基于MEMS技術(shù)的礦用無線傳感采集系統(tǒng)設(shè)計

程曉涵，李宗吾，謝秉沁，陽 輝，張 濤，袁 隆，趙 林

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

煤礦機(jī)電設(shè)備是煤礦安全生產(chǎn)的保障，設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境惡劣且復(fù)雜，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。為了降低設(shè)備的故障率，為工作人員提供安全可靠的工作環(huán)境，企業(yè)應(yīng)做好設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)管，及時跟蹤設(shè)備的健康狀況，避免災(zāi)難事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的人工巡檢已無法滿足安全需求，有線的傳感監(jiān)測系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、人力投入和維護(hù)成本高，而且由于空間限制系統(tǒng)集成度低，無法實(shí)現(xiàn)企業(yè)的綜合透明化管控[4，5]。

黃韶杰[6]研制了一種基于藍(lán)牙的無線振動傳感器以及具有安卓和嵌入式雙內(nèi)核的基于藍(lán)牙和 Lora 的診斷分析系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對工作面多種不同類轉(zhuǎn)子設(shè)備的振動診斷分析，但是藍(lán)牙傳輸通訊距離短，傳輸速率不高且信號屏蔽嚴(yán)重。杜巖[1]研制了一種基于無線通信的礦用本安型設(shè)備監(jiān)測子站，可實(shí)現(xiàn)對煤礦井下礦用設(shè)備多路振動和溫度信號的實(shí)時采集與無線傳輸，但傳感器輸出部分是有線，布線和供電麻煩，傳輸距離有限制、信號屏蔽比較嚴(yán)重。薛光輝[7]提出了基于 LoRa技術(shù)的礦用無線復(fù)合傳感器的設(shè)計方案，設(shè)計的無線復(fù)合傳感器功耗低，丟包率小于10%時無線傳輸距離優(yōu)于600m，但其為單一傳感器研發(fā)，對于無線傳感采集系統(tǒng)缺乏整體適用性方案。于海威[8]運(yùn)用ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了采煤機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測分析機(jī)械運(yùn)行過程中的振動、溫度參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)行的異常情況，但通信穩(wěn)定性較弱，且傳輸距離較短。

Koray Gürkan等人設(shè)計了一種低成本的多通道加速度計系統(tǒng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，由電池供電的三軸MEMS加速度計組成，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)記錄并，利用振動臺試驗(yàn)對系統(tǒng)進(jìn)行了同步性和可靠性測試[9]。Alejandro González等人基于Arduino設(shè)計開發(fā)了一款低成本數(shù)據(jù)采集平臺用于動態(tài)采集小于80Hz的車輛動力學(xué)數(shù)據(jù)，采用了低成本的MEMS加速度傳感器，解決了車輛工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低成本采集的需求[10]。Szermer Micha等人針對跟蹤監(jiān)測不平衡障礙患者運(yùn)動的系統(tǒng)，研究三軸加速度計的特性研究，研究比較不同的設(shè)計、評估封裝和讀出電路集成對傳感器工作的影響[11]。J. Selvakumar等人采用低成本的MEMS加速度傳感器對軸承進(jìn)行振動測量，用于軸承故障識別[12]。因此，MEMS傳感器的不斷發(fā)展和小型化為其在機(jī)械、建筑、健康醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性，MEMS器件在各類監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用使得數(shù)據(jù)的獲取和基于數(shù)據(jù)的各類診斷速度快速提升，大大改進(jìn)了工作效率和可靠性，目前國外文獻(xiàn)中還未見專門針對煤礦行業(yè)研制的相關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

MEMS傳感器體積小、成本低、功耗低、可靠性高，可滿足各類監(jiān)測系統(tǒng)的要求。因此，本文根據(jù)煤礦安全認(rèn)證的技術(shù)要求，同時滿足能夠靈活適用各種復(fù)雜現(xiàn)場的要求，研制了一種基于MEMS技術(shù)[13-16]的礦用無線傳感采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的振動和溫度信號的實(shí)時采集、無線傳輸和靈活配網(wǎng)。

1 總體設(shè)計方案

礦用無線傳感采集系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：①無線采集器(即傳感器)：完成溫度，振動等信號的采集并無線發(fā)送；②集中器：完成不同采集器的數(shù)據(jù)的無線接收和匯總，并發(fā)送到主站進(jìn)行分析。礦用無線傳感采集系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 礦用無線傳感采集系統(tǒng)總體構(gòu)架

