【正文】 本安防爆技術(shù) 在許多涉及易燃材料的工業(yè) 領(lǐng)域中，任何泄漏或溢出都有可能導致爆炸的發(fā)生。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 3. 第三章 無線監(jiān)測單元 設(shè)計 無線監(jiān)測單元在整個無線監(jiān)測系統(tǒng)中的作用為采集和處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提取特征參數(shù)，進行故障簡易識別，并將波形數(shù)據(jù) 或特征數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸給現(xiàn)場服務(wù)器。當 Zigbee 和 WiFi 同時使用相同頻段通信時， 會 產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾，導致傳輸分組沖突 [10]。 把 Zigbee 的 GHz ISM 頻段劃分為 16 個帶寬為 2 MHz 的信道，如 圖 23 所示。 IEEE MAC 子層通過 SSCS（ ServiceSpecific Convergence Sublayer）協(xié)議能支持多種 LLC 標準，其功能包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和拆除，確認模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理。 ZigBee 的通第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 信速率在 時為 250kbps，在 915MHz 時為 40kbps，在 868MHz 時為 20kbps。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境 ， 如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測 [8]。隨著相關(guān)學 科的不斷發(fā)展和進步， 逐漸形成了 具 備 信息綜合和處理 的 能力 的 第二代 傳感器網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場服務(wù)器負責存儲和管理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，響應 客戶端的請求，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理等工作。 并概括了本課題的主要研究內(nèi)容，相對傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)有哪些改進和創(chuàng)新。由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有自適應和自組織的能力，可形成相應的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。在線檢測離線分析方式應用最廣，較之前者省去了現(xiàn)場的人力，并能及時報警，但數(shù)據(jù)的分析和判斷仍然需要專業(yè)技術(shù)人員的參與。之后的幾十年，隨著數(shù)字電路、計算機技術(shù)以及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，進一步推動了振動檢測技術(shù)在機械設(shè)備上的應用。 而應用無線傳輸技術(shù)可以解決這一難題，實現(xiàn)特殊地區(qū)特別是高危險區(qū)域的設(shè)備在線監(jiān)測與診斷，減少或避免設(shè)備故障和安全事故的發(fā)生。因此，過程故障檢測及其相關(guān)技術(shù)的研究，在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中有著 深刻的 價值和 意義 。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以提高大型旋轉(zhuǎn)機械的安全性，減少突發(fā)性事故，避免重大經(jīng)濟損失。 在線檢測離線分析：在設(shè)備上多個測點安裝傳感器，由現(xiàn)場微處理器進行各測點的數(shù)據(jù)采集和處理，然后在主機上由專業(yè)人員進行分析和判斷。 論文研究的難點與創(chuàng)新點 本課題對傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)做了改進與創(chuàng)新，構(gòu)建振動信號的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)振動信號的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸，論文的主要難點及創(chuàng)新點如下： （ 1）通信方案 本課題將基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用于機泵故障診斷及在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集。 （ 3）數(shù)據(jù)分析處理 以往的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通常將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)椒?wù)器，進行實時的顯示和分析。 第一章 緒論 第二章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 2. 第二章 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)及主要技術(shù) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概 述 無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由客戶端、現(xiàn)場服務(wù)器，以及現(xiàn)場的 數(shù)據(jù)采集處理模塊 和無線通信系統(tǒng)等部分組成 ?