船舶機電設(shè)備無線振動監(jiān)測實驗研究

張陳寶，崔漢國，明廷鋒，陸 杰

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

機電設(shè)備是船舶最為重要的一部分，它的穩(wěn)定工作為船舶安全行駛、船員正常生活工作提供重要保障，因此對船舶機電設(shè)備進行實時監(jiān)測意義重大。目前，對于船舶機電設(shè)備的監(jiān)測大多采用的是CAN現(xiàn)場總線的方式[1]，然而艙室中的電機、風(fēng)機、水泵和油泵等機電設(shè)備遍布各個艙室，電纜的鋪設(shè)量大、保養(yǎng)維護難、設(shè)備成本高、且易影響人員正常工作。而對船舶機電設(shè)備進行巡檢，不能及時發(fā)現(xiàn)機電設(shè)備可能存在的問題，且該監(jiān)測實施方案耗時長，工作量大。針對以上現(xiàn)象，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入到機電設(shè)備的振動監(jiān)測來構(gòu)建無線、分布式實時振動監(jiān)測系統(tǒng)成為一種可解決的思路。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]自20世紀(jì)70年代發(fā)展以來，因其全新的信息獲取和處理方式，克服了有線監(jiān)測設(shè)備的不足，布置靈活、安裝維護方便、成本較低，可以在無人監(jiān)管的狀態(tài)下安全穩(wěn)定工作，目前在工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生醫(yī)療和交通管理等領(lǐng)域都有所應(yīng)用[3-5]。但是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身發(fā)展還有待提高，現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大多是監(jiān)測溫度、濕度、壓力和光強度等緩慢信號量，針對振動監(jiān)測設(shè)計的節(jié)點較少，且主要是針對高樓、橋梁[6]等一些大型建筑物的低頻振動監(jiān)測。市場上現(xiàn)有的無線振動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，專業(yè)性不強，且體積偏大，不宜用于船舶上實際布置安裝。

本文針對船舶機艙的特殊環(huán)境和設(shè)備，對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點進行改進，設(shè)計一套高性能無線振動采集節(jié)點，目的在于解決現(xiàn)有無線傳感器節(jié)點存在的不足，探索將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于船舶機電設(shè)備實時振動監(jiān)測，以船舶現(xiàn)有機電設(shè)備振動監(jiān)測系統(tǒng)的有線傳感器節(jié)點為比較對象，驗證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動監(jiān)測節(jié)點在船舶機電設(shè)備振動監(jiān)測應(yīng)用的可行性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動監(jiān)測系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測模式是在嵌入式操作系統(tǒng)、數(shù)字電路、無線通信、傳感器、分布式信息處理等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新穎的獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)的方法，它兼具低成本、低功耗、多功能的特點，通過大量分布式的傳感器自組網(wǎng)和多跳方式，以無線傳輸?shù)姆绞綄⒉杉畔⒘堪l(fā)送給上位機實現(xiàn)對感知對象的實時監(jiān)測。其中無線振動監(jiān)測對節(jié)點的數(shù)據(jù)高頻采集、高效處理、可靠傳輸提出了更高的要求。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)由若干無線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動監(jiān)測節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點及上位機監(jiān)控中心構(gòu)成[7]，如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架

本文以4個監(jiān)測節(jié)點為例，其中監(jiān)測節(jié)點負(fù)責(zé)將機電設(shè)備的振動信息采集、處理，后通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)包傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的主要功能是對加入該無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點發(fā)送命令、接收節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，并通過串口的方式傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)處理、顯示以及存儲等，通過在上位機監(jiān)控中心發(fā)布命令，完成無線監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)的采集、傳輸及綜合分析處理，顯示機電設(shè)備振動情況，發(fā)布預(yù)警信息。

1.2 無線傳感器監(jiān)測節(jié)點

傳統(tǒng)無線傳感器節(jié)點大多以單片機為核心硬件，資源不足；存儲空間小，采樣頻率低；功耗過大，且缺乏有效的電源管理。本文設(shè)計的無線傳感器監(jiān)測節(jié)點實物如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點實物