該系統(tǒng)特點(diǎn)如下：①集中器與采集器之間采用無線Lora方式[7，17，18]通訊，通訊距離遠(yuǎn)，可達(dá)10km，但本系統(tǒng)從傳輸延時和可靠性角度出發(fā)，結(jié)合煤礦復(fù)雜的現(xiàn)場工況，布置距離應(yīng)小于300m，避免信號衰減過快甚至屏蔽；②每個集中器可以收集多路采集器的數(shù)據(jù)，由于礦區(qū)現(xiàn)場情況不同，根據(jù)信號傳輸路徑可靈活設(shè)置不同的集中器；③針對振動信號和溫度信號，采集器分別采用MEMS芯片和數(shù)字式溫度傳感芯片進(jìn)行測量，大大降低了體積、重量和功耗，使采集器更方便安裝和使用；采集器在非工作期(即數(shù)據(jù)采集期和數(shù)據(jù)傳輸期)，處于深度休眠狀態(tài)，大大降低了功耗，提高了電池使用壽命；④采集器工作模式可選：原始數(shù)據(jù)模式，邊緣計算模式(即數(shù)據(jù)深加工模式)；⑤集中器具有多路接口，無線LoRa，RS232/485，10M/100M以太網(wǎng)接口，隔離IO口等，可擴(kuò)展接不同種類，不同格式的傳感器數(shù)據(jù)，可靈活對接已有監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，消除“信息孤島”。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 采集器硬件設(shè)計

采集器硬件架構(gòu)如圖2所示。其主要特點(diǎn)如下：①以32位的MCU芯片STM32F103為處理核心，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展；②采集器非工作期處于深度休眠狀態(tài)，可通過無線網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行喚醒；③采集器的LoRa模塊工作在節(jié)點(diǎn)模式，處在偵聽狀態(tài)，當(dāng)偵聽到無線信號后，喚醒STM32，STM32根據(jù)命令信息，采集相應(yīng)的信號，然后通過Lora模塊返回給集中器，完成后，再進(jìn)入深度休眠狀態(tài)；④通過SPI口，擴(kuò)展了三軸MEMS芯片LIS2DH12，采集X/Y/Z三方向的振動加速度信號，MEMS芯片測量范圍可選(±2G/±4G/±8G/±16G)，加速度采樣頻率范圍1～5300Hz；⑤采樣時長可設(shè)定(1～3s范圍)；⑥通過IO口，模擬DS18B20的串行協(xié)議，采集數(shù)字溫度信號，溫度偏差±0.5℃；⑦兩路異步串行口(uart1和uart3)分別作為命令調(diào)試口，和Lora可擴(kuò)展口，Lora工作在433MHz；⑧采用8M的無源晶體為STM32F103提供工作時鐘；⑨可以通過外部的撥碼開關(guān)設(shè)置(原始數(shù)據(jù)模式，邊緣計算模式)；⑩采用鋰亞電池供電方式，并帶有電壓監(jiān)控，當(dāng)電池容量低時，則報警。

圖2 采集器硬件架構(gòu)

2.2 集中器硬件設(shè)計

集中器硬件架構(gòu)如圖3所示。主要特點(diǎn)如下：以32位的MCU芯片STM32F103為處理核心，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展；通過SPI口擴(kuò)展了一路W5500，W5500將SPI轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)通訊方式，SPI信號格式如下：SCSN為SPI的片選使能線，當(dāng)為低電平時，被選中信號使能；SCLK為SPI的時鐘信號線；MISO——主輸入從輸出信號，STM32用來接收W5500的信號線；MOSI為主輸出從輸入信號，STM32用來發(fā)送給W5500的信號線；INTn為W5500的中斷信號，用來通知STM32，W5500發(fā)生中斷；W5500_RSTn——STM32給W5500的硬件復(fù)位信號，在W5500上電后，STM32通過此引腳復(fù)位一下W5500，使其工作在初始態(tài)。W5500設(shè)計如圖4所示。

圖3 集中器硬件結(jié)構(gòu)

圖4 W5500設(shè)計

1)通過STM32是IIC擴(kuò)展了一片EEPROM的存儲器，用來存儲集中器的數(shù)據(jù)等。如IP地址，Lora通訊參數(shù)等。這樣當(dāng)集中器重新上電時，自動讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)，設(shè)置自身IP等，避免每次都重新設(shè)置，同時，若修改了IP后，STM32也會將新的IP更新并寫入到EEPROM中保存。EEPROM設(shè)計如圖5所示。

