無線通信技術在設備狀態監測中的應用

吝 輝

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

隨著現代工業的發展，實時掌控設備狀態成為常態化管理工作的重點環節之一。通過優化無線通信技術手段，更好地搭建無線通信網絡，及時匯總設備狀態數據，可為設備綜合化管理工作的落實提供保障。

1 設備狀態監測原理

設備狀態監測過程中，借助相應的處理手段匯總設備運行的動態數據，建立分析和評估系統，有助于更好地評價設備狀態。在實際監測環節，不僅要分析設備自身的特征，而且要結合監測結果展開運行趨勢的判定和預測，從而延長設備的使用壽命，避免故障問題留存造成安全隱患。設備狀態監測過程要搭配傳感器、數據捕獲、監測元件以及診斷元件等器件開展相關工作，及時完成數據分析，同時確保監測效果最優化，并最大限度地照監測結果落實相應的決策指導建議，優化設備綜合控制水平[1]。

2 無線通信技術在設備狀態監測中的應用要點

在設備狀態監測工作中，紅外、藍牙及Wi-Fi 等技術都可以完成數據傳輸管理工作。但是，受傳輸距離和抗干擾能力等因素的影響，無法實現技術的大范圍推廣。

2.1 ZigBee 技術

ZigBee 技術是基于IEEE 802.15 建立的近距離、低功耗和低成本的雙向無線通信技術手段，介于射頻識別技術和藍牙技術之間。ZigBee 技術的時延較短，休眠激活時延一般是15 s，搜索設備的時延和入網時間控制在30 s 左右。ZigBee 無線傳感網絡技術能更好地完成故障監測工作，優化設備診斷過程的同時建立靈活的現場采集數據機制，從而更好地補充傳統故障監測環節，提高設備生產實踐的綜合效益。ZigBee技術網絡容量較大，整體網絡組成的靈活性和動態控制效果更有優勢。同時，ZigBee技術借助碰撞避免策略，為需要固定帶寬的通信業務提供了較為充裕的專用時隙。將其應用于設備狀態監測環節，能及時進行數據傳輸和匯總，保障數據安全傳輸和控制。

2.2 無線通信技術監控系統總體框架

監測系統總體設計框架以傳感器節點和收發器節點為核心，并以組建無線傳感器網絡模型為根本，實現工業設備振動參數的有效監測管控和規范化采集控制，同時進一步診斷設備的運行狀態，滿足設備綜合化管理工作的質量要求。系統總體設計框架，如圖1 所示。

圖1 系統總體設計框架

傳感器節點采集匯總振動數據，并進一步處理獲取相應的設備運行特征值，并存儲對應的波形數據。為有效評估設備運行狀態，對比波形數據和正常范圍內的信號數值，若出現異常，傳感器節點則會將特征數值對應的振動信號發送到收發器節點，更好地實現后續處理目標，并有效評估故障原因，以便有效進行在線診斷和故障監測等工作[2]。

收發器節點在連接傳感器網絡和外部網絡后，建立基于協議棧的通信協議轉換系統，居中協調并處理監測任務，及時將匯總的數據信息轉發到外部網絡。

2.3 傳感器節點核心設計要點

在狀態監測體系內，傳感器節點利用加速度傳感器、電源模塊和無線傳輸芯片等共同構建完整的核心運行體系，以便改善信息數據管理的及時性和規范性，更好地實現統一控制的目標[3]。

首先，要依照設備狀態監測的實際情況和具體需求選取適配的傳感器。文章選取的是ADIS16220數字振動傳感器，通過iMEMS監測技術完成信號處理、數據獲取以及串行外設接口控制等工作，建立智能化傳感控制系統，從而完成設備的振動分析、狀態監測以及機械健康狀態診斷等工作。全面分析設備的綜合運行情況，以便及時完成故障診斷工作，更好地減少設備運行不當造成的經濟損失，提高設備狀態監測工作的綜合效益。

其次，要依照具體需求優選無線傳輸芯片。一般要求芯片的控制器內核符合增強型工業標準，且具備可編程閃存等功能。例如，CC2430 芯片只需要超短時間就能從休眠模式轉換到主動模式，適用于要求電池壽命較長的應用環節，能最大限度地提高ZigBee 技術的性能水平，降低傳感器對節點的能耗要求[4]。

最后，電源模塊要為處理器和傳感器提供電能，為此要盡量落實低能耗設計處理機制，更好地維持運行水平，合理匹配參數，同時更好地維系整個系統應用運行的節能效果和控制效益。在加速度傳感器電路體系中，傳感器節點的作用不僅是采集和匯總設備振動數據，而且要建立振動分析、沖擊檢測和事件捕獲等環節，及時完成檢測診斷工作，更好地打造安保檢測控制系統，以便利用相應的信號調理電路完成信號的綜合評估，并搭建計算處理過程。例如，針對X方向振動信號和Y方向振動信號，利用加速度傳感器進行處理后匯總在信號調理電路，實現實時性輸出處理。

