備自帶檢測單元及外掛傳感器；二是數(shù)據(jù)傳輸層，主要利用有線或無線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中與傳輸；三是數(shù)據(jù)處理層，主要利用上位機的中心處理器對回傳的狀態(tài)信息進行綜合分析。機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)架構(gòu)，其中上位機作為數(shù)據(jù)處理中心，主要功能由內(nèi)設(shè)的軟件系統(tǒng)完成。除上位機之外，總體設(shè)計中大致可以分為兩個部分，即檢測單元與傳輸單元。檢測單元根據(jù)檢測項目的不同配置單獨的檢測模塊。檢測單元一般包括了傳感器、控制器和電源三個部分，不同傳感器和檢測功能具有一定的差異，控制模塊與電源管理也存在一定的不同。在傳輸單元中則以雙通道無線通信為主要手段，利用CC2420通信芯片作為構(gòu)建核心，該芯片允許24組差異數(shù)據(jù)的打包傳輸，為設(shè)備數(shù)據(jù)維度提供更大支持，而雙通道的建設(shè)能夠有效地降低數(shù)據(jù)丟包率，并提高數(shù)據(jù)的傳輸效能。

（二）傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的檢測模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

除軟件之外，數(shù)據(jù)檢測與數(shù)據(jù)傳輸是機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的核心關(guān)鍵。在數(shù)據(jù)檢測模塊的構(gòu)建中，按照需要數(shù)據(jù)的類型差異，針對不同傳感器類型為核心進行構(gòu)建。如針對設(shè)備電流設(shè)備信號的收集可以采用智能電表的方式串聯(lián)至設(shè)備電源總線，針對設(shè)備運行溫度的信號收集則可以采用設(shè)備自身整合的紅外線核心點位溫度監(jiān)控傳感器來予以完成等。

由于設(shè)備運行中涉及的參數(shù)相對較多，在進行系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要涉及一套“通用型”解決方案，即僅需要根據(jù)數(shù)據(jù)類型更換傳感器，在數(shù)據(jù)處理與傳輸中則采用相同的通道來進行。此種方式能夠降低系統(tǒng)開發(fā)難度，且傳感器設(shè)備的通用性明顯增加，適宜作為設(shè)備的外掛裝置使用，檢測模塊中的傳感器單元可以隨著檢測指標(biāo)的變動而進行自由選取。傳輸至下位機的電信號會經(jīng)過采集板轉(zhuǎn)換為通用型數(shù)據(jù)信號。該過程由采集板中整合的RISC的微核心處理器承擔(dān)數(shù)據(jù)解析工作，能夠?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并支持包括USB接口在內(nèi)的傳輸協(xié)議，應(yīng)用性與互通性更強。

（三）傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的無線通信模塊設(shè)計

完成數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換后，需要通過傳輸協(xié)議將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行集中分析。數(shù)據(jù)傳輸包括了有線傳輸與無線傳輸兩種方式，前者布線困難且需要多臺信號中繼器予以分層上傳，與上位機溝通效率相對較低。基于此，采用無線傳輸方式作為數(shù)據(jù)傳輸方式較為適用。在無線傳輸單元中以CC2420為核心芯片，配合天線實現(xiàn)高質(zhì)量點對點通信架構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，RESETn引腳為異步重置；VREG_EN引腳為電壓調(diào)節(jié)器；FIFOP和FIFO引腳為字節(jié)閾值限制器；RF和TXRX引腳為信號輸出單元；其余引腳均為功能引腳，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集板與傳感器鏈接。該芯片信號傳輸穩(wěn)定，能耗較低在外接電源與電池電源的條件下均可有效運行，增加了設(shè)備布置的靈活性。同時，通過天線布局還可以實現(xiàn)360度的無差別信號傳輸，增加與上位機通信的可靠性。

