移動(dòng)虛擬故障模式識(shí)別儀的開發(fā)研究

陳義 張泉

【摘要】手機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代人民生活出行的非常重要的工具，但將手機(jī)和工業(yè)檢測相結(jié)合的應(yīng)用比較少。因此本文在傳統(tǒng)虛擬故障診斷檢測儀的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)虛擬檢測儀的功能植入到手機(jī)移動(dòng)端，研究開發(fā)一款移動(dòng)的虛擬故障模式識(shí)別檢測儀，方便用戶的使用，便于測量。討論虛擬儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，并研究移動(dòng)虛擬故障模式識(shí)別儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。并通過滾動(dòng)軸承的信號(hào)作為數(shù)據(jù)來源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過將傳統(tǒng)儀器的能夠移植到手機(jī)端同樣能進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

【關(guān)鍵詞】虛擬儀器;手機(jī)移動(dòng);模式識(shí)別

中圖分類號(hào)：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.18.032

由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)具有巨大的市場空間，手機(jī)等移動(dòng)終端作為進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的入口，得到眾多移動(dòng)終端廠商和互聯(lián)網(wǎng)公司的重視。隨著電子制造技術(shù)、終端制造技術(shù)的提升、未來智能移動(dòng)終端將會(huì)更普遍的出現(xiàn)在市場。傳統(tǒng)終端設(shè)備生產(chǎn)廠商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、解決方案提供商等也通過終端整合其互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用及業(yè)務(wù)，促進(jìn)移動(dòng)終端設(shè)備市場的總體發(fā)展。相比較平板電腦檢測儀器的開發(fā)，手機(jī)檢測儀器開發(fā)成本低，攜帶便捷。根據(jù)使用人群不同，基于手機(jī)平臺(tái)開發(fā)的檢測儀器的目的也將會(huì)有本質(zhì)上的區(qū)別。

1. 移動(dòng)故障識(shí)別儀整體方案

虛擬儀器（Virtual Insturment）是計(jì)算機(jī)軟硬件和總線技術(shù)與測試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)學(xué)科交叉發(fā)展出的成果。虛擬儀器系統(tǒng)通過在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上模擬儀器，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)武裝成儀器系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)的核心特征為可重構(gòu)性，虛擬儀器技術(shù)主要分成如下三大部分：模塊化的硬件、硬件集成平臺(tái)。和軟件開發(fā)平臺(tái)。

本系統(tǒng)的工作流程：數(shù)據(jù)感知終端對傳感器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并采集，然后通過藍(lán)牙/Wi-Fi等通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)終端進(jìn)行分析處理。手機(jī)虛擬儀器接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，功能模塊包括：數(shù)據(jù)傳輸模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。設(shè)計(jì)思路如圖1所示：

2. 移動(dòng)故障識(shí)別儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件選擇是本系統(tǒng)開發(fā)中的重要任務(wù)之一，性能優(yōu)良的硬件設(shè)備可以為后期的軟件開發(fā)及檢測儀器的正常運(yùn)行提供良好的工作基礎(chǔ)。移動(dòng)故障識(shí)別儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)主要選擇合適的采集卡、藍(lán)牙模塊、WiFi模塊和手持終端四個(gè)部分。

其中采集卡為了簡化后期軟件開發(fā)的難度，下位機(jī)采集卡采用Google公司開發(fā)的支持Android設(shè)備的外接擴(kuò)展硬件arduino ADK。arduino ADK通過MAX3421E芯片提供的USB HOST擴(kuò)展模塊連接Android設(shè)備。將ADK通過USB與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，USB會(huì)自動(dòng)虛擬出一個(gè)COM通道，通過這個(gè)通道來調(diào)試和下載程序到ADK。

藍(lán)牙模塊可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙技術(shù)起初由愛立信公司于1994年創(chuàng)制，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信，克服了數(shù)據(jù)同步的難題。本硬件系統(tǒng)選擇的是藍(lán)牙適配器HK-750，藍(lán)牙5.0通信協(xié)議，傳輸距離約10米，其傳輸率為1Mbps，內(nèi)置2.4GHz天線。

Wifi模塊能夠廣泛支持?jǐn)?shù)據(jù)、圖像、語音和多媒體等業(yè)務(wù)。相比藍(lán)牙技術(shù)，其特點(diǎn)是傳輸速率較高，傳輸距離較長。本文選用的是TI的CC3200芯片，其主要特點(diǎn)是功耗較低，但速率很快，所以非常適合植入基于手機(jī)移動(dòng)的便攜虛擬設(shè)備。