圖5 EEPROM電路

2)集中器Lora部分的設(shè)計方式與采集器的硬件設(shè)計完全相同，但工作模式不同，集中器的Lora模塊工作在主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，無休眠態(tài)，同一個頻率段和網(wǎng)絡(luò)組，只允許一個Lora模塊工作在主節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，其余Lora模塊必須工作在從節(jié)點(diǎn)模式，如圖1所示，每個框中，集中器工作在主節(jié)點(diǎn)方式，其他的采集器1～n工作在從節(jié)點(diǎn)方式，不同的工作組之間可以通過工作頻率或者網(wǎng)絡(luò)ID進(jìn)行區(qū)分。

3)上電復(fù)位電路和低電壓復(fù)位采用同一片芯片MAX809T完成，在集中器初始上電時，MAX809T產(chǎn)生一個低電平復(fù)位信號，當(dāng)STM32的供電電壓低于3.08V時，MAX809T同樣產(chǎn)生低電平復(fù)位信號，待電壓恢復(fù)時，復(fù)位信號恢復(fù)，STM32再重新工作，以避免因?yàn)殡妷何蓙y產(chǎn)生程序“跑飛”現(xiàn)象。復(fù)位電路如圖6所示。

圖6 復(fù)位電路

4)RS485電路是通過STM32是異步串行通訊口uart1產(chǎn)生。RS485通訊方式的優(yōu)點(diǎn)是差分傳送方式，抗干擾性好，傳輸距離遠(yuǎn)，在工控領(lǐng)域使用廣泛。擴(kuò)展RS485的作用是為了兼容目前有些設(shè)備已經(jīng)有了傳感器，而且傳感器接口是RS485格式的，從兼容性角度出發(fā)，在集中器上預(yù)留了RS485接口。RS485轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

圖7 RS485電路

5)IO電路中，DI代表數(shù)字量輸入部分，通過U701隔離后，轉(zhuǎn)換為SIGN_IN信號，輸入給STM32進(jìn)行處理；DO為STM3是輸出信號，當(dāng)DO輸出為高電平時，繼電器開關(guān)K1的輸出閉合，當(dāng)DO輸出為低電平時，繼電器開關(guān)K2的輸出打開。IO電路如圖8所示。

圖8 IO電路部分

擴(kuò)展IO接口的主要功能是考慮到有些設(shè)備的報警接口或者故障接口，當(dāng)采集到這個故障后，集中器立即通過Lora采集該故障設(shè)備的信號，以便及時采樣到故障時的設(shè)備運(yùn)行信息，為后續(xù)故障分析提供最真實(shí)準(zhǔn)時的數(shù)據(jù)。輸出DO控制的主要功能是根據(jù)被監(jiān)測設(shè)備的需求，如振動或者溫度超限了，保護(hù)機(jī)制要求停止設(shè)備運(yùn)行或者是由集中器將此告警信息給出的時候，通過此DO信號輸出，DO信號的最終出口為繼電器干接點(diǎn)信號。

3 軟件設(shè)計

軟件部分包括采集器軟件和集中器軟件，集中器通過網(wǎng)絡(luò)依次喚醒組的采集器，采集數(shù)據(jù)匯總后，然后發(fā)給監(jiān)控主站軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理。可以看到集中器與采集器之前涉及到數(shù)據(jù)通訊部分，因此需要設(shè)計合理的通訊規(guī)約，以保證信息報文有序的傳輸。

3.1 集中器與采集器通訊協(xié)議

集中器發(fā)給采集器的通訊報文定為下行報文(即查詢報文)，采集器發(fā)給集中器的通訊報文定為上行報文(即回報報文)，格式見表1[19-21]。

表1 下行報文基本結(jié)構(gòu)

其中上行報文類型見表2。

表2 上行報文的報文類型列表

3.2 采集器軟件設(shè)計

采集器作為終端，根據(jù)收到的集中器的喚醒命令字，將被測設(shè)備的振動和溫度信號采集起來，以及將信息打包，最后通過Lora方式發(fā)送給集中器。主程序流程如圖9所示。

