基于zigbee技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與故障診斷系統(tǒng)研究

薛　偉　司海濤

（山西運(yùn)城學(xué)院，運(yùn)城 044000）

基于zigbee技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與故障診斷系統(tǒng)研究

薛偉司海濤

（山西運(yùn)城學(xué)院，運(yùn)城 044000）

無線通信監(jiān)測(cè)設(shè)備是未來發(fā)展的趨勢(shì)，可以有效克服在線監(jiān)測(cè)的種種局限性，而且能夠適用于高溫高熱、布線困難、危險(xiǎn)、復(fù)雜的環(huán)境中。本文開發(fā)了一個(gè)基于zigbee技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與故障診斷系統(tǒng)，并對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討。

zigbee技術(shù) 狀態(tài)態(tài)監(jiān) 故障診斷

ZigBee是一種無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，具有短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率等特點(diǎn)。它和其他無線技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可以發(fā)揮更廣泛的作用。作為一種高性能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee 技術(shù)具有覆蓋區(qū)域大、監(jiān)測(cè)精度高、部署速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)有線傳輸帶來的一系列問題，尤其適用于高溫高熱、布線困難、危險(xiǎn)、環(huán)境復(fù)雜等的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或特殊場(chǎng)合，實(shí)現(xiàn)在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)的前提下對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[1]。本文開發(fā)了一個(gè)基于zigbee技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件、軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)以及上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)幾個(gè)部分。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線通訊模塊軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的先決條件。它在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采用簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)。下面主要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1　系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于zigbee技術(shù)搭建了一個(gè)適用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)及故障診斷的系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和無線通訊模塊軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件部分主要包括前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和后端的監(jiān)測(cè)及故障診斷中心。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由各類傳感器、傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集、轉(zhuǎn)換、傳輸設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)；監(jiān)測(cè)及故障診斷中心由上位機(jī)應(yīng)用軟件構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、查詢以及設(shè)備的故障分析。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，本文基于zigbee技術(shù)建立如圖1所示的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與故障診斷系統(tǒng)。

圖1　設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與故障診斷系統(tǒng)框圖

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種面向應(yīng)用的、以數(shù)據(jù)為中心的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)用中，由于設(shè)備種類繁多，設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，所以需要設(shè)計(jì)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和規(guī)模也不相同。本文以齒輪箱傳動(dòng)平臺(tái)為研究對(duì)象，利用zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)可以采集和傳輸齒輪箱運(yùn)行參數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)顯示及故障分析預(yù)警等功能的上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷軟件。

1.1傳感器節(jié)點(diǎn)無線模塊設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)無線模塊設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：Zigbee芯片的選擇和節(jié)點(diǎn)無線模塊設(shè)計(jì)。

Zigbee芯片產(chǎn)品種類較多，不同廠家的產(chǎn)品性能也有很大區(qū)別，本文采用CC2530芯片。該芯片采用較為普及的8051單片機(jī)內(nèi)核，開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單，成本優(yōu)勢(shì)顯著，且能夠滿足節(jié)點(diǎn)無線模塊低功耗、微型化的應(yīng)用要求[2]。

無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊主要由各種芯片以及少量外圍電路組成，是整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分，其中少量外圍電路的設(shè)置可以滿足系統(tǒng)的無線通信需求。然而，CC2530芯片的通訊距離是有限的，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分布較廣、數(shù)量較多，因此可以通過增加功放芯片增加通信距離。該方法有利于增加無線網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。另外，CC2530芯片集成靈敏的低噪聲放大器和功率放大器，可以將無線系統(tǒng)信號(hào)的覆蓋范圍顯著擴(kuò)大。

1.2傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)主要涉及3個(gè)方面：傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)傳感器選型以及電源設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的功能主要是采集和傳輸目標(biāo)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器模塊（數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換）、處理器模塊（控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行動(dòng)作、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)）、無線通信模塊（收發(fā)和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無線通信）以及能量供應(yīng)模塊（供應(yīng)模塊運(yùn)行所需要的能量）4個(gè)部分。

