基于LORA技術(shù)的無線在線振動監(jiān)測系統(tǒng)

王明吉，崔青巍，李玉爽

（東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶163318）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)自動化水平日益提高，現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備日益大型化、復(fù)雜化、自動化、連續(xù)化、集成化、智能化，給人們生活帶來了便利。但受現(xiàn)場環(huán)境影響、設(shè)備老化、操作不當(dāng)?shù)仍颍?jīng)常會出現(xiàn)各類機(jī)械故障[1]促使了人們對機(jī)械設(shè)備振動故障監(jiān)測技術(shù)的研究。但是現(xiàn)有較為成熟的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，大多數(shù)采用有線監(jiān)測技術(shù)將振動傳感器采集到的模擬信號通過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號被處理器處理和分析。但是這些振動監(jiān)測系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、、成本高、其結(jié)構(gòu)和功能比較單一，可維護(hù)性差和靈活性差等缺點(diǎn)[2]。因此，設(shè)計了基于LORA技術(shù)的無線在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)將由信息采集模塊、電源模塊、無線傳輸模塊、上位機(jī)、下位機(jī)等部分組成。此系統(tǒng)具有功耗低、靈活度高、操作簡單、性價比高、、精度高、存儲數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。對機(jī)械振動監(jiān)測具有重要工程意義和一定的學(xué)術(shù)價值。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

基于LORA技術(shù)的無線在線振動監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32F103C8T6作為主控制器。數(shù)字輸出加速度傳感器LIS3DH作為振動檢測模塊，檢測旋轉(zhuǎn)機(jī)的振動信號。采用SX1278為核心器件的無線模塊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)互傳。上位機(jī)服務(wù)器需要采集振動數(shù)據(jù)時發(fā)送傳感器的激活命令到下位機(jī)。振動傳感器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，下位機(jī)對采集到的振動信號進(jìn)行處理和分析，通過相位插值法對振動信號的幅值修正，通過相位差法對信號的頻率和相位進(jìn)行修正，得到準(zhǔn)確的加速度數(shù)值，對所得的加速度信號積分，得到速度和位移的準(zhǔn)確值[13]。在發(fā)送模式下，僅在需要發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的時候才會啟動射頻模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)并在上位機(jī)界面顯示出來，顯示出準(zhǔn)確的加速度、速度、位移等數(shù)據(jù)，同時會生成表以便工作人員查閱。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1 無線模塊

Sx1278收發(fā)器主要采用LORA遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，用于長距離擴(kuò)頻通信，不僅抗干擾能力強(qiáng)，而且功耗低，是一種高度集成低功耗半雙工小功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。當(dāng)SX1278工作在LORA模式時，能獲得超過-148 dBm的高靈敏度，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)5 km。其電路圖如圖2所示。

1.2 傳感器模塊

文中采用的傳感器模塊是ST公司推出的低功耗、高性能并且內(nèi)置有限狀態(tài)機(jī)的三軸高分辨率加速度傳感器，其供應(yīng)電壓范圍為1.71～3.6 V，有±2 g，±4 g，±8 g，±16 g不同量程范圍，本次選用的傳感器量程為±16 g。

圖2 無線模塊電路

圖3 加速度傳感器電路圖

1.3 電源電路模塊

Xc6206是一款精度高，功耗低，噪音低、電壓穩(wěn)定，正電壓調(diào)整器的芯片，其包括一個電流限制電路、驅(qū)動晶體管、精密參考電壓源和一個誤差校正電路。可以用電池供電滿足無線傳輸?shù)幕疽螅潆妷悍秶鸀?.2～5 V，間隔為0.1 V如圖4所示為系統(tǒng)的電源電路圖。

圖4 XC6206電源電路原理圖

2 算法原理

相位差校正的基本原理為：對一個信號用相同的采樣率進(jìn)行連續(xù)兩次非周期采樣，且兩次采樣間隔和采樣點(diǎn)數(shù)相同，即頻譜分辨率相同。對兩段信號進(jìn)行FFT變換得到FFT譜，利用兩次譜分析同一位置處的譜線的相位差校正出該譜線處的實(shí)際校正值，然后利用其頻率校正量估計出相對準(zhǔn)確的相位和幅值[9-12]。

2.1 校正原理

對信號x（t）加對稱窗w（t），其窗函數(shù)長度為T（T=N/fs），進(jìn)行傅立葉變換有：

其中wT（t）=w（t-T/2），由對稱窗w（t）在時域上平移T/2得到根據(jù)FFT的奇偶性可得，當(dāng)w（t）是實(shí)偶函數(shù)時，其FFT變換的W（f）也為實(shí)偶函數(shù)，由其時移特性可得：