圖9 采集器軟件流程圖

傳感器上電后，完成自身初始化，再進(jìn)行外設(shè)和中斷配置，進(jìn)而繼續(xù)配置MEMS芯片和數(shù)字溫度芯片；讀取lora通訊的參數(shù)，驗(yàn)證通訊參數(shù)是否正確，若有誤，則通過點(diǎn)亮故障燈進(jìn)行告警，在設(shè)備配置和參數(shù)完全正常下，設(shè)計喚醒模式，然后進(jìn)入while循環(huán)中，進(jìn)行休眠；當(dāng)收到外部喚醒命令(無線傳輸命令)，開始進(jìn)行無線lora報文接收，接收完畢后，進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)錯誤，則清除喚醒標(biāo)志后，再進(jìn)入休眠，若接收的報文校驗(yàn)正確，則進(jìn)入報文處理過程，先進(jìn)行特征碼判斷，然后根據(jù)特征碼進(jìn)行對應(yīng)的報文處理，發(fā)送相應(yīng)的返回報文，當(dāng)返回報文發(fā)送完畢后，清楚外部喚醒標(biāo)志位，然后進(jìn)入休眠模式，等待下一次喚醒。

3.3 集中器軟件設(shè)計

集中器軟件流程如圖10所示。集中器主要功能是定時采樣采集器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控主站。集中器作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，承擔(dān)著大量的數(shù)據(jù)匯總和整理工作，因此需要盡量提高效率，所以在傳輸過程中采用了DMA傳輸方式，DMA通道是通過建立外設(shè)和內(nèi)存之間的直接傳輸通路，從而將釋放CPU，尤其適用于大容量的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)是應(yīng)用DMA傳輸?shù)淖罴褕鼍爸?。集中器的擴(kuò)展功能(IO，RS485)可以分別以中斷的方式嵌入到圖10的while循環(huán)中，當(dāng)發(fā)生觸發(fā)事件時，進(jìn)行不同的中斷處理。

圖10 集中器軟件流程圖

4 采集系統(tǒng)測試

4.1 能耗測試

采集器電路板尺寸為35mm×30mm，通過鋰亞電池直接供電，測試工作態(tài)(包括接收，采集和發(fā)送三種狀態(tài))，最大工作電流為130mA，進(jìn)入深度休眠態(tài)，工作電流為30μA，該系統(tǒng)設(shè)置2h集中器收集一次采集器數(shù)據(jù)，經(jīng)測量，每個采集器收集周期(含集中器發(fā)出召喚到對應(yīng)采集器報文發(fā)送完畢)小于30s，則采集器的平均功耗為：570μA。采用7200mAH電池供電，則可以使用17個月左右，維護(hù)過程中每年更換一次電池即可。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性測試

振動測試平臺采用HK9601振動傳感器校驗(yàn)臺提供輸出頻率為80Hz、加速度為1g、誤差為3%的標(biāo)準(zhǔn)加速度振動信號。采用LabVIEW在PC上開發(fā)調(diào)試軟件模擬監(jiān)測主站顯示振動波形，計算得到的振動加速度有效值為1.08g，頻率為79.1Hz，根據(jù)行業(yè)同類產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)80Hz±5%，因此滿足設(shè)計要求。振動信號測試波形如圖11所示。

圖11 無線傳感采集系統(tǒng)振動信號測試波形測試

采用實(shí)驗(yàn)對比的方式來測試溫度傳感器測試的準(zhǔn)確性，與工業(yè)級專業(yè)溫度測試儀器在同等條件下測試的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果得出溫度測試誤差不超過±1℃，滿足設(shè)計要求。

5 通訊可靠性測試

為了驗(yàn)證通訊可靠性，從距離100～500m的不同距離內(nèi)(中間有多棟建筑物遮擋)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，可見在小于300m的距離內(nèi)，丟包概率為0，由于采用了重傳機(jī)制，因此也保證了采樣數(shù)據(jù)的完整性，使其適用性更加廣泛。丟包率統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 通訊可靠性測試

6 結(jié) 語

本文提出了基于MEMS技術(shù)的礦用無線傳感采集系統(tǒng)，通過自定義的通訊規(guī)約可實(shí)現(xiàn)對煤礦設(shè)備的振動、溫度信號的采集及數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)裙δ?，具備傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性強(qiáng)、組網(wǎng)靈活性高、能耗低等特點(diǎn)，并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)。該系統(tǒng)具備良好的通用性，廣泛適用于井上、井下等各種復(fù)雜的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，可為礦用設(shè)備健康監(jiān)測和故障診斷提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。