3.移動(dòng)故障識(shí)別儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)主要分為下位機(jī)程序開發(fā)以及上位機(jī)手機(jī)程序開發(fā)。由于Android系統(tǒng)系統(tǒng)的開放性和廣泛性，所以程序開發(fā)將基于Android系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)下位機(jī)主要要達(dá)到的功能有：（1）通過無線傳輸方式（WIFI/藍(lán)牙方式），接受上位機(jī)發(fā)送進(jìn)來的參數(shù)設(shè)置指令和數(shù)據(jù)采集控制指令;（2）將集成傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)送到上位機(jī)。Android ADK開發(fā)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)主要為使用Arduino IDE作為開發(fā)工具，Arduino IDE是開源并可擴(kuò)展的，這一點(diǎn)與普通的單片機(jī)不同。最終通過軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)界面顯示功能、分析功能、儲(chǔ)存功能等要求。

3.1 顯示模塊

作為用戶使用的最直觀的功能，一個(gè)能夠用戶認(rèn)可的移動(dòng)故障識(shí)別儀，首先的任務(wù)就是需要做到良好的人機(jī)交互。讓顯示界面能夠讓用戶直觀的、簡潔的、有效的進(jìn)行系統(tǒng)操作和分析。本移動(dòng)故障識(shí)別儀顯示功能模塊主要進(jìn)行時(shí)域、頻率、直方圖等信號(hào)的顯示，并且實(shí)時(shí)顯示波形圖，已經(jīng)將原數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換和HHT變換后的頻譜圖的顯示。

3.2 分析模塊

作為本系統(tǒng)最核心的模塊。分析功能模塊需要根據(jù)所識(shí)別的數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行具體的分析。本系統(tǒng)的分析模塊主要由時(shí)域分析模塊和頻域分析模塊組成。其中，時(shí)域分析功能模塊主要進(jìn)行時(shí)域相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算，如均值、方差、峰峰值、峭度、脈沖指標(biāo)等，另外也能夠通過直方圖進(jìn)行展示。通過分析上述時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)達(dá)到對對滾動(dòng)軸承允許狀態(tài)和故障模式的判斷和預(yù)測。時(shí)域分析模塊的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)計(jì)算并不復(fù)雜，所以直接用Java語言來實(shí)現(xiàn)。頻域分析模塊主要進(jìn)行時(shí)域信號(hào)到頻域信號(hào)的轉(zhuǎn)換，從而快捷的分析振動(dòng)信號(hào)的各頻率成分，通過故障特征頻率進(jìn)行故障種類的判斷。本文將進(jìn)行傅里葉頻譜分析、功率譜分析、倒頻譜分析。

3.3 儲(chǔ)存模塊

作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，任何數(shù)據(jù)都必須進(jìn)行保存。存儲(chǔ)功能模塊主要實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的保存，便于對測試者重新調(diào)用、再次分析操作提供保障。另外，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回放的功能。

本系統(tǒng)采用的Android系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，比如文件存儲(chǔ)、SharePreferences及SQLite數(shù)據(jù)庫等。SharePreferences處理實(shí)際上就是處理一對key-Value，比較通俗易懂。SQLite是一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的庫，實(shí)現(xiàn)了自給自足的、無服務(wù)器的、零配置的、事務(wù)性的SQL數(shù)據(jù)庫引擎。它是一個(gè)零配置的數(shù)據(jù)庫，這意味著與其他數(shù)據(jù)庫不一樣，不需要在系統(tǒng)中配置。本文考慮到開發(fā)平臺(tái)所采集到的數(shù)據(jù)可能會(huì)和其他平臺(tái)進(jìn)行交互，故采用文本文件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

最終系統(tǒng)移植到手機(jī)的UI界面效果如圖2所示：

4. 總結(jié)

本文研究新型基于手機(jī)端虛擬儀器，融合手機(jī)移動(dòng)終端和虛擬儀器的特點(diǎn)，結(jié)合了WIFI技術(shù)和藍(lán)牙等無線通信技術(shù)、Android平臺(tái)開發(fā)技術(shù)和滾動(dòng)軸承故障診斷技術(shù)，進(jìn)一步促進(jìn)了檢測儀器向手機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的新發(fā)展。提出了具體研究整理設(shè)計(jì)思路，對移動(dòng)故障識(shí)別儀硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過將計(jì)算機(jī)或嵌入式平臺(tái)的檢測系統(tǒng)植入到移動(dòng)手機(jī)端，避免計(jì)算機(jī)平臺(tái)有線傳輸、儀器體積大、成本較高以及不夠便捷的缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)虛擬檢測儀器的便捷性，進(jìn)一步提高識(shí)別的效率。未來的智能檢測技術(shù)將會(huì)有效的同手機(jī)移動(dòng)終端結(jié)合，進(jìn)行高效便捷的在線檢測，拓展手機(jī)終端在工業(yè)上的應(yīng)用。

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作者簡介：陳義，重慶渝北，工程師，碩士研究生，研究方向：工業(yè)工程，信號(hào)處理