低功耗自供電機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

穆錦標(biāo)，穆繼亮，鄒 杰，丑修建

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引 言

在機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵位置布放監(jiān)測系統(tǒng)，將狀態(tài)信息發(fā)送到電腦上位機(jī)實時顯示與預(yù)警，能夠有效監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況，從而有效降低安全隱患[1-2]. 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)普遍通過線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種方式雖然保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，但是在?fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中，額外增加的線纜會進(jìn)一步加劇工作現(xiàn)場的復(fù)雜程度，增加事故發(fā)生的概率； 而且傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)大多使用電池作為能量來源，有限的容量無法滿足監(jiān)測系統(tǒng)的長期續(xù)航要求，而頻繁更換電池不僅增加了額外的成本，還會對環(huán)境造成污染. 這些問題都影響了監(jiān)測系統(tǒng)的大范圍應(yīng)用[3-4].

本文針對機(jī)械設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀與技術(shù)瓶頸，設(shè)計了一種低功耗自供電機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng). 系統(tǒng)通過收集機(jī)械設(shè)備工作情況下的振動溢散能量為監(jiān)測節(jié)點供電，同時能夠?qū)⒃O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的振動與溫度信息通過無線通訊的方式發(fā)送到接收器，通過上位機(jī)軟件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析、處理、顯示與預(yù)警，同時使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行存儲，從而對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行長期有效監(jiān)測.

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

低功耗自供電機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測節(jié)點、數(shù)據(jù)接收器以及監(jiān)測上位機(jī)軟件三部分組成，如圖1 所示.

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測節(jié)點作為系統(tǒng)的重要組成部分，實現(xiàn)了能量采集、傳感監(jiān)測以及無線通訊功能. 磁懸浮式振動能量采集器收集機(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況下溢散的振動能量，通過能源管理電路將收集到的能量存儲入鋰電池，傳感監(jiān)測電路通過加速度傳感器以及溫度傳感器監(jiān)測機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)感知到機(jī)械設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，關(guān)閉無線通訊模塊電源以節(jié)約電能； 當(dāng)監(jiān)測到設(shè)備出現(xiàn)故障的產(chǎn)生異常信號時，及時開啟無線模塊并使用藍(lán)牙通訊的方式將機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行工況信息發(fā)送到接收器. 接收器與電腦相連并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口通訊方式發(fā)送到上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示、存儲與預(yù)警，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的人機(jī)交互.

1.2 工作邏輯

為了降低系統(tǒng)功耗并確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測機(jī)械設(shè)備運(yùn)行工況，設(shè)計了低功耗監(jiān)測邏輯，如圖2 所示. 設(shè)置在系統(tǒng)中功耗占比較低的主控芯片與傳感監(jiān)測芯片時刻處于工作狀態(tài)以監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過可編程開關(guān)器件控制功耗較大的無線通訊模塊供電. 傳感芯片監(jiān)測到機(jī)械設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時關(guān)閉無線通訊模塊以實現(xiàn)低功耗運(yùn)行，如果監(jiān)測到機(jī)械設(shè)備處于非正常工作狀態(tài)時及時開啟無線通訊模塊電源并發(fā)送實時數(shù)據(jù)，這樣確保了監(jiān)測系統(tǒng)能夠低功耗長期運(yùn)行.

圖2 低功耗監(jiān)測邏輯

2 振動能量采集器設(shè)計

2.1 原理與仿真

自供電技術(shù)能夠?qū)h(huán)境中常見的風(fēng)能、雨能、熱能、太陽能、機(jī)械能等能量通過能量收集裝置轉(zhuǎn)化為電能并為相應(yīng)電子電路提供能量. 采用自供電技術(shù)收集機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下溢散的振動能量并為監(jiān)測電路供電是一種行之有效的辦法[5-6].

本文設(shè)計的磁懸浮式振動能量采集器如圖3 所示. 縱向布置三顆圓柱形釹鐵硼永磁體，利用永磁體之間的相互排斥力以及殼體對懸浮磁體的支撐力，能夠形成類似于磁懸浮的效果. 在中心懸浮磁鐵外圍布放環(huán)形電磁感應(yīng)線圈，中心懸浮磁鐵能夠響應(yīng)外部的振動能量而發(fā)生上下位移，運(yùn)動的磁鐵能夠產(chǎn)生變化的磁場，從而使電磁感應(yīng)線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流.

