基于NB-IoT 技術(shù)的無線振動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

倪秋華，張華芳，高 偉，王 超，張舒麒

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引 言

與短距離通信技術(shù)相比，長期演進技術(shù)（LTE）具有覆蓋范圍廣、移動性強與大量連接的特點，可以帶來更加豐富的應(yīng)用場景，有成為物聯(lián)網(wǎng)主要連接技術(shù)的趨勢。而作為LTE 的演進技術(shù)，NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]意味著基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的更多連接，支持M2M 連接和更低的延遲，整體系統(tǒng)功耗低，并將促進物聯(lián)網(wǎng)和其他應(yīng)用的快速普及。目前，已有多種物聯(lián)網(wǎng)云平臺支持NB-IoT 模塊工作。物聯(lián)網(wǎng)云平臺[2]不僅功能強大，還可以減少開發(fā)人員的工作量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。因此，設(shè)計與實現(xiàn)基于NB-IoT 協(xié)議的廣域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[3]具有重要的現(xiàn)實意義。尤其是工業(yè)現(xiàn)場受限于4G 網(wǎng)絡(luò)連接的制約，將窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備振動監(jiān)測[4-5]中更有實際運用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)獲取到被測實物的原始振動數(shù)據(jù)后，主動連接已經(jīng)配置好的網(wǎng)關(guān)，直接將獲取到的數(shù)據(jù)通過4G 網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器。系統(tǒng)在上傳數(shù)據(jù)前，可對當(dāng)前的設(shè)備數(shù)據(jù)進行分析計算，云平臺依據(jù)系統(tǒng)里面設(shè)置的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)對比，可迅速對當(dāng)前設(shè)備的健康狀態(tài)進行狀態(tài)輸出反應(yīng)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)中心平臺。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邊緣計算處理能力加強了設(shè)備健康監(jiān)測的可靠性與實時性。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，組成框圖如圖2 所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

圖2 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)由監(jiān)測終端和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其中，監(jiān)測終端硬件包括微控制器、采集模塊（A/D 及預(yù)處理電路）、電源模塊、時鐘模塊、通信模塊和加速度傳感器等。

終端系統(tǒng)微處理器作為終端的大腦，負(fù)責(zé)終端系統(tǒng)的邏輯控制與運算；微處理器同時與電源模塊、時鐘模塊、采集模塊及通信模塊相連接，將各模塊有機組合成一個整體。在采用電池作為電源時，需通過時鐘設(shè)置提升終端的待機時長，終端僅通過NB-IoT 模塊進行無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，通信模塊通過MCU 自帶的通信接口與主控通信。

軟件系統(tǒng)則基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺，先由傳感器部分采集對應(yīng)的振動信息，而后經(jīng)由通信模塊，將采集到的振動信息傳輸?shù)街付ǖ脑破脚_服務(wù)器，由云平臺存儲、管理及信號處理。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 傳感器選型

關(guān)于振動傳感器的選型，目前市面上很多采用最新的ADI 的傳感器技術(shù)，例如選用ADXL1002 加速度傳感器芯片，噪聲低、線性好。基于與常規(guī)離線檢測相互融合的綜合考慮，本系統(tǒng)選用目前工業(yè)現(xiàn)場普遍運用的壓電式加速度傳感器AC102-1A，技術(shù)參數(shù)見表1 所列。與工業(yè)現(xiàn)場普遍使用的常規(guī)傳感器（靈敏度為100 mV/g）完全兼容，滿足現(xiàn)場巡檢的統(tǒng)一通用要求，也便利于本系統(tǒng)的測試結(jié)果與巡檢測試或常規(guī)在線監(jiān)測的直接比較。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)

2.2 采集系統(tǒng)元件選型

采集系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 采集系統(tǒng)框圖

微處理控制器選用STM32L496VGT6，芯片數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，芯片SRAM 空間大小為320 KB，1 MB FLASH。系統(tǒng)頻率為80 MHz，可進入超低功耗模式，采用最新的半導(dǎo)體技術(shù)，待機電流達(dá)到nA 級。

系統(tǒng)采用AD7606 經(jīng)典采集芯片，最高可支持8 路信號同步采集，A/D 芯片具有16 位的分辨率、采樣精度高、采樣頻率高、讀寫速度快、功耗低。

無線發(fā)送模塊采用WH-NB73 進行二次開發(fā)，該模塊硬件上集成MAC、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器，內(nèi)置超低功耗運行機制，可以有效實現(xiàn)模塊的低功耗運行。