，F(xiàn)場服務(wù)器也可以 通過 中心節(jié)點 ，向各個節(jié)點發(fā)送指令。 雖然由于技術(shù) 、成本 等方面的制約 ，導致 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 還無法 大規(guī)模商業(yè)應用，但是 近些年來 ，隨著微處理器體積越來越小 ，計算成本越來越低 ，已經(jīng) 有 為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入使用。最終 ZigBee 聯(lián)盟和 IEEE 工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名為“ ZigBee”。 網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓撲管理、 MAC 管理、路由管理和安全管理?；旌蠣钔負渚C合了以上兩種拓撲的特點，這種組網(wǎng)通常會使 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。在 表 22 中列出了 IEEE 在不同國家或地區(qū)的信道 ID 和 中心頻率。以歐洲的情況為例，若 WiFi 選擇信道 13，則 ZigBee 的 16 個信道中的前 12 個都是不與之重疊的。因此作為 ZigBee 協(xié)調(diào)器的無線監(jiān)測單元只需要實線框內(nèi)的部分即可完成工作。 這個能量限制接口可根據(jù)需要向任何一個方向?qū)щ?， 但限制在故障情況下能傳到危險區(qū)域的電壓和電流的強度 。 圖 32 本質(zhì)安全控制圖 Fig 32 Intrinsic safety control drawing 傳感器原理 對于加速度傳感器 而言 ， 在輸出電壓范圍固定的情況下（ 1325v）， 加速度 測量范圍與測量精度是相互制約的， 為了 保證 加速度傳感器 具有很大 測量范圍的同時， 仍然有很高的 測量 精度，本 文采用 雙傳感器的設(shè)計 ， 能夠根據(jù)被測信號的范圍選取相應的傳感器信號 。在加速度未超出 177。此時電容比率發(fā)生改變，在中心梁上產(chǎn)生一個輸出信號，該信號隨加速度增長而增長。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 37 ADXL105 的應用電路 Fig 37 Application circuit of ADXL105 如 圖 38 所示，較之 ADXL105 的外部電路， ADXL78 顯得更為簡單，只需在電源和地之間連接 的去耦電容即可從 Xout 得到加速度計的電壓輸出。5g 時，改 用 ADXL78 的信號輸出 Xout 重新測量 ，以 滿足較大 的測量范圍 。再旋轉(zhuǎn) 180176。這里的確定標記在工程上通常是鍵相槽位置 。 鍵相槽的尺寸要足夠大，以使產(chǎn)生的脈沖信號峰值不小于 5V（ AP1670 標準不小于 7V）。若鍵相傳感器產(chǎn)生的是正向脈沖，則信號端與 KEY+相連， GND 與 KEY相連；反之，則相反。另外，振動信號的高速采集造成數(shù)據(jù)量十分龐大，為了緩解處理器的壓力，在 A/D 轉(zhuǎn)換器與處理器之間增加數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 也是必要的選擇。 振動傳感器輸出的電壓信號是疊加在一直流電壓上的交流小信號。 ADG608 的真值表如 表 31 所示。 Ct 的值不能小于 100nS，而 CHt 和 CLt 不能小于 45nS。 AD9240 的數(shù)字輸出在整個輸入范圍內(nèi)采用正邏輯的自然二進制編碼 ， 標志位OTR 表示測量數(shù)據(jù)是否溢出有效范圍。采用 FIFO 構(gòu)成高速 A/D 采樣緩存時，由于轉(zhuǎn)換速度比較快，對時序配置要求非常嚴格，如果兩者時序關(guān)系配合不當， 就會發(fā)生數(shù)據(jù)存儲出錯或者掉數(shù)。用軟件實現(xiàn)數(shù)字濾波的優(yōu)點是系統(tǒng)函數(shù)具有可變化性，僅依賴于算法結(jié)構(gòu)，并易于獲得較理想的濾波性能，得到想要的濾波效果。因此，利用巴特沃斯濾波器這個特性就能較理想的提取出高頻故障信號。 峰值 ?X 大小可用來反映軸承某一局部故障點的沖擊力大小。 峭度值 4? 對大幅度的信號 最敏感，當大幅度的信號出現(xiàn)的概率增加，峭度值將迅速增大，因此，測量峭度值對含有脈沖的故障信號非常有效。 EMD 分析法基于兩個假設(shè) [27]： 1）任何復雜的數(shù)據(jù)或信號都是由具有不同特征時間尺度的簡單本征模態(tài)函數(shù)（ intrinsic mode function, IMF）組成； 2）任何兩個本征模態(tài)函數(shù)之間是相互獨立的，一個信號可以包含許多個本征模態(tài)函數(shù)，如果各模態(tài)之間相互重疊，便形成復合信號。直至剩余的 r 不能再分解。若經(jīng)過判斷與識別，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無異常狀態(tài)則發(fā)送特征參數(shù)到現(xiàn)場服務(wù)器，否則發(fā)送波形數(shù)據(jù)到現(xiàn)場服務(wù)器，以便服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行進一步的診斷分析。 雖然這三種方案具有各自的優(yōu)勢，比如：外置 MCU+收發(fā)器方案靈活性高，單芯片解決方案占用空間最小且開發(fā)容易， ZigBee 協(xié)處理器 +MCU 方案靈活性高且能縮短產(chǎn)品上市時間，但單芯片方案是主要廠商的主推方案，也是重要的發(fā)展趨勢。 TI 的 ZStack 軟件 ZigBee20xx 協(xié)議?？稍?ZigBee處理器上運行，而應用程序則在外部 MCU 上運行。 ZAccel 使 ZigBee 容易地添加到一個新的或已有產(chǎn)品中，同時也為微處理器的選擇提供了極大的靈活性。 ? 電源支持 ? 寬電壓支持范圍（ ） 。 ? 電源管理：由 SRDY 和 MRDY 兩個信號組成，分別表示從設(shè)備準備好和主設(shè)備準備好，用于電源管理狀態(tài)和喚醒休眠設(shè)備的通信。內(nèi)置溫度傳感器和電池監(jiān)測器，數(shù)值可以通過 ADC 接口讀取。 ? 可將接收機靈敏度提高＋ 6 dB。 ? MRDY/SRDY： 主 /從設(shè)備準備好，用于 SPI 傳輸時的電源管理和事務(wù)控制。 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 圖 331 ZigBee 模塊 Fig 331 ZigBee module ZigBee 模塊軟件設(shè)計 軟件設(shè)計由底層向上主要分為三層。 AF 接口允許 主 處理器把它的應用程序登記到 CC2480，并發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。例如，一個有返回值的函數(shù)調(diào)用將使用 SREQ 命令。 子系統(tǒng)：命令的子系統(tǒng)。 SRDY 表示從設(shè)備準備好，當 CC2480 準備接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時，設(shè)置這個信號。 3 、主處理 器發(fā)送數(shù)據(jù) ， 直到這一幀 發(fā)送結(jié)束 。當在一個 SPI POLL 或 SREQ 傳輸期間設(shè)置為高電平，表示 CC2480 準備發(fā)送數(shù)據(jù)。 ID 映射到一個特定的接口信息。例如，無返回值的一個回調(diào)事件或函數(shù)調(diào)用將使用AREQ 命令。 主處理器與 CC2480 之間的 SPI 通信采用的通用幀格式如 表 34 所示，上述應用程序命令接口均采用這種幀格式。其結(jié)構(gòu)如圖 332 所示： 圖 332 軟件結(jié)構(gòu)圖 Fig 332 Software structure 本設(shè)計中主處理器與 ZigBee 處理器 CC2480 之間采用 SPI 接口通信。 ? RESET_N： 復位，低電平有效。 ? 低傳輸電流消耗 (100mA at 3V for 20dBm Out, PAE = 33%) 。 ? 非易失性參數(shù)：這個軟件接口允許主處理器存儲和訪問 CC2480 非易 失性內(nèi)存中的 4 個 2 字節(jié)參數(shù)和 2 個 16 字節(jié)參數(shù)。 ? 復位：主處理器可以通過 RESET_N 引腳復位 CC2480。 ZigBee 處理器 CC2480 可與任何帶有 SPI 或 UART 接口的微處理器協(xié)同工作。 ? 為應用 MCU 提供 SPI 或 UART 接口。 在 MCU 和 RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案方面， TI 采用的是 CC2420/CC2520 RF收發(fā)器和超低功耗 MCU MSP430。 在主要 的 Zigbee 芯片提供商中， Freescale、 Ember、 Jennic 可以提供單芯片方案，Atmel、 Microchip 等其它廠商大都提供 MCU 和 RF 收發(fā)器分離的雙芯片方案 ， 德州第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 儀器 (TI)的 Zigbee 產(chǎn)品線覆蓋了以上三種方案 。 在各個機泵之間采用 ZigBee 技術(shù)， 借助其網(wǎng)狀拓撲的特點， 形成低功耗、短時延的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個工業(yè)現(xiàn) 場。 基于 EMD 的波形特征參數(shù)分析法是將原 始信號進行 EMD 算法處理，分解得到內(nèi)模函數(shù)（ IMF）分量，對 IMF 分量進行 Hilbert 變換，得到能量波形以及瞬時頻率波形，進行相應的波形特征參數(shù)分析，最后獲取故障診斷的特征參數(shù)。 本征模態(tài)函數(shù)必須滿足的條件 ： 1） 在整個數(shù)據(jù)長度 ， 極值點和過零點的數(shù)目必須相等或至多相差一個 ； 2） 在任意數(shù)據(jù)點 ， 由局部極大值點構(gòu)成的包絡(luò)線和局部極小值點構(gòu)成的包絡(luò)線的平均值必須為零。 峭度指標 K 是一個無量綱的參數(shù)，只能反映進展中的故障。 有效值 RMSX 反映信號的能量大小，特別適用于具有隨機振動性質(zhì)的軸承測量。 圖 323 為巴特沃斯的幅頻響應曲線。經(jīng)典數(shù)字濾波器實現(xiàn)方法主要有兩種：一種是 IIR 數(shù)字濾波器，稱為無限長沖激響應濾波器；另一種是 FIR 濾波器，稱為有現(xiàn)場沖激響應濾波器 [24]。實物圖如 圖 322 所示： 圖 322 FPGA 核心板 Fig 322 FPGA core board AD9240 FIFO D0…D13 串行轉(zhuǎn)換 D0…D13 SPI MCU 第三章 無線監(jiān)測單元設(shè)計 信號處理與特征提取識別 基于 ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低數(shù)據(jù)速率的特點，因此為 了減小網(wǎng)絡(luò)負擔，提高系統(tǒng)效率，應盡量避免較大規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸。 表 33 輸出數(shù)據(jù)格式 Table 33 Output data format 輸入電壓（ V） 狀態(tài)（ V） 數(shù)字輸出 OTR VINAVINB VINAVINB VINAVINB VINAVINB VINAVINB VREF = VREF = 0 = +VREF 1 LSB ≥ +VREF 00 0000 0000 0000 00 0000 0000 0000 10 0000 0000 0000 11 1111 1111 1111 11 1111 1111 1111 1 0 0 0 1 數(shù)據(jù)緩沖 FIFO 振動信號的高速采集使 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)流量十分巨大，為了緩解處理器的壓力，需要在 A/D 轉(zhuǎn)換器與處理器之間增加數(shù)據(jù)緩沖 FIFO[22]。 模擬開關(guān)的輸出接至 AD9240，在 FPGA 的控制下便可以實現(xiàn)多路模擬信號的采集。 圖 318 由 2 片 ADG608 組