圖3 磁懸浮式振動能量采集器示意圖

對振動能量采集器進(jìn)行靜力學(xué)模型分析，永磁體質(zhì)量塊的受力分析如圖4 所示，得到能量采集器平衡方程為

(1)

式中：F1為永磁體2受到的向上的斥力；F2為永磁體2受到的向下的斥力；μ0為真空磁導(dǎo)率；Q1為永磁體1的磁場強(qiáng)度；Q2為永磁體2的磁場強(qiáng)度；Q3為永磁體3的磁場強(qiáng)度；L12為永磁體1與永磁體2之間的距離；L23為永磁體2與永磁體3之間的距離；m2為永磁體2的質(zhì)量；g為重力加速度.

振動能量采集器的動力學(xué)模型等效“彈簧-質(zhì)量塊-阻尼”系統(tǒng)，磁懸浮結(jié)構(gòu)受到外界振動能量影響后脫離平衡狀態(tài)，考慮初始狀態(tài)，設(shè)定外殼的絕對運(yùn)動為y(t)，懸浮磁鐵的絕對運(yùn)動為x(t)，二者之間的相對運(yùn)動為α(t)，可以聯(lián)立得到相應(yīng)振動方程組

(2)

式中：d為阻尼系數(shù).求解公式可得懸浮磁鐵的運(yùn)動表達(dá)式x(t).

圖4 振動能量采集器受力分析

使用Maxwell軟件對永磁體進(jìn)行仿真分析，從圖5 中可以看出，圓柱形永磁鐵側(cè)邊的磁感線密度大于上下端的磁感線密度，因此，電磁感應(yīng)線圈的側(cè)邊布放方式優(yōu)于上下布放方式.

圖5 永磁體仿真圖

2.2 電學(xué)性能測試

振動能量采集器的電能輸出是決定系統(tǒng)能量供給的重要因素. 因此，對能量采集器的電能輸出進(jìn)行定量分析，使用激振器作為振動來源，信號發(fā)生器與功率放大器作為控制源控制激振器的工作頻率與振動強(qiáng)度，同時使用加速度傳感器檢測瞬時加速度的最大值，調(diào)整激振臺的輸出頻率為10 Hz，加速度最大值為2g.

圖6 給出了振動能量采集器的開路電壓和短路電流數(shù)據(jù)，以及輸出電壓和輸出功率與外部負(fù)載電阻之間的關(guān)系. 由圖可以看出，能量采集器能夠產(chǎn)生最大8 V的峰值電壓和20 mA的峰值電流，能夠滿足大部分低功耗電子設(shè)備的供電電壓需求和電流需求，在外接負(fù)載電阻為300 Ω左右時能夠輸出的最大功率為53 mW.

圖6 振動能量采集器的電學(xué)性能

3 低功耗監(jiān)測節(jié)點與上位機(jī)設(shè)計

3.1 低功耗監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

由于電磁能量采集器收集到的能量具有不確定性，直接為電池充電或者為傳感節(jié)點供電會引起電壓不足無法供電或者電壓過高危害電路安全的問題[7]. BQ25570微功率充電芯片能夠?qū)Σ杉降碾娔苓M(jìn)行處理從而有效利用采集到的電能，同時能夠作為電路的穩(wěn)壓芯片為后端電路提供穩(wěn)定電壓輸出.

為確保監(jiān)測節(jié)點長期穩(wěn)定工作，需要專門設(shè)計低功耗傳感監(jiān)測電路. 首先選用低功耗傳感芯片以及主控芯片，使用MSP430作為主控能顯著降低系統(tǒng)工作時的電能消耗，同時集成DS18B20溫度傳感器與ADXL345三軸加速度傳感器，可以實時監(jiān)測機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的溫度和振動信息.

