凌啟東，宋世林，周征宇

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇徐州，221440）

0 前言

工業(yè)現(xiàn)場中的滾動軸承是制造生產(chǎn)線中的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)意外故障將會對工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重的后果[1]。工業(yè)現(xiàn)場的滾動軸承普遍存在類型多、應(yīng)用環(huán)境復雜等情況，因此，對其運行狀況監(jiān)測及檢測設(shè)備的安裝難度較大，無法對滾動軸承的運行進行可靠診斷及可預測性維護。據(jù)統(tǒng)計，由滾動軸承所誘發(fā)的故障占總故障的30%～40%，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的損失。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化改造的持續(xù)推進，信息通信技術(shù)、電子與電氣技術(shù)、大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，為工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展帶來了新的支撐，對滾動軸承的維護工作也提出了新的要求。

滾動軸承在運行過程中，隨著使用時間、使用環(huán)境、載荷、潤滑液的變化，可能會產(chǎn)生內(nèi)部局部表層金屬脫落、塑性變形、磨料磨損、粘著磨損等問題，由于滾動軸承的封閉性，導致初期問題一般不易察覺，往往發(fā)現(xiàn)時，軸承已發(fā)生嚴重磨損或失效，最終導致軸承不能運轉(zhuǎn)，甚至發(fā)生致命性故障[2]。目前，根據(jù)軸承運行過程中的特征變化，國內(nèi)外對于滾動軸承的監(jiān)測方法主要有振動監(jiān)測、溫度測量、噪聲監(jiān)測、靜電監(jiān)測等。張文遠等選用振動傳感器設(shè)計了嵌入式軸承振動監(jiān)測系統(tǒng)，采集了不同結(jié)構(gòu)的智能軸承振動信號，通過振動信號的幅值有效監(jiān)測軸承的運行狀態(tài)[3]。陳劍等提出一種基于聲信號的滾動軸承故障診斷方法，利用小波包短時能量散布熵特征對聲信號特點進行了提取，采用LVQ 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障進行分類，大幅提升了不同類型故障軸承的診斷效果[4]。劉若晨等人提出了一種滾動軸承靜電多傳感器融合監(jiān)測方法，采用多個靜電傳感器對滾動軸承進行監(jiān)測，通過信息融合技術(shù)對信息進行處理分析，提高了滾動軸承運行狀況監(jiān)測的可靠性[5]。上述方法在研究過程中沒有考慮到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的復雜性，沒有為監(jiān)測數(shù)據(jù)提供可靠且方便的傳輸方式。本文設(shè)計了一種基于LoRa 通信的滾動軸承運行狀況采集器，實時監(jiān)測溫度、振動信號，通過LoRa 通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，可以實現(xiàn)對滾動軸承的運行狀況進行可靠監(jiān)測，保障工業(yè)生產(chǎn)的正常進行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的特殊性，設(shè)計了一種采集基于LoRa 通信的滾動軸承運行狀況采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括微控制器模塊、LoRa 通信電路模塊、溫度傳感器、振動傳感器、模擬信號處理模塊、報警電路模塊和電源模塊。溫度傳感器和振動傳感器用于實時采集滾動軸承的溫度信號和振動信號，經(jīng)模擬信號處理電路處理轉(zhuǎn)換為電壓信號并進行放大，輸入到微控制器的ADC 引腳。微控制器的ADC 轉(zhuǎn)換器對電壓信號進行AD 轉(zhuǎn)換，對接收到的溫度信號和振動信號進行處理與分析，當任意一個信號異常時，將報警信號發(fā)送至報警電路模塊進行提醒。LoRa 通信電路將采集的軸承狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對滾動軸承的運行狀況進行遠程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