2.3 電源電路設(shè)計

為了使產(chǎn)品的使用靈活多樣，無線系統(tǒng)中的電源電路應(yīng)具備3.3 V 供電、±5 V 供電、24 V 供電，并可提供IEPE 恒流供電。系統(tǒng)可提供電池供電與外部供電兩種供電接口。系統(tǒng)饋電后，可直接對電池進行充電，不需要拆卸更換電池。電源系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 電源系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)電源電路均采用μA 級的漏電流電壓芯片進行設(shè)計，提高電池利用率。系統(tǒng)休眠時電壓芯片可控制為關(guān)斷模式。系統(tǒng)設(shè)置了電池的充電狀態(tài)燈。系統(tǒng)進入休眠模式后，實測系統(tǒng)的電流為2.07 μA，系統(tǒng)電池供電為2 節(jié)18650電池，電池容量為6 800 mAh，系統(tǒng)的理論待機時間為：6 800÷2.07×1 000=3 285 000 h。

系統(tǒng)運行時峰值系統(tǒng)測試電流為248.4 mA，系統(tǒng)主動發(fā)送一次時間為12 s，整個系統(tǒng)可以發(fā)送8 212 次，按4 h 發(fā)送一次波形，一次充滿電系統(tǒng)可以持續(xù)工作3.7 年。

電源系統(tǒng)中，元件的具體選型為：系統(tǒng)24 V 電源供電，選用TI 公司的TPS61175QPWPRQ1；系統(tǒng)3.3 V 電源芯片，選用TI 公司的TPS61025DRCR；系統(tǒng)±5 V 電源供電，選用ADI 公司的ADP5071AREZ。

3 監(jiān)測系統(tǒng)云平臺

云平臺開發(fā)工作主要包括設(shè)備能力描述文件開發(fā)和編解碼插件開發(fā)。其中，Json 格式的設(shè)備能力描述文件profile開發(fā)包括設(shè)備的服務(wù)信息和控制命令，編解碼插件開發(fā)包括上行數(shù)據(jù)中payload 和下行命令中payload 的編解碼規(guī)則[6]。

本系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用B/S 架構(gòu)開發(fā)。服務(wù)器端基于Java語言開發(fā)，選擇Tomcat 作為Web 容器并選擇Eclipse IDE for JavaEE Developers 作為集成開發(fā)環(huán)境。Web 應(yīng)用項目使用Maven 構(gòu)建。Web 應(yīng)用設(shè)計采用模型-視圖-控制器（Model View Controller, MVC）設(shè)計框架，設(shè)計了模型、視圖組件和控制器，實現(xiàn)了前端和后端的解耦。服務(wù)器端采用MySQL數(shù)據(jù)庫并選擇Mybatis 作為持久層框架。云平臺監(jiān)測效果如圖5 所示。

圖5 云平臺監(jiān)測效果

物聯(lián)網(wǎng)云平臺和應(yīng)用服務(wù)平臺間基于HTTPS 協(xié)議通信。應(yīng)用服務(wù)平臺通過調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)云平臺相應(yīng)的北向接口完成消息訂閱、消息推送和命令下發(fā)的功能。

4 運用測試

運用測試選用手持式振動篩VMC-606，提供一個已知的和可控的振動穩(wěn)定輸出，其最大負(fù)載振動加速度計可重達(dá)150g。試驗先使用離線測振儀CSI2140 測試得到手持式振動篩的振動；隨后運用同樣的加速度傳感器和測試線纜接入基于NB-IoT 的振動狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)。

根據(jù)離線測振儀CSI2140 測得振動量值（通頻值）為0.565 76g，pk（即5.54 m/s2，pk），頻率為159.24 Hz；而基于NB-IoT 的振動狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)測得振動量值（通頻值）為5.49 m/s2，pk，頻率為159.5 Hz。云平臺的監(jiān)測結(jié)果與離線儀表一致。測試結(jié)果分別如圖6 與圖7 所示。

圖6 NB-IoT 云平臺的監(jiān)測結(jié)果圖（m/s2，pk）

圖7 離線儀表CSI2140 的測試結(jié)果（G’s，pk）

根據(jù)計量檢定規(guī)程《JJG 676—2019 測振儀》，配接加速度傳感器時幅值頻率響應(yīng)和幅值線性度最大允許誤差要求小于±5%，頻率最大允許誤差要求小于±0.5%。基于NB-IoT 的振動狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)精度滿足要求。

5 結(jié) 語

NB-IoT 作為一項新興的無線技術(shù)廣受歡迎，正大量應(yīng)用于不同的生活場景[7]。本設(shè)計方案特色是采用NB-IoT 無線技術(shù)，將其運用到無線振動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，研究其通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，這種方法具有較強的可操作性。本文基于NB-IoT 技術(shù)，設(shè)計一種應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的無線振動采集系統(tǒng)，實現(xiàn)振動信號的遠(yuǎn)程采集及監(jiān)控，對系統(tǒng)總體方案、硬件設(shè)計等進行詳細(xì)描述。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)測試精度滿足工業(yè)現(xiàn)場要求。

鑒于NB-IoT 的優(yōu)點，在無線振動監(jiān)測系統(tǒng)運用中將具有很好的適用性以及較強的發(fā)展優(yōu)勢，這對于設(shè)備健康監(jiān)測具有重要的參考價值。