二、基于傳感器信息采集檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，需要軟件的配合才能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效分析，并保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在軟件實現(xiàn)的過程中，信號濾波問題、設(shè)備狀態(tài)評價問題較為關(guān)鍵，是功能實現(xiàn)與質(zhì)量保障的根本。

（一）通信信號的濾波處理算法的實現(xiàn)

設(shè)備的運行環(huán)境較為復(fù)雜，產(chǎn)生的電磁波之間會存在一定的相互干擾，其中既存在設(shè)備運行中產(chǎn)生的電磁噪聲污染，也需要考慮不同頻段無線傳輸信號之間的相互干擾?；诖?，在信號傳輸?shù)倪^程中利用濾波算法對信號進行加工與修訂十分必要。實踐中，多采用脈沖滑動濾波方程計算其均值，并對信號進行修訂，該方程如下所示：

Y=? X（k）? （公式1）

公式1中：Y為想要獲取的平均值；N為信號個數(shù)；X（k）為序列；k為序列號。狀態(tài)系統(tǒng)運行后，會獲得連續(xù)信號曲線，按照微分原則將其分為n個相等的信號波段，對每個信號波段進行標(biāo)記編碼，記作k，其中k的最小值為3，最大值為N。利用公式1對全部（1到N-1）的序列進行求和后獲得均值。該均值作為后續(xù)波段的基準(zhǔn)，并進行逐層修訂，實現(xiàn)消除脈沖波動，濾波的功能。

（二）設(shè)備狀態(tài)綜合評價算法的實現(xiàn)

在完成濾波后，需要對獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行求解計算，進而得到綜合評價參數(shù)指標(biāo)，對設(shè)備的運行狀態(tài)進行評估。在實際操作中，包括了單項評估與綜合評估兩類。其中單項評估的分析與輸出方式較為簡單，僅需要將傳感器傳輸?shù)臄?shù)字信號進行還原并與閾值進行比對便可以獲得相應(yīng)結(jié)論。如電流數(shù)據(jù)可以通過顯示面板進行直接展示，當(dāng)電流超出閾值設(shè)置時，數(shù)據(jù)標(biāo)紅并發(fā)出系統(tǒng)警報。對設(shè)備運行狀態(tài)進行綜合監(jiān)控與評估是本系統(tǒng)設(shè)計的難點，需要通過特征向量矩陣的方式將多維度指標(biāo)進行有效的無量綱整合，從而限定范圍的固定數(shù)值。具體實現(xiàn)中，需要設(shè)置傳感器特征合計，即H（a）={a1，a2，a3···ad}，該集合與設(shè)備類型及評估方向所適應(yīng)，多個特征集合共同組成了評估矩陣，具體如公式2所示：

若想判斷機電一體化設(shè)備各個工作狀態(tài)穩(wěn)定與否，需要以傳感器收集的信息作為評估依據(jù)。在傳感器系統(tǒng)通信暢通且穩(wěn)定的情況下，使用特征向量矩陣可以明確反映各個傳感器的信息特征。具體矩陣構(gòu)建以矢量特征表示傳感器特征 ，假設(shè)有M個矢量設(shè)備樣本，而M個樣本的狀態(tài)個數(shù)為P，用矩陣表示為

（公式2）

公式2表示該設(shè)備涉及M個樣本狀態(tài)，每個樣本狀態(tài)中存在p個特征集合。其中， 為狀態(tài)模板矩陣；a為傳感器指標(biāo)，角標(biāo)用于區(qū)別傳感器和指標(biāo)參數(shù)；L為傳感器穩(wěn)定特征值；O為穩(wěn)定期望；v為傳感器穩(wěn)定性矢量結(jié)果；M為全部傳感器系統(tǒng)的矢量累加。在構(gòu)建公式2的向量矩陣后，利用公式3對矩陣進行求解，進而獲得設(shè)備綜合評價的單一得分，再通過經(jīng)驗對比的方式輸出評估結(jié)果。