2.1 微控制器系統(tǒng)設(shè)計

微控制器選用國產(chǎn)M4 核LoRa SoC 芯片ASR6601CB，內(nèi)部集成了Sub-GHz 射頻收發(fā)器和32 位的RISC MCU，支持I2C、ADC、DAC 等豐富的外設(shè)和接口。ASR6601 芯片最大發(fā)射功率為+22dBm，接收電流為4.6mA，最大的靈敏達到-148 dBm，Deep Sleep 模式下的休眠電流低至1.6μA，可以大大節(jié)省電能消耗。微控制器的最小系統(tǒng)電路如圖2 所示，主要包括時鐘電路、復位電路、電源電路，時鐘電路包括兩個部分XTA、XTB 外接的32MHz 晶振電路和XO32K_IN、XO32K_OUT 外接的32.768kHz 晶振電路，晶體盡可能地靠近芯片管腳，負載電容分別為10pF 和6pF，對無源晶振頻率有微調(diào)作用，32MHz 晶振的引腳2、4 接地，提高抗干擾性；芯片的引腳28 外接按鍵復位電路，電源上電或者按下SW復位按鍵時，芯片復位；ASR6601 的電源引腳有6 個，都采用3.3V 供電，外接2.2μF 和0.1μF電容濾波，濾除低頻和高頻電源噪聲，引腳15 和引腳39 為MCU 的IO 口供電，引腳31 和引腳32 為MCU 的模擬部分供電，引腳7 給射頻部分供電，射頻電路電源引腳2 接3.3 V，經(jīng)過內(nèi)部電路，輸出為引腳1，VR_PA 通過外部的上拉電感給PA 的輸出級RFO 提供偏置。

圖2 微控制器系統(tǒng)電路

外圍模塊與微控制器相連，完成信息的輸入與輸出。引腳33 與處理后的溫度信號連接，引腳34 與處理后的振動信號連接，引 腳33 和34 設(shè) 置 為ADC 模式，對于輸入的電平信號進行AD 轉(zhuǎn)換；ASR6601CB 的引腳46、47 用于接收LoRa信號數(shù)據(jù)，引腳48 用于發(fā)送LoRa 信號數(shù)據(jù)，引 腳16、17、18 連 接報警模塊。

2.2 LoRa 通信電路設(shè)計

LoRa（Long Range Radio）遠距離無線電是一種低功耗局域網(wǎng)無線標準，為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，采用的是擴頻技術(shù)，并通過高擴頻因子，極大地提高了無線通訊的抗干擾能力[6]。即使是用相同的頻率，同時發(fā)送信號到主機上，也不會相互干擾，徹底地解決了無線信號通訊容易被干擾的痛點。 LoRa 解調(diào)信號的信噪比與-20dB，相比調(diào)頻制式調(diào)頻FSK 還高出了30dB，這相當于范圍和距離擴大了很多倍，在低速空曠的條件下可以達到10 公里。LORA 的無線穿透力更強，在20dBm 發(fā)射功率、470MHz無線傳輸頻率下，比傳統(tǒng)的ASK 使用的穿墻能力提高了5倍以上，能很好地適應(yīng)室內(nèi)外環(huán)境。在本設(shè)計中，選用國產(chǎn)芯片ASR6601CB，內(nèi)部集成了LoRa 收發(fā)模塊，芯片的引腳46、47 用于接收LoRa 信號數(shù)據(jù)，引腳48 用于發(fā)送LoRa 信號數(shù)據(jù)。

LoRa 射頻收發(fā)電路如圖3 所示，射頻開關(guān)器為XMSSJR6G0BA-093，其引腳1 通過電容、電感連接微控制器的引腳48，發(fā)射射頻數(shù)據(jù)信息；引腳2 接地，引腳3通過電容、電感連接微控制的引腳47、引腳46，接收射頻數(shù)據(jù)信息；引腳6 連接微控制器的引腳26，用于控制TX 和RX 的切換；引腳4 連接控制器的引腳25，用于在Deepsleep 模式下關(guān)閉LoRa 射頻通信；引腳5 外接天線座，收發(fā)射頻信號。

圖3 LoRa 射頻收發(fā)電路

2.3 模擬信號處理電路

為了便于安裝和適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，振動傳感器和溫度傳感器均選用4～20mA 的工業(yè)型傳感器，電流傳輸信號，減少外界電磁干擾，電流源內(nèi)阻無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米，具有自診斷功能，電流信號正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0mA。

