基于傳感器采集信息的機電一體化設備狀態檢測研究

王爭

【摘? 要】 文章利用CC2420單片單元作為系統核心構建了基于傳感器信息的一體化狀態檢測系統，并重點從軟硬件的角度探討其設計與實現，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對機電設備的一體化控制方式。同時，通過仿真對比的方式，對包括文章設計系統的有效性及運行參數進行仿真實驗測試，為下一步技術實現與推廣奠定堅實基礎。

【關鍵詞】 傳感器；數據傳輸；狀態檢測；軟硬件

各類傳感器能夠對機械設備的運行狀態進行檢測與監控，如溫度、電流、噪聲等。通過傳感器與上位機的通訊能夠對多維參數進行實時監控，并在建立中央數據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。在實踐中，利用單片機可以實現一體化設備狀態檢測的體系構建，其中硬件選擇與軟件設計是系統能否發揮實效的關鍵。

一、基于傳感器采集的機電設備狀態檢測系統設計

（一）傳感器信息采集檢測系統硬件總體結構

基于設備綜合狀態有效管控的目標，機電一體化狀態檢測系統大致可以分為三個層級：一是數據搜集層，主要為設備自帶檢測單元及外掛傳感器；二是數據傳輸層，主要利用有線或無線方式實現數據的集中與傳輸；三是數據處理層，主要利用上位機的中心處理器對回傳的狀態信息進行綜合分析。機電一體化設備狀態檢測系統的總體結構架構，其中上位機作為數據處理中心，主要功能由內設的軟件系統完成。除上位機之外，總體設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通信芯片作為構建核心，該芯片允許24組差異數據的打包傳輸，為設備數據維度提供更大支持，而雙通道的建設能夠有效地降低數據丟包率，并提高數據的傳輸效能。

（二）傳感器信息采集檢測系統的檢測模塊結構設計

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

由于設備運行中涉及的參數相對較多，在進行系統開發過程中，需要涉及一套“通用型”解決方案，即僅需要根據數據類型更換傳感器，在數據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開發難度，且傳感器設備的通用性明顯增加，適宜作為設備的外掛裝置使用，檢測模塊中的傳感器單元可以隨著檢測指標的變動而進行自由選取。傳輸至下位機的電信號會經過采集板轉換為通用型數據信號。該過程由采集板中整合的RISC的微核心處理器承擔數據解析工作，能夠將電流信號轉變為數字信號，并支持包括USB接口在內的傳輸協議，應用性與互通性更強。

（三）傳感器信息采集檢測系統的無線通信模塊設計

完成數據采集與轉換后，需要通過傳輸協議將設備狀態數據傳輸至上位機進行集中分析。數據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據傳輸方式較為適用。在無線傳輸單元中以CC2420為核心芯片，配合天線實現高質量點對點通信架構，具體結構如圖1所示。

圖1中，RESETn引腳為異步重置；VREG_EN引腳為電壓調節器；FIFOP和FIFO引腳為字節閾值限制器；RF和TXRX引腳為信號輸出單元；其余引腳均為功能引腳，經由數據采集板與傳感器鏈接。該芯片信號傳輸穩定，能耗較低在外接電源與電池電源的條件下均可有效運行，增加了設備布置的靈活性。同時，通過天線布局還可以實現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的軟件設計

在硬件設計的基礎上，需要軟件的配合才能夠實現對數據的有效分析，并保障數據傳輸的準確性。在軟件實現的過程中，信號濾波問題、設備狀態評價問題較為關鍵，是功能實現與質量保障的根本。

（一）通信信號的濾波處理算法的實現

設備的運行環境較為復雜，產生的電磁波之間會存在一定的相互干擾，其中既存在設備運行中產生的電磁噪聲污染，也需要考慮不同頻段無線傳輸信號之間的相互干擾。基于此，在信號傳輸的過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；X（k）為序列；k為序列號。狀態系統運行后，會獲得連續信號曲線，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。該均值作為后續波段的基準，并進行逐層修訂，實現消除脈沖波動，濾波的功能。

（二）設備狀態綜合評價算法的實現

在完成濾波后，需要對獲得的基礎數據進行求解計算，進而得到綜合評價參數指標，對設備的運行狀態進行評估。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的數字信號進行還原并與閾值進行比對便可以獲得相應結論。如電流數據可以通過顯示面板進行直接展示，當電流超出閾值設置時，數據標紅并發出系統警報。對設備運行狀態進行綜合監控與評估是本系統設計的難點，需要通過特征向量矩陣的方式將多維度指標進行有效的無量綱整合，從而限定范圍的固定數值。具體實現中，需要設置傳感器特征合計，即H（a）={a1，a2，a3···ad}，該集合與設備類型及評估方向所適應，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備各個工作狀態穩定與否，需要以傳感器收集的信息作為評估依據。在傳感器系統通信暢通且穩定的情況下，使用特征向量矩陣可以明確反映各個傳感器的信息特征。具體矩陣構建以矢量特征表示傳感器特征 ，假設有M個矢量設備樣本，而M個樣本的狀態個數為P，用矩陣表示為

（公式2）

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

三、機電一體化狀態檢測系統仿真結果分析

研究分別從硬件的設計以及軟件的實現等兩個方面構建了機電一體化狀態檢測系統，為進一步認證該系統的有效性。文章采用仿真的方式在multisim平臺上進行實現，并對其各項參數進行實驗。

（一）實驗環境及數據收集

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

（二）系統有效性分析

為更好地對設備各類運行狀態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、一般負荷和超載等5種工況進行模擬。檢測輸出結果與控制工況一致則認定為有效輸出，如果不一致或未輸出則認定為系統錯誤。同時，為對比系統的比較性優勢，在相同環境下，分別對RFID系統以及機械學習系統進行同等實驗，對比其數據，基于傳感器信息采集的機電一體化狀態檢測系統的系統效率相對較高，且錯誤率較低，適宜于推廣應用。

從橫向對比來看，傳感器檢測系統對不同工作狀態的檢測效率均超過98%，除超負荷狀態外檢測效率在99%以上。顯著高于RFID系統平均74.96%和機械學習系統77.22%的檢測效率。在錯誤率上也表現出類似的規律，一體化狀態檢測系統的平均錯誤率在1%左右，與RFID的5.3和機械學習系統的7.0相比，具有明顯的比較性優勢。

在縱向對比中，機電一體化狀態檢測系統對不同工況的檢出效率與錯誤率存在一定的差異，其中對暫停狀態的檢出率最高，達到了99.7%，對超負荷狀態的檢出效率最低為98.8%。相較而言，針對空機運行狀態與輔助運行狀態的檢測錯誤率相對較高，且在結果分析中可見二者狀態會出現混報情況，需要進行下一步的優化。

四、結語

文章旨在利用傳感器采集作為手段，構建機電一體化設備狀態檢測系統。文章首先對該系統的硬件設計進行分析，在明確總體設計的基礎上，重點對檢測模塊與無線傳輸模塊的設計方式進行說明；其次從軟件的角度對數據集中后的濾波算法進行分析，同時特征向量矩陣的方式構建綜合狀態評價算法，實現分指標與綜合狀態的結果輸出范式；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，認證系統有效性，為實際搭建與推廣奠定基礎。

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