基于振動數(shù)據(jù)采集及無線傳輸?shù)碾姍C監(jiān)測系統(tǒng)

徐亭，方挺，韓家明，董沖，張修成

基于振動數(shù)據(jù)采集及無線傳輸?shù)碾姍C監(jiān)測系統(tǒng)

徐亭，方挺，韓家明，董沖，張修成

（安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

針對電機狀態(tài)監(jiān)控效率低下的問題，設(shè)計了一種基于振動數(shù)據(jù)采集及無線傳輸?shù)碾姍C監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低功耗STM32為主控芯片，搭配加速度傳感器和無線藍牙模塊，實現(xiàn)了高精度振動數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進一步濾波、分解、推算及校準等處理，最后使用藍牙將數(shù)據(jù)傳輸至手機。結(jié)果表明，設(shè)計的電機監(jiān)測系統(tǒng)具有準確率高、傳輸速度快等優(yōu)點。

數(shù)據(jù)采集；振動監(jiān)測；STM32；加速度傳感器；無線傳輸

電機作為當代企業(yè)非常關(guān)鍵的生產(chǎn)工具，其運行的安全性以及穩(wěn)定性是生產(chǎn)效率的保障[1]。機器在運行過程中會引起徑向、軸向和扭轉(zhuǎn)3個方向的空間振動，這些振動是造成設(shè)備損壞的主要原因，也是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的主要參數(shù)[2]?，F(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)大多硬件性能不高或者設(shè)備體積大、成本高。采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測機械振動可以彌補傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)的不足[3]。結(jié)合實際需要，本文設(shè)計了基于振動數(shù)據(jù)采集及無線傳輸?shù)碾姍C監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MEMS加速度計采集振動信號，將數(shù)據(jù)傳輸至STM32主控，主控芯片對數(shù)據(jù)進行處理，最后將數(shù)據(jù)無線傳輸至手機。

1 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要分為信號采集單元、以STM32F103C8T6為系統(tǒng)核心的主控單元、藍牙通信單元。STM32控制系統(tǒng)開發(fā)板如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)裝置內(nèi)部封裝示意圖

1.2 硬件的選型與設(shè)計

振動傳感器結(jié)合STM32處理器并搭載ATK藍牙通信模塊，封裝在同一密閉裝置內(nèi)，內(nèi)置3.6V鋰電池供電。加速度計ADXL357是一款超低噪聲、失調(diào)超穩(wěn)定的MEMS加速度計，它具有更高的分辨率，靈敏度[4]，ADXL357模塊的封裝如圖3所示。系統(tǒng)控制單元采用基于Cortex-M3內(nèi)核低功耗STM32F103芯片，主控開發(fā)板布局如圖2所示。藍牙BLE是一款支持藍牙4.2協(xié)議的低功耗數(shù)傳模塊，無線工作頻率為2.4GHz ISM，模塊主從一體，支持多種工作模式。藍牙模塊通過串口與主控開發(fā)板通信。

處理器模塊硬件電路設(shè)計包括電源單元穩(wěn)壓降壓電路，外圍接口電路，復(fù)位電路，晶振，濾波電路。原理圖如圖4所示。

圖2 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計框圖

圖3 傳感器模塊封裝圖

圖4 處理器單元原理圖

2 數(shù)據(jù)的采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)的采集

主控STM32與加速度計通過串口通信。主控定時采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸過程中進入中斷，一個字節(jié)的8位數(shù)據(jù)按順序分時傳輸。加速度計輸出高低電平的數(shù)字信號傳給主控，由主控進一步處理。數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)的采集及傳輸

2.2 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)的采集傳輸基于Modbus通信協(xié)議，主控發(fā)送數(shù)據(jù)幀，模塊回復(fù)幀。高速回傳模式下，回傳數(shù)據(jù)為固定長度的16進制數(shù)，數(shù)據(jù)輸出的格式如表1所示。

3個寄存器存放軸加速度數(shù)據(jù)，對應(yīng)1,2,3，1,2存儲在八位寄存器，3存儲在四位寄存器。存放獲取的數(shù)據(jù)的形式為二進制補碼，主控讀取對應(yīng)寄存器地址上的數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)1,2,3存儲在對應(yīng)3個寄存器，需要對數(shù)據(jù)進行移位處理，數(shù)據(jù)移位轉(zhuǎn)化按照Acc=(3<<8|2<<4|1>>4) *10/524288.0執(zhí)行。以軸為例，if (>=524288) {=-1048575-1:}=(764.4/1000000)*，為軸加速度值。軸，軸數(shù)據(jù)同樣方式處理。

表1 模塊回復(fù)幀

2.3 加速度的分解

由作用力與加速度之間關(guān)系式可知，再加上重力加速度的影響，檢測輸出的加速度值為

式中，為施加在傳感器上除重力以外的力，為傳感器質(zhì)量。

需要校準程序移除傳感器輸出的重力加速度分量，可以采用一階低通濾波器的方式分離出靜態(tài)重力加速度分量[5-6]。測量輸出值可以分解為線性加速度和重力加速度。一階濾波算法公式為