設(shè)有一周期信號x(t)=Acos(2πf0t+θ)，其傅立葉變換為：

其中傅立葉變換后的頻率變量為f，根據(jù)卷積定理加窗后的諧波信號x（t）wT（t）的FFT可表示為：

只考慮正頻率部分，所以加窗后的相位為：

頻率修正量為△f=f-f0，由式（5）可以看出相位和頻率修正量在函數(shù)主瓣內(nèi)的線性關(guān)系。

由于頻率修正量和譜線修正量△k∈[-0.5，0.5]之間的關(guān)系為：

將T=N/fs帶入到式（5）和式（6）可得：

2.2 相位差校正法的實(shí)現(xiàn)

采連續(xù)兩段原始信號x（t）樣本，每段取相同的點(diǎn)數(shù)（N），采樣頻率為fs（滿足采樣定理）。其中第一段序列x0（n）的起點(diǎn)為1，終點(diǎn)為N，第二段序列x1（n）的起點(diǎn)為N+1，終點(diǎn)為2N。分別對兩段序列加漢寧窗，并進(jìn)行FFT，由于變換后的相頻函數(shù)在主瓣內(nèi)不但具有線性關(guān)系，而且斜率相同。

相位校正量為：

所以歸一化的頻率校正量為：

K代表峰值譜線號，分析點(diǎn)數(shù)為N。窗函數(shù)的頻譜摸函數(shù)為f（x），yk為譜線為k時的FFT的幅值。所以幅值的校正公式為：

所以加漢寧窗校正后的幅值為：

2.3 相位差算法仿真分析

用計算機(jī)生成信號式（15）的信號，利用MTALAB軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，采樣頻率取fs=1 024 Hz，傅里葉變換譜分析點(diǎn)數(shù)N=1 024，則頻率分辨率△f=fs/N=1 Hz，選用漢寧窗，進(jìn)行仿真研究。

分析仿真結(jié)果如表1所示。

表1 加漢寧窗校正前后的對比結(jié)果

我們從表中可以得出如下結(jié)論：

1）由常規(guī)FFT譜得到的各頻率成分的幅值和相位與理論值相差較大，尤其是相位，通過相位差算法，可提高校正精度，使其接近理論值。

2）采用相位差校正方法時，當(dāng)點(diǎn)數(shù)足夠多時，負(fù)頻率成分的干涉影響很小，頻率為5.2 Hz的信號校正精度較高。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本次設(shè)計的無線在線振動監(jiān)測系統(tǒng)對上位機(jī)軟件的實(shí)時性要求較高，所以上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境采用MicroSoft Visual Studio 2010，利用高級程序設(shè)計語言C#設(shè)計上位機(jī)顯示界面。我們可以從圖中得到加速度（有效值）、速度（峰值）、位移（峰峰值）、轉(zhuǎn)速等物理量。圖5為無線振動監(jiān)測系統(tǒng)的顯示界面。

圖5 上位機(jī)顯示界面

整個系統(tǒng)完成組裝，并經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，在標(biāo)準(zhǔn)振動臺上，采用有線振動監(jiān)測系統(tǒng)，對所研制的無線振動監(jiān)測系統(tǒng)的有關(guān)功能及技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了多次測試。其中，所選用的ICP傳感器，量程為±8 g，靈敏度為500 mV/g。同時，與本次研制的無線振動監(jiān)測系統(tǒng)對同一信號進(jìn)行9次測試，數(shù)據(jù)列于表2。

表2 加速度數(shù)值對比分析表單位/（m/s2）

用有線和無線振動監(jiān)測系統(tǒng)測出的加速度值分別為a（k）和b（k），可以根據(jù)平均誤差公式（16）和均方誤差公式（17）求出其平均誤差RA和均方誤差HM。

根據(jù)表格數(shù)據(jù)，繪制出無線和有線振動監(jiān)測系統(tǒng)測量的加速度值的對比分析圖，將數(shù)據(jù)代入到公式（16）和（17）求出 RA=0.028 89，HM=0.000 84，如圖6為加速度值對比分析圖。

圖6 為加速度值對比分析圖

1）從加速度對比分析圖，RA和HM的數(shù)值中我們可以得出無線振動監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的測出機(jī)械振動的加速度數(shù)值。

2）我們從對比分析圖中也可以得出，加速度越大時，兩個系統(tǒng)測出的數(shù)值基本一致。

4 結(jié)論

文中針對振動信號的監(jiān)測，結(jié)合LORA技術(shù)，設(shè)計出一種低功耗無線振動監(jiān)測系統(tǒng)。采用相位差法對振動信號的幅值、頻率、相位進(jìn)行修正，通過仿真研究，相位差法的校正精度較高，負(fù)頻率成分的干涉影響很小，頻率為5.2 Hz的信號校正精度較高。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和誤差分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)靈活方便，數(shù)據(jù)可靠，且精度較高，適用于振動監(jiān)測。