為4～20mA 信號設(shè)計了專用的模擬信號處理電路，如圖4 所示，包括電壓轉(zhuǎn)換跟隨電路、差分調(diào)零電路和電壓放大校正電路，其中， AT 為溫度傳感器的輸入電流信號，AV 為振動傳感器的輸入電流信號，放大器U2A 組成輸入電流電壓轉(zhuǎn)換跟隨電路，電流在AT/AV 端輸入，通過 R3 轉(zhuǎn)換為電壓信號，電容C1 對信號進行濾波，放大器U2A 的引腳2 直接連接到引腳1，U2A 的輸出電壓與輸入電壓相同，隔離了輸入信號，提高了帶載能力。

圖4 模擬信號處理電路

U2C 組成了差分調(diào)零電路，當輸入端電流4mA 時，保證U2C 的輸出端引腳7 輸出0V。 U2B 的輸出電壓V2 與輸入電壓相同，調(diào)節(jié)變阻器PR1 使得U2B 的引腳7 輸出電壓V2 最低為0.4V； R6、R7、R11、R12 阻值相同，U2C 的輸出電壓V3 等于輸入端電壓相差（V1-V2），當AT/AV 輸入端電流4mA 時，U2C 的輸出端引腳7 輸出0V，當AT/AV輸入電流為20mA 時，輸出端引腳7 輸出1.6V，V3 的范圍為[0V,1.6V]。V3 的計算公式如式（1）所示。

U2D 放大器放大輸入電壓，輸出電壓VT/VV 的計算公式為：輸出電壓連接微控制的AD 端，微控制器的輸入電壓最大值為3.3V，調(diào)節(jié)PR2 的電阻值，確保當V3 的電壓為1.6V 時，輸出電壓為3.3V，保證輸出電壓范圍為[0,3.3V]。

2.4 報警模塊設(shè)計

報警電路模塊由繼電器、二層警示燈、蜂鳴器等組成，微控制的IO 引腳與三極管的基極連接，當檢測到軸承狀態(tài)正常時，控制二層警示燈的綠燈亮，當檢測到軸承狀態(tài)異常時，引腳輸出低電平，二層警示燈的紅燈亮，蜂鳴器報警，提醒軸承狀態(tài)異常。

3 系統(tǒng)測試

選用振動傳感器WZPA002、溫度傳感器CYT920AS1，溫度傳感器和振動傳感器通過磁座連接于待測滾動軸承上，輸出工業(yè)用標準的4～20mA 電流，測試機床為測試機床型號為XCMG-IT-CS。實驗過程中，在軸承運行至穩(wěn)定狀態(tài)時，調(diào)整軸承的轉(zhuǎn)速與徑向載荷，圖5 為傳感器與報警燈的安裝，其中①位溫度傳感器，②位振動傳感器，均通過永磁磁鐵吸附在軸承表面，監(jiān)測軸承的振動和溫度信息，③位報警燈，測試機床型號為XCMG-IT-JG。圖6 為測試電路板，其中①為微控制最小系統(tǒng)與接口電路部分，②為LoRa 射頻收發(fā)電路部分，③為4～20mA 信號處理電路，④為報警電路模塊?；贛CGS 開發(fā)了上位機軟件如圖7 所示。

圖5 傳感器與報警燈的安裝

圖6 測試電路板

圖7 上位機溫度、振動信息顯示界面

4 結(jié)論

隨著制造生產(chǎn)線智能化水平的提高，滾動軸承的應(yīng)用越來越廣，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中任何一個滾動軸承發(fā)生故障，都可能導致生產(chǎn)過程的崩潰，推高了制造企業(yè)的成本。針對工業(yè)現(xiàn)場軸承設(shè)計了一種基于LoRa 通信的滾動軸承運行狀況采集器，采用工業(yè)溫度傳感器和振動傳感器實時采集滾動軸承的溫度和振動信息，并將采集的數(shù)據(jù)分別通過模擬信號處理電路進行電壓轉(zhuǎn)換、調(diào)零和放大，轉(zhuǎn)換為微控制器AD 轉(zhuǎn)換器能處理的模擬信號，微控制將采集的信息通過LoRa 通信模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，當監(jiān)測的信號異常時，通過報警模塊提醒現(xiàn)場工作人員。測試顯示，系統(tǒng)可以實時監(jiān)測滾動軸承的運行狀況，保障了工業(yè)生產(chǎn)正常進行。