由此

式中，A為重力加速度分量，A線性加速度分量，為濾波系數(shù)，可以通過以下公式計算：

式中，τ為時間常數(shù)，d為采樣周期，f為截至頻率。

2.4 速度和位移的推算與校準

2.4.1 速度和位移的推算

加速度是不斷變化的，求位移相當于求類似曲邊梯形的面積，對該段時間內(nèi)的加速度一次積分，可以獲得這段時間內(nèi)的平均速度，對加速度在這段時間內(nèi)二重積分可獲得該段時間內(nèi)的位移。公式如下：

假設(shè)在連續(xù)時間段內(nèi)選10個加速度值均大于0的數(shù)據(jù)，以均勻間隔0.1ms抽取，假設(shè)為1,2,3,…,10,則在這1ms內(nèi)的平均速度為

以此類推，重復(fù)5次這樣的取樣計算，將平均值作為這1ms內(nèi)的平均速度。所選取的加速度采樣點間隔時間必須相同。采樣時間相當于區(qū)域?qū)?，采樣值相當于區(qū)域高，所以區(qū)域的面積之和接近于積分的結(jié)果，通過求區(qū)域面積來代替積分。由于計算出的速度和位移也是,,三軸各自的分量，則速度以及位移的標量值需要經(jīng)過兩次勾股定理，即可算出標量值。

2.4.2 數(shù)據(jù)校準

但由于采樣間隔時間的存在，會存在采樣誤差，如果采樣時間趨近于0，則誤差越小，所以計算處理的結(jié)果相對于實際會偏高，誤差會一直積累。誤差分析如圖6(a)所示。

圖6 數(shù)據(jù)誤差校準

通過圖6(b)可以看到多余部分的面積接近于一個三角形面積。三角形的底邊長為時間間隔，高為采樣值之差。則該三角形面積公式為

則經(jīng)過校準后的采樣值為

通過以上校準方法，降低采樣數(shù)據(jù)誤差。將式(11),(12)的計算植入程序中，即為校準程序，采樣信號需要做這樣一個偏移判斷，作為參考。

3 信號的無線傳輸

主控將轉(zhuǎn)換計算等處理過的加速度、速度、位移等數(shù)據(jù)，發(fā)送到串口3，通過串口3傳輸?shù)剿{牙模塊，藍牙模塊收到主控命令并經(jīng)過相關(guān)初始化配置后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機APP。手機打開APP自動搜索與設(shè)備連接，設(shè)備在斷連后，會自動進入低功耗睡眠，喚醒方式有串口喚醒或藍牙喚醒兩種。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，可以設(shè)置藍牙通信包、串口打包時間以及波特率。主控控制藍牙無線傳輸?shù)木唧w流程，如圖7所示。

圖7 藍牙傳輸控制流程圖

4 測試

下載代碼后上電運行，打開手機藍牙連接測振裝置，系統(tǒng)測振裝置如圖8(a)所示，手機端數(shù)據(jù)顯示如圖8(b)所示。

圖8 振動監(jiān)測裝置實物圖

實測中藍牙模塊傳輸距離達30m，普通墻面障礙物沒有造成數(shù)據(jù)丟失。將傳感器靜止放置時，三軸數(shù)據(jù)都為零，符合算法理論值。通過手機可以隨時喚醒傳感器上傳振動數(shù)據(jù)。利用低通濾波算法對加速度分解，為了分析結(jié)果的準確性，本文采用對照組的方式，從樣本中隨機選取一段時間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)作為對照，對數(shù)據(jù)進行分解校準，實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 處理前和處理后的加速度和速度對比

5 結(jié)論

本文介紹了一種高精度振動數(shù)據(jù)采集及其無線傳輸?shù)难芯颗c應(yīng)用。低功耗STM32控制系統(tǒng)的設(shè)計，搭配高分辨率的MEMES傳感器，再結(jié)合數(shù)據(jù)優(yōu)化解算的軟件算法。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)母咝c準確性。滿足了監(jiān)測裝置小型化、易攜帶、效率高的應(yīng)用需求，保證了對電機運行狀態(tài)的有效監(jiān)控。

[1] 解慶春. 電機振動監(jiān)測研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2019.

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[3] 張會娟，張健，商華艷，等. 一種鉆孔測斜儀校準方法的探討[J]. 工業(yè)計量，2021, 31(01): 86-87, 96.

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Motor monitoring system based on vibration data acquisition and wireless transmission

XU Ting，F(xiàn)ANG Ting，HAN Jia-ming，DONG Chong，ZHANG Xiu-cheng

(College of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Technology, Anhui Maanshan 243002, China)

For the low efficiency of motor condition monitoring, a motor monitoring system based on vibration data acquisition and wireless transmission is designed. The system uses low-power STM32 as the main control chip, with acceleration sensor and wireless Bluetooth module to achieve high-precision vibration data acquisition, and further filter, decompose, calculate and calibrate the data. Finally, Bluetooth is used to transmit the data to the mobile phone. The results show that the designed motor monitoring system has the advantages of high accuracy and fast transmission speed.

data acquisition；vibration monitoring；STM32；acceleration sensor；wireless transmission

2021-03-31

徐亭（1990-），男，安徽馬鞍山人，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)研究，429868050@qq.com。

TM306;TN92

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