采用雙核心結(jié)構(gòu)設(shè)計，由主板上基于ARM Cortex M4內(nèi)核的STM32F405RGT6微控制器和無線通訊模塊中TI CC2430集成的8051微處理器組成。STM32是一款高性能、低功耗、低成本的微處理器，內(nèi)部集成了高達1 MB的可編程Flash和192 KB的SRAM，足以滿足監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)處理的要求，且有豐富的外部設(shè)備接口。CC2430是專門針對IEEE 802.15.4應(yīng)用設(shè)計的片上系統(tǒng)，它采用2.4 GHz直接序列擴頻(DSSS)的調(diào)制格式，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸速率理論最高可達250 Kbps。為了滿足機電設(shè)備的高采樣頻率，節(jié)點采用獨立的A/D轉(zhuǎn)換器AD7982，它是一款快速、低功耗、精密18位AD、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，最高采樣率可達1 000 ksps， 搭配8 G的SD存儲卡，可以將采集的數(shù)據(jù)暫時儲存，待收到傳輸命令后將數(shù)據(jù)量無線傳輸?shù)缴衔粰C。此外，一個比較突出的優(yōu)勢是節(jié)點的能量管理方面。除采用低功耗的組件，監(jiān)測節(jié)點采用了2節(jié)3.7 V的可充電鋰電池串聯(lián)供電，選擇了開關(guān)穩(wěn)壓電路和線性穩(wěn)壓器件組合的方式為各個模塊供電，保證了節(jié)點較高的電源轉(zhuǎn)換效率且兼顧了敏感電路對電源質(zhì)量的要求。監(jiān)測節(jié)點設(shè)置了多個工作模式，在休眠狀態(tài)下關(guān)閉其他模塊、保持無線通訊模塊低耗連接，從而保證節(jié)點長時間穩(wěn)定工作。

本文設(shè)計的無線傳感器監(jiān)測節(jié)點采用模塊化設(shè)計，如圖3所示，它包括數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、無線通訊模塊、能量供應(yīng)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分，主要用于感知及獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的振動信息，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；微處理器模塊主要由微處理器和存儲器兩部分組成，其功能一方面是協(xié)調(diào)各功能模塊的有序工作，另一方面則是將采集到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)字信號進行處理、存儲；無線通訊模塊包括無線收發(fā)器，主要負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行通信，完成無線組網(wǎng)，命令收發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸；能量供應(yīng)模塊則主要是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點各工作模塊提供工作所需要的能量。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測節(jié)點構(gòu)成

1.3 軟件設(shè)計

本文無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計的總體方案主要包括監(jiān)測節(jié)點和上位機監(jiān)控中心2個方面的設(shè)計。節(jié)點上主要包括數(shù)據(jù)采集程序、接口程序、節(jié)點主程序、無線通訊程序和數(shù)據(jù)存儲程序，其中使用了穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單的，具有嵌入式實時操作系統(tǒng)的μC/OS-II。采用Visual Studio開發(fā)工具設(shè)計了上位機軟件，功能包括節(jié)點拓?fù)涔芾怼⑾到y(tǒng)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)頻譜分析和數(shù)據(jù)儲存等。

2 船舶機電設(shè)備振動監(jiān)測實驗

本文振動監(jiān)測實驗是在某型船舶動力艙室的機電設(shè)備上完成的，包括實驗測點的選取、傳感器的安裝、信號采集、數(shù)據(jù)處理方面有序開展，從系統(tǒng)組網(wǎng)、采集傳輸、可靠性方面，對無線與有線振動監(jiān)測系統(tǒng)進行比較。

2.1 實驗搭建

實驗選取低噪聲三相異步電動機和立式往復(fù)艙底泵配套工作的組合設(shè)備為測試對象，為了有效采集振動情況，分別在軸承座和電機中線上方布置4個測點。為驗證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱無線振動系統(tǒng))無線組網(wǎng)、抗干擾性能及數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，分別在每個測點位置布置2個傳感器，如圖4所示，一個接入無線振動系統(tǒng)，一個接入有線振動系統(tǒng)。本文選用的有線振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備具有8個輸入通道(本文用其中4個通道)。無線振動系統(tǒng)由4個無線監(jiān)測節(jié)點、1個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和上位機監(jiān)控中心組成。

圖4 實驗測點布置圖

本文實驗采用的傳感器是EA-YD-185型ICP傳感器，內(nèi)置集成電路的加速度計，靈敏度高，頻率響應(yīng)帶寬可達10 kHz，足以滿足機電設(shè)備的振動數(shù)據(jù)采集，實驗中無線監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為10 kHz，采樣模式設(shè)置為定長采樣，有線監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為12.8 kHz，安裝方式均為螺栓固定。

