基于傳感器信息采集檢測系統的機電一體化設備狀態檢測研究

李相波

（山東黃金礦業（沂南）有限公司，山東 沂南 276300）

1 基于傳感器信息采集檢測系統的硬件結構

將傳統的機械技術和現代電子技術相融合，會使機電一體化設備變得復雜，因此對整個設備各個部件狀態信息的獲取變得尤為重要。例如，射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）檢測系統檢測速度快且不需要配置外接線路，能夠做到便攜式設備隨時檢測，但是易受到設備現場電磁干擾的影響出現錯誤判斷。因此，文章提出一種以CC2420 元件為核心的新式傳感器檢測系統，從硬件設備和軟件系統2 個方面展開論述。

1.1 傳感器信息采集檢測系統硬件總體結構

傳感器信息采集檢測系統中，檢測模塊和無線通信模塊是系統的核心。機電一體化傳感器信息采集檢測系統硬件結構，如圖1 所示。

圖1 傳感器信息采集檢測系統硬件結構

1.2 傳感器信息采集檢測系統的檢測模塊結構設計與工作流程

檢測模塊的設計需要借用運動傳感、智能傳感器和系統提供的電力基礎（電壓或者電流）設備收集機電一體化設備的信息，包含機電一體化設備某子節點的狀態運轉是否正常、子節點是待機狀態還是一般負荷運轉或超負荷運轉等。檢測模塊的感應系統以運動傳感器和電力基礎傳感器為主要感應手段，以智能傳感器為輔助感應手段，通過電力因素的變化進一步判斷機電一體化設備子節點的狀態變化。由圖1 可以看出，檢測模塊各個傳感器可以和控制模塊的主芯片形成多對一的映射，每個傳感器檢測到的信息都可以即時發送給控制模塊進行判斷。為了更加有效地進行檢測工作，硬件設計選擇嵌入式系統上位機和下位機結構來優化系統，如圖2 所示[1]。

圖2 檢測模塊系統結構

需要說明的是，上位機內部主要以先進的RISC微處理器（Advanced RISC Machines，ARM）為信息處理主要設備，下位機主要以數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）設備為工作信息處理設備。通過圖2 可以清晰看出檢測模塊、控制模塊是如何完成信息傳遞工作的。首先，電流傳感器、運動傳感器等收集機電一體化設備子節點的判斷信息或變化信息，然后將信息傳遞給下位機。下位機可以提供無線接口和人機互動設備，將信息預處理后轉變為機電一體化子節點的設備狀態信息。上位機類似傳統計算機系統中的“中央處理器”，主要負責匯總分析各個子節點設備通過傳感器傳遞的模擬信號和數字信號。上位機和下位機通過控制模塊提供的通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口實現信息傳遞[2]。

1.3 傳感器信息采集檢測系統的無線通信模塊結構與分析

無線通信模塊的系統結構如圖3 所示。通過圖3可以明顯看出，整體結構的右側即為CC2420 元件，是通信頻率發射及接收設備的主體。整體結構的左側為天線部分。以CC2420 為主體結構的無線通信模塊能實現精準多-多映射式匹配組網，為機電一體化設備傳感器子結構所在的檢測模塊和上位機互相聯系構建基礎。CC2420 元件中的調制信號是偏移四相相移鍵控（Offset-Quadrature Phase Shift Keying，O-QPSK）方式，能夠避免180°相位跳變問題，在實際工作中的抽樣選擇中能夠使得分支線路交替式抽樣，確保信號的穩定性[3]。

圖3 無線通信模塊系統結構

2 基于傳感器信息采集檢測系統的軟件設計

2.1 通信信號濾波問題處理

在機電一體化設備工作現場，由于各種設備發出的干擾信號較多，實際通信中需要用防脈沖滑動濾波法過濾干擾信號。

滑動濾波法需要先獲取平均值，具體計算公式為

式中：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。獲取滑動數據平均值后，把一系列數據定義成N的隊列，隊列即滑動數據的采集范圍，不斷通過式（1）獲取數據時刻保持滑動隊列數值的同步性，然后在去除最小值和最大值的基礎上計算平均值，這樣得到的信號就是當時最有效的信號數值，該方法即防脈沖滑動濾波法[4]。

2.2 傳感器信息采集檢測系統設備狀態原理

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，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，即H(a)={a1,a2,a3,…,ad}，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

式中：Z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；vm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。

通過式（2）可以看出，如果樣本之間的特征差很小，那么被測試的設備狀態樣本就和模板狀態類似度高度一致。

為了計算類似度（相似度），用數學方法進行評估，表達式為

式中：ωij為標準類似度；dg1i為最小類似度；dg2i為最大類似度。隨著機電一體化設備狀態的不斷變化，定期用軟件系統評估被檢測設備狀態P和理想狀態模板的相識度，就可以完成即時機電一體化設備的檢測工作。

3 基于傳感器信息采集檢測系統的機電一體化模擬實驗與分析

為了更準確地評估傳感器系統對機電一體化設備狀態檢測能力，現設計以下仿真實驗。

3.1 實驗環境及數據收集分析

采集實驗選擇的機電一體化設備中的驅動電流數據信息、功率傳感器信息、電流傳感器信息等參數，采集時間為100 ms 一次。對于采集時間的設定，一般收集數據越多，實驗模擬程度越接近客觀事實，但是過多的數據處理會耗費更多的時間。考慮到實驗平臺計算機的性能，需要把時間設定和計算機處理器處理能力相匹配。把收集樣本時間總數設定為T，N為樣本數值，收集時間為48 h。在收集時間結束時，需要預處理收集到的數據，去除不符合實驗要求的數據后得到的實驗數據為3 000 個[5]。

3.2 基于傳感器信息采集檢測系統的錯誤率及有效性分析

模擬實驗中，為了更好地驗證提出的傳感器系統的有效性和精準性，需要以3 000個數據作為實驗基礎，然后用差異性較大的檢測系統檢測機電一體化設備的狀態，以增加設備組本身的干擾性，以便匯總分析各種傳感器采集信息系統的錯誤率和有效性，檢測傳感器信息系統的抗干擾能力。實驗選取基于RFID 的檢測系統和基于機器學習的檢測系統，2 種檢測系統和本文研究的檢測系統之間的對比，如表1 所示。

表1 3 種測試系統測試效率及系統錯誤率對比表

通過表1 可以看出：在電磁干擾增加到一定程度的情況下，提出的基于傳感器采集信息系統表現最低的一項數值為超載負荷狀態，測試效率為98.8%，剩余機器設備狀態檢測率都超過了99%。設計的設備狀態檢測系統能更精準地反映機電一體化設備的真實狀態。RFID 系統和機器學習系統整體表現差距較大，數值分布在70%～90%，即2 種設計方案在強電磁干擾情況下的精準性有待優化。可見，設計的基于傳感器采集信息系統精準、有效且抗干擾能力強。

4 結 論

從實際情況出發，考慮在一定程度的電磁干擾情況下，設計基于傳感器信息采集檢測系統來獲取機電一體化設備狀態。從硬件結構和軟件分析2 個方面進行闡述，然后用仿真模擬實驗比較分析RFID 系統、機器學習系統和所提系統的實際表現，可知設計的系統在一定電磁干擾程度下精準且有效。需要指出的是，模擬實驗具有一定的條件約束，而實際應用中不同的機電一體化設備有很大差異，需要適時作出調整和優化。