傳感器用來檢測(cè)各種物理量，如溫度、濕度、振動(dòng)、電流、壓力等，種類繁多。在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合被測(cè)對(duì)象的特征對(duì)傳感器進(jìn)行選型。本文所需要采集的物理量有溫度、振動(dòng)、電流，因此選用的傳感器為溫度傳感器選型、振動(dòng)傳感器以及霍爾電流傳感器。溫度判斷是設(shè)備是否正常運(yùn)行的重要指標(biāo)。工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)過程中，超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象，所以檢測(cè)溫度信號(hào)對(duì)保證設(shè)備的健康運(yùn)行具有重要的意義。常見的溫度傳感器有熱電偶式、熱敏電阻式以及數(shù)字溫度傳感器。其中，數(shù)字溫度傳感器響應(yīng)速度快，具有較高的靈敏度和更好的線性度，相對(duì)其他溫度傳感器有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，本文選用一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20。檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)是對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷的重要手段，本文選用專門用于分析機(jī)械故障監(jiān)測(cè)的ADIS16220可編程數(shù)字式傳感器。電流是機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況的重要表征，通過對(duì)電流情況的檢測(cè)，從而可在過流、過壓等危害情況啟動(dòng)智能控制保護(hù)。本文采用霍爾電流傳感器對(duì)電流情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該傳感器廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變頻調(diào)速裝置、逆變焊機(jī)、變電站等領(lǐng)域，具有傳感檢測(cè)、傳感采樣、檢測(cè)電流或電壓等多種功能。

電源模塊主要是為CC2530芯片和傳感器模塊供電。在無線數(shù)據(jù)傳輸中，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不宜經(jīng)常更換電池，所以盡可能采用低功耗電源設(shè)計(jì)，以延長(zhǎng)電池壽命。

1.3協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)類似于傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括CC2530核心板、LED顯示模塊、按鍵控制模塊、天線接口模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、串口模塊、JTAG接口調(diào)試模塊。串行接口的功能是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器模塊與上位機(jī)之間的通訊，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)反饋給微處理器。因?yàn)榇薪涌谙牡墓β瘦^大，所以一般只用于協(xié)調(diào)器，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)工作時(shí)間。JTAG接口的一種嵌入式調(diào)試技術(shù)主要是進(jìn)行程序在線調(diào)試，LED顯示通訊啟停狀態(tài)，按鍵控制是為了實(shí)現(xiàn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊及復(fù)位。

圖2　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

2　在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以上是對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊和無線數(shù)據(jù)收發(fā)部分的介紹，下面簡(jiǎn)單介紹在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所選機(jī)床的溫度、電流、振動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)以LabVIEW2011為軟件編程平臺(tái)，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、zigbee通信模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、預(yù)警模塊以及頻譜分析模塊。

在線監(jiān)測(cè)模塊包括主界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及故障預(yù)警3個(gè)部分。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅可以顯示狀態(tài)參數(shù)信號(hào)，同時(shí)可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)信息、采樣頻率、起始時(shí)間以及采樣數(shù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的診斷。LabVIEW軟件提供的“TDMS”文件存儲(chǔ)格式具有極強(qiáng)的高效性。數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，它將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤中，通過調(diào)取和分析數(shù)據(jù)可以判斷設(shè)備發(fā)生故障的位置和類型。故障預(yù)警是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要組成部分，可以在設(shè)備已經(jīng)發(fā)生或者即將發(fā)生狀態(tài)異常時(shí)發(fā)出狀態(tài)報(bào)警，以避免設(shè)備發(fā)生更嚴(yán)重?fù)p害。

故障診斷模塊的功能是檢測(cè)設(shè)備的故障類型和故障的位置。在設(shè)備監(jiān)測(cè)過程中，系統(tǒng)會(huì)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存至文檔，利用相關(guān)程序提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行降噪預(yù)處理，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析。結(jié)合功率譜圖的顯示，進(jìn)而判斷出設(shè)備的具體信息。

3　結(jié)論

以上是對(duì)基于zigbee技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與故障診斷系統(tǒng)的相關(guān)研究，主要對(duì)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及上位機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。該系統(tǒng)具有低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可適用于比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，能夠克服在線監(jiān)測(cè)的一系列問題，實(shí)現(xiàn)在不影響企業(yè)正常生產(chǎn)的前提下對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

[1]胡紹泉.選煤廠設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[2]張超，楊立冬，李建軍.局部均值分解和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的性能對(duì)比研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2012，（3）：38-41.

Research on Equipment Condition Monitoring Data and Fault Diagnosis System Based on ZigBee Technology

XUE Wei, SI Haitao
(Yuncheng University, Yuncheng 044000)

Wireless c ommunication monitoring equipment will be the future trend of development, can effectively overcome the limitations of online monitoring, but also can be applied to high temperature and high fever, wiring difficult, dangerous and complex environment. This paper develops a based on ZigBee technology of equipment condition monitoring data and fault diagnosis system, and the wireless sensor net work system total structure design and online monitoring and fault diagnosis sy stem design are briefly discussed.

ZigBee technology, s tate monitoring, fault diagnosis