2.2 實驗數(shù)據(jù)采集測試分析

2.2.1 無線組網(wǎng)測試

將艙室中機電設(shè)備打開，在艙室內(nèi)部形成水回路循環(huán)，模擬在水下作業(yè)時環(huán)境。打開無線振動系統(tǒng)上位機軟件，發(fā)送組網(wǎng)連接命令，4個監(jiān)測節(jié)點7、8、9、10號依次接入無線監(jiān)測系統(tǒng)，圖5顯示4個監(jiān)測節(jié)點顯示的圖標(biāo)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點G是實線相連，表示4個節(jié)點均連入網(wǎng)絡(luò)。將艙室內(nèi)簡易門關(guān)閉，無線監(jiān)測節(jié)點依然保持連接狀態(tài)。

2.2.2 無線傳輸可靠性測試

為了驗證無線振動系統(tǒng)無線傳輸可靠性，先后在艙室中進行了3次4通道無線振動測試，分別是近距離無線測試、遠(yuǎn)距離(10 m)無線測試、遠(yuǎn)距離有障礙物(10 m關(guān)艙門)無線測試。第2、3次測試的結(jié)果如表1所示。實驗結(jié)果可知在船舶密閉動力艙室中，在空間有限的艙室中，無論是距離遠(yuǎn)近，還是中間有障礙物，節(jié)點采集的數(shù)據(jù)均可以完全通過無線傳輸?shù)姆绞缴蟼鞯缴衔粰C進行后進行綜合分析處理。

圖5 無線組網(wǎng)上位機連接

表1 數(shù)據(jù)無線傳輸測試結(jié)果

2.2.3 采集數(shù)據(jù)結(jié)果對比分析

選取轉(zhuǎn)速為2 947 r/min電動機上的一組測點進行分析。為了清晰的看出有線與無線監(jiān)測系統(tǒng)采集到的波形圖時域圖變化，兩組數(shù)據(jù)均選取2.56 s的數(shù)據(jù)進行對比，如圖6所示?？梢钥闯?組數(shù)據(jù)的振動幅值基本相同。我們對2組數(shù)據(jù)做傅里葉變換，選取10～200 Hz頻域做對比分析，如圖7所示，可以看出2組數(shù)據(jù)的頻域曲線趨勢基本一致，幅值也比較接近，均可以有效測得主要譜線頻率1倍頻48.44 Hz和2倍頻98.44 Hz。

由于對比實驗的采樣頻率不一致，在后期對實驗數(shù)據(jù)處理時，先是通過帶通濾波截取2組數(shù)據(jù)頻率在10～1 000 Hz的振動數(shù)據(jù)，計算得到無線監(jiān)測系統(tǒng)振動有效值是2.019 1 m/s2,有線監(jiān)測系統(tǒng)振動有效值是2.084 4 m/s2，兩者相差3.13%。該組實驗數(shù)據(jù)表明通過無線監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)具有參考價值，與有線監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)有一定相差原因在于傳感器安裝位置不是完全相同、有固有噪聲，無線采集節(jié)點存在晶振漂移等。

3 結(jié)束語

針對船舶艙室機電設(shè)備振動監(jiān)測不易布置線纜，實時監(jiān)測不方便，本文在現(xiàn)有無線振動監(jiān)測節(jié)點的基礎(chǔ)上，采用雙核心設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)振動采集節(jié)點，依托Visual Studio開發(fā)的上位機軟件和串口轉(zhuǎn)USB網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)建了密閉艙室無線振動監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)實驗驗證該系統(tǒng)可以有效采集船舶機電設(shè)備振動數(shù)據(jù)，為船舶機艙振動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)提供了一種可行的方案。

從無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)在船舶艙室機電設(shè)備振動試驗的組網(wǎng)、傳輸和對比實驗來看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)在短距離復(fù)雜情況下可以有效對采集數(shù)據(jù)進行分析。相對于有線監(jiān)測系統(tǒng)，具有無需鋪設(shè)電纜、構(gòu)架簡單、成本較低及可拓展性強的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)采集的可靠性和準(zhǔn)確度上與有限監(jiān)測系統(tǒng)保持高度一致。盡管在實時性、抗干擾、采集數(shù)據(jù)量方面存在不足，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，相信將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于船舶艙室機電設(shè)備振動監(jiān)測會有很好的前景。

圖6 有線與無線測試原始時域?qū)Ρ葓D

圖7 無線與有線監(jiān)測10～200 Hz頻域?qū)Ρ葓D