2.4 收發器節點設計要點

在完成傳感器處理環節后，要依照實際情況和具體要求落實收發器控制環節，保證信息數據傳輸管理的科學性和規范性。要管理收發器節點功能，保證相應節點控制環節的合理性和規范性，更好地提高數據檢索匯總的基本水平[5]。收發器節點功能如圖2所示。

圖2 收發器節點功能

為更好地維持收發器功能的應用效果，從核心處理器和系統軟件2 個方面入手，保證相關系統應用控制環節地合理銜接。建立無線通信應用程序，維持數據資料和控制信息的交互管理，保證相關監測系統運行的控制效果最優[6]。

2.4.1 收發器數據控制系統框架

在微電子技術全面發展的時代，收發器節點要將傳感器網絡內部節點和外部網絡數據通信連接作為核心，打造完整的設備振動數據匯總控制平臺，確保后臺處理器應用控制管理更加規范，并及時將外部命令直接傳輸到傳感器節點進行匯總。它的實際功能類似于無線設備監測系統網絡中的路由器，能居中協調傳感器節點，在維護無線傳感器網絡應用控制環節的同時保證機械設備監測任務落實到位。由于收發器節點功能較為復雜，相應的節點控制架構要具備較強的通信功能，從而有效發揮高性能應用處理器的價值，建立集成化合理且系統設計簡化的運行體系[7]。

2.4.2 核心處理器

收發器節點的硬件平臺要依照實際需求優選適配的中央處理器，保證指令和數據控制等環節順暢，更好地搭建低成本和低功耗的運行體系。在選擇核心處理器的過程中，要充分關注相關設備的適配性和集成度，有效利用高集成度簡化系統設計環節，保證通信處理等工作順利開展。例如，16 位/32 位精簡指令系統計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）處理器具備較強的內部資源和信息整合處理能力，能穩定控制主頻參數，并支持多種參數交互處理工作，內置硬件加速器，能實現信息的實時性管理和交互控制[8]。

2.4.3 系統軟件

在系統軟件選取過程中，要結合實際運行需求選取適配的嵌入式操作系統，更好地發揮軟件模塊化和定制移植便捷的優勢，利用嵌入式操作系統更好地維持信息交互處理的科學性和及時性。在軟件應用過程中，要滿足設備狀態監測的具體規范，模擬內存尋址空間，并有效應用智能化設備建立相應的共享源計劃，從而輔助嵌入式處理系統選取適配的源代碼，建立符合的操作系統。需要注意的是，在操作系統定制和移植環節，選取WinCE 系統應用軟件，結合系統硬件的運行功能和控制環節的具體需求，定制對應的運行平臺，保證操作過程的完整性和規范性。具體流程如下。第一，導入目標設備板級支持包（Board Support Package，BSP），建立硬件抽象層處理系統，更好地維持上層軟件和底層硬件控制的和諧性。不同系統定義不同形式的BSP，要綜合考量初始化操作環節，保證寄存器和協處理器配置的科學性，維持應用管控的綜合效果，更好地實現對被控對象的實時性數據匯總。第二，創建操作系統工程，依照定制的操作系統，建立軟件編寫系統的應用程序，包括基于ZigBee 技術的無線通信系統，完成串行接口通信程序和網絡通信程序的聯通處理，在及時匯總具體信息數據的基礎上，維持操作系統工程運行的穩定性和合理性[9]。第三，創建并定制驅動程序，依照實際需求和處理規范，選取定制系統，確保實時性控制環節的規范效果，并維持系統平臺處理應用的規范性。第四，生成操作系統映像文件，及時應用系統軟件完成下載處理后匯總于數據分發中心，完成數據關聯性對比評估等，實現統一處理。第五，進行收發器數據控制系統的調試分析，有效結合ZigBee 技術實現系統編寫應用程序的錄入。

2.4.4 射頻電路設計

射頻電路設計處理環節一般只需要少量的外圍元器件，發揮晶振時鐘電路和微控制器接口電路等結構的作用，有效維持命令輸入和導出的交互結構，并由外部有源晶體提供相關信息，更好地匹配負載電容和晶體振蕩器，維持負載處理控制的科學性。同時，要結合收發器節點應用要求，保證射頻天線滿足應用規范，主要考量增益效果、阻抗匹配水平以及帶寬參數等[10]。

3 結 論

為更好地提升設備狀態監測水平，結合ZigBee技術要求，建立更加完整的無線設備監測系統，優選適配的處理器和應用軟件，保證傳感器節點和收發器節點應用符合標準，更好地滿足低成本和低能耗要求，發揮無線通信技術的優勢，為設備狀態監測工作的可持續發展奠定堅實基礎。