三、機電一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

研究分別從硬件的設(shè)計以及軟件的實現(xiàn)等兩個方面構(gòu)建了機電一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)，為進一步認(rèn)證該系統(tǒng)的有效性。文章采用仿真的方式在multisim平臺上進行實現(xiàn)，并對其各項參數(shù)進行實驗。

（一）實驗環(huán)境及數(shù)據(jù)收集

利用multisim平臺對機電一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)進行了搭建，并以生產(chǎn)中常見的電機設(shè)備作為采集對象。實驗環(huán)境中構(gòu)建了9組電機設(shè)備，按“田”字進行擺放，分別分為環(huán)境干擾組、信號干擾組、實驗組等三個組別，每組3臺設(shè)備。其中環(huán)境干擾組不接入檢測系統(tǒng)，作為運行電磁的環(huán)境噪聲而存在；信號干擾組接入檢測系統(tǒng)，但不對其數(shù)據(jù)進行收集，作為無線信號傳輸干擾而存在；實驗組接入檢測系統(tǒng)，且對其運行狀態(tài)進行檢測。檢測頻次為500ms/次，持續(xù)時間為1h，累計獲取各類傳感器數(shù)據(jù)7200組。

（二）系統(tǒng)有效性分析

為更好地對設(shè)備各類運行狀態(tài)的檢測有效性進行評估，仿真實驗中采用人工控制的方式分別對暫停、空機、輔助、一般負(fù)荷和超載等5種工況進行模擬。檢測輸出結(jié)果與控制工況一致則認(rèn)定為有效輸出，如果不一致或未輸出則認(rèn)定為系統(tǒng)錯誤。同時，為對比系統(tǒng)的比較性優(yōu)勢，在相同環(huán)境下，分別對RFID系統(tǒng)以及機械學(xué)習(xí)系統(tǒng)進行同等實驗，對比其數(shù)據(jù)，基于傳感器信息采集的機電一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)效率相對較高，且錯誤率較低，適宜于推廣應(yīng)用。

從橫向?qū)Ρ葋砜矗瑐鞲衅鳈z測系統(tǒng)對不同工作狀態(tài)的檢測效率均超過98%，除超負(fù)荷狀態(tài)外檢測效率在99%以上。顯著高于RFID系統(tǒng)平均74.96%和機械學(xué)習(xí)系統(tǒng)77.22%的檢測效率。在錯誤率上也表現(xiàn)出類似的規(guī)律，一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)的平均錯誤率在1%左右，與RFID的5.3和機械學(xué)習(xí)系統(tǒng)的7.0相比，具有明顯的比較性優(yōu)勢。

在縱向?qū)Ρ戎校瑱C電一體化狀態(tài)檢測系統(tǒng)對不同工況的檢出效率與錯誤率存在一定的差異，其中對暫停狀態(tài)的檢出率最高，達到了99.7%，對超負(fù)荷狀態(tài)的檢出效率最低為98.8%。相較而言，針對空機運行狀態(tài)與輔助運行狀態(tài)的檢測錯誤率相對較高，且在結(jié)果分析中可見二者狀態(tài)會出現(xiàn)混報情況，需要進行下一步的優(yōu)化。

四、結(jié)語

文章旨在利用傳感器采集作為手段，構(gòu)建機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)。文章首先對該系統(tǒng)的硬件設(shè)計進行分析，在明確總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，重點對檢測模塊與無線傳輸模塊的設(shè)計方式進行說明；其次從軟件的角度對數(shù)據(jù)集中后的濾波算法進行分析，同時特征向量矩陣的方式構(gòu)建綜合狀態(tài)評價算法，實現(xiàn)分指標(biāo)與綜合狀態(tài)的結(jié)果輸出范式；最后利用仿真平臺對多工況情況下的實際檢測效率進行分析，認(rèn)證系統(tǒng)有效性，為實際搭建與推廣奠定基礎(chǔ)。

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