機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時由于操作環(huán)境的影響或者操作人員處置不當(dāng)，隨時可能產(chǎn)生異常導(dǎo)致事故發(fā)生. 因此，監(jiān)測設(shè)備的傳感器與主控芯片應(yīng)當(dāng)隨時處于工作狀態(tài)，實時監(jiān)測機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并判斷是否發(fā)生異常. 無線通訊模塊在監(jiān)測系統(tǒng)中消耗了大量電能，常見低功耗無線通訊方式如ZigBee以及Lora的工作電流大多在30 mA以上，在本設(shè)計中選用低功耗的Bluetooth通訊方式，使用CC2540藍(lán)牙模塊并設(shè)置監(jiān)測節(jié)點中藍(lán)牙為從機(jī)工作模式，工作電流僅為9 mA，極大地降低了系統(tǒng)的功耗. 同時，設(shè)計中加入高側(cè)負(fù)載開關(guān)芯片TPS27081A，由主控芯片控制藍(lán)牙模塊電源的通斷，在機(jī)械設(shè)備正常工作狀態(tài)時關(guān)閉藍(lán)牙電源以降低電能消耗，當(dāng)監(jiān)測節(jié)點感知到機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)異常時及時開啟藍(lán)牙模塊并發(fā)送狀態(tài)信息. 圖7 為低功耗傳感電路實物圖.

圖7 低功耗傳感電路實物圖

表1 為監(jiān)測系統(tǒng)各個模塊功耗的對比，從表中可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)中的無線通訊模塊占據(jù)了大量電能消耗，監(jiān)測系統(tǒng)總功耗為39.147 9 mW，低于振動能量采集器的最大輸出功率53 mW.

表1 監(jiān)測系統(tǒng)各模塊功耗

3.2 上位機(jī)設(shè)計

系統(tǒng)上位機(jī)是實現(xiàn)人機(jī)交互的重要平臺，簡易用的上位機(jī)能夠降低操作人員的學(xué)習(xí)成本與時間成本[8]. 本設(shè)計中使用LabView作為上位機(jī)開發(fā)平臺，以圖形化界面顯示監(jiān)測節(jié)點回傳數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果. 對接收器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行串口接收、異常數(shù)據(jù)剔除、節(jié)點號識別、數(shù)據(jù)分析解碼等處理，將處理后的信息實時顯示到上位機(jī)前端界面供操作人員查看，在前端界面能夠同時顯示接收到的三軸加速度與溫度信息，在側(cè)欄設(shè)置報警閾值，超過閾值后自動報警，使用多節(jié)點并行顯示設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同種類機(jī)械設(shè)備的同時監(jiān)測，圖8 為上位機(jī)前端界面.

圖8 上位機(jī)界面

對于長期處于運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)械設(shè)備而言，記錄設(shè)備故障特征信息至關(guān)重要，通過特征信息可以快速確定故障位置. Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)提供了靈活的應(yīng)用程序接口，能夠在上位機(jī)軟件中方便存儲和調(diào)用，調(diào)用主機(jī)時間信息將設(shè)備狀態(tài)信息存儲至數(shù)據(jù)庫中，能夠隨時查看過往狀態(tài)信息，圖9 顯示了上位機(jī)調(diào)用歷史數(shù)據(jù).

圖9 上位機(jī)歷史數(shù)據(jù)

3.3 性能測試

利用連桿機(jī)以及激振臺模擬機(jī)械設(shè)備運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實驗驗證，如圖10 所示.

圖10 傳感監(jiān)測系統(tǒng)測試圖

本裝置能夠有效收集機(jī)械設(shè)備的振動能量為監(jiān)測節(jié)點供電，同時能夠監(jiān)測機(jī)械設(shè)備的振動和溫度信息，通過主控芯片將監(jiān)測信息進(jìn)行編碼并通過無線通訊方式發(fā)送到接收器，上位機(jī)將接收器收到的信息進(jìn)行處理并進(jìn)行實時顯示.

4 結(jié) 論

1) 本文提出的低功耗自供電機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠收集機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中的溢散能量為監(jiān)測節(jié)點供電.

2) 監(jiān)測節(jié)點能夠?qū)崟r監(jiān)控機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的振動和溫度信息，當(dāng)監(jiān)測到機(jī)械設(shè)備處于非正常工作狀態(tài)時，通過無線發(fā)送的方式將機(jī)械設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送至上位機(jī)顯示，降低了監(jiān)測節(jié)點功耗，滿足監(jiān)測節(jié)點長期續(xù)航的要求.

3) 多節(jié)點并行顯示監(jiān)測上位機(jī)軟件，能夠?qū)⒔邮盏降男畔⑦M(jìn)行實時顯示、 報警與存儲，記錄機(jī)械設(shè)備發(fā)生故障時的特征信息，方便快速確定故障種類.

4) 實驗表明，該系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，工作狀態(tài)穩(wěn)定，可以實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自供電無線